帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件施工階段受力性能試驗(yàn)研究

鄧軒, 黃海林, 朱慧, 曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭, 411201)

帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件施工階段受力性能試驗(yàn)研究

鄧軒, 黃海林, 朱慧, 曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭, 411201)

通過GFRP空心箱型構(gòu)件施工階段的受力性能試驗(yàn), 得到了GFRP空心箱型構(gòu)件的荷載–撓度及荷載–應(yīng)變曲線。進(jìn)一步探討了所設(shè)計(jì)的GFRP空心箱型構(gòu)件結(jié)構(gòu)的合理性及作為無支撐施工模板使用的可行性等問題;肋的截面形式、開孔數(shù)量對GFRP空心箱型構(gòu)件受力性能的影響。通過對GFRP空心箱型構(gòu)件在施工階段的靜力分析, 給出了施工階段構(gòu)件的承載力和撓度計(jì)算公式, 并進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的GFRP空心箱型構(gòu)件形式合理, 參數(shù)實(shí)測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值, 滿足規(guī)范對模板剛度和強(qiáng)度的要求, 可作為施工模板在實(shí)際工程中使用。

剪力鍵; GFRP空心箱型構(gòu)件; 施工階段; 受力性能試驗(yàn)

近年來, 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕問題日益嚴(yán)重, 這不僅影響到結(jié)構(gòu)正常使用的壽命, 且存在嚴(yán)重的安全隱患, 并增加了后期的維護(hù)費(fèi)用[1]。玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[2–4], 將其與混凝土作用形成一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式, 能充分發(fā)揮GFRP受拉與混凝土受壓的特點(diǎn), 可有效解決耐久性問題。這種組合結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)外土木工程領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[5], 成為現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向之一。通過現(xiàn)代拉擠成型工藝可將GFRP材料制作成空心箱型截面構(gòu)件[6], 其下部空心箱型構(gòu)件代替鋼筋或壓型鋼板直接受力, 且可作為施工階段模板使用, 起到約束和保護(hù)混凝土的作用。目前, 國內(nèi)外學(xué)者對GFRP的研究主要集中在GFRP–混凝土組合板的理論計(jì)算和模型試驗(yàn)研究方面[7–12], 針對GFRP空心箱型構(gòu)件作為模板的研究較為少見。為此, 本文提出一種帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件作為組合橋面板的底部模板, 在構(gòu)件上增設(shè)GFRP板肋作為剪力鍵。整個(gè)GFRP空心箱型構(gòu)件通過拉擠工藝一次成型, 能很好地保證剪力鍵與空心箱型構(gòu)件整體受力性能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了4根不同因素下GFRP空心箱型構(gòu)件試驗(yàn)。通過試驗(yàn)?zāi)MGFRP空心箱形構(gòu)件施工階段受力過程, 驗(yàn)證GFRP空心箱型構(gòu)件作為施工模板使用時(shí)剛度與強(qiáng)度是否滿足要求, 為相關(guān)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程需要, 并參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求,GFRP空心箱型構(gòu)件在施工階段作為模板使用時(shí), 其最不利階段應(yīng)滿足模板變形和應(yīng)力狀態(tài)的要求。為保證組合板中GFRP底板具有足夠的強(qiáng)度以承擔(dān)施工荷載并兼做永久模板使用, 采用空心箱型截面是一種合理的結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4根帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件。構(gòu)件計(jì)算跨度為2 880 mm, 總長為3 100 mm, 板寬為394 mm,板高為200 mm, 開孔直徑為35 mm, 其孔徑中心點(diǎn)距空心箱型底板上邊緣距離為40 mm?？招南湫蜆?gòu)件的截面形式如圖1所示。GFRP空心箱型構(gòu)件分為2部分, 上部縱向板肋包括T形截面形式和矩形截面形式, 下部為空心箱型底板, 其主要變化參數(shù)如表1所示。

表1 GFRP主要參數(shù)變化情況

圖1 GFRP箱型構(gòu)件橫斷面(單位: mm)

1.2 材料性能

GFRP空心箱型構(gòu)件由拉擠成型的GFRP型材拼裝而成。為了解其力學(xué)性能,參照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn), 進(jìn)行了拉伸、壓縮等一系列材性參數(shù)試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 GFRP材料性能參數(shù)

1.3 試件制作

本文設(shè)計(jì)帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件下部為四箱室GFRP型材。出于對拉擠成型工藝要求與成本考慮, 先在工廠加工出雙箱室的GFRP空心構(gòu)件, 然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行人工拼裝。在對GFRP空心構(gòu)件進(jìn)行拼裝時(shí), 對拼裝面采用80目粗砂紙人工打磨平整、磨毛, 用ESTA–TJ碳纖維粘貼膠涂刷GFRP空心構(gòu)件拼裝面, 最后對齊拼裝, 形成平整、均勻、緊密粘結(jié)的空心箱型構(gòu)件。為了保證膠水灌實(shí)縫隙, 拼裝完成后用橡膠錘在橋面板側(cè)壁敲打, 并在室溫下養(yǎng)護(hù)7～10 d。

圖2 GFRP空心箱形構(gòu)件試驗(yàn)加載示意圖(單位: mm)

1.4 試驗(yàn)裝置

GFRP空心箱型構(gòu)件施工階段試驗(yàn)采用均布加載方式。試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備有DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)、50 mm廣陸防震機(jī)械百分表、20及25 kg砝碼等。支座一側(cè)采用固定鉸支座, 另一側(cè)采用滾動(dòng)鉸支座。加載圖如圖2、3所示。

圖3 GFRP箱型構(gòu)件試驗(yàn)加載現(xiàn)場圖

1.5 加載方案

在進(jìn)行施工過程模擬試驗(yàn)時(shí), 將GFRP空心箱型構(gòu)件簡支于跨度為2 880 mm的支座之間。通過堆放砝碼的方式模擬混凝土澆筑時(shí)上部所受荷載。試驗(yàn)過程中, 測試構(gòu)件跨中撓度及端部滑移、底面及肋翼緣的應(yīng)變。試驗(yàn)加載時(shí), 用砝碼在GFRP箱型構(gòu)件上進(jìn)行均布加載。在進(jìn)行剛度試驗(yàn)時(shí), 只需加載一級至250 kg, 并持荷5 min, 記錄荷載、撓度及應(yīng)變數(shù)據(jù)。對構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí), 分三級加載至540 kg, 每級荷載持荷5 min, 記錄荷載、撓度及應(yīng)變。

1.6 測點(diǎn)布置

為得到空心箱型構(gòu)件跨中荷載—撓度變化曲線, 在支座處各布置1個(gè)百分表測量支座沉降。在構(gòu)件中部位置放置2個(gè)百分表測量板底跨中撓度變化情況。百分表布置情況如圖4所示。為得到空心箱型構(gòu)件荷載—應(yīng)變曲線, 在肋頂布置3個(gè)應(yīng)變片, 測量板頂GFRP材料抗壓強(qiáng)度變化情況。在板底布置3個(gè)應(yīng)變片, 測量板底GFRP材料抗拉強(qiáng)度變化情況。肋頂、板底應(yīng)變片布置情況如圖5、6所示。

圖4 GFRP空心箱形構(gòu)件百分表布置圖(單位: mm)

圖5 GFRP空心箱形構(gòu)件肋頂應(yīng)變片布置圖(單位: mm)

圖6 GFRP空心箱形構(gòu)件板底面應(yīng)變片布置圖(單位: mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載—撓度曲線

在對帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件進(jìn)行剛度驗(yàn)算時(shí), 試件1、2、3、4板底跨中撓度分別為0.957、0.856、0.857、0.967 mm。因此, 最大撓度變形為0.967 mm, 平均撓度值為0.909 mm, 小于規(guī)范規(guī)定的施工模板允許的最大撓度值, 即結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/400, 約7.2 mm。試件2、試件3相較于試件1的跨中撓度減少約10%, 說明開孔的有無對剛度驗(yàn)算的跨中撓度有影響。試件2、試件3相較于試件4的跨中撓度減少約10%,說明截面的形式對剛度驗(yàn)算的跨中撓度有影響。

在對帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),曲線隨著荷載的增加呈現(xiàn)出近似線性變化的規(guī)律, 說明試件均處于彈性受力階段。試件1、2、3、4底板跨中最大撓度分別為2.061、2.039、1.989、2.365 mm。試件撓度變形最大值為2.365 mm, 小于規(guī)范規(guī)定的施工模板最大允許撓度7.2 mm。從圖7可見, 在荷載達(dá)到200 kg之前, 試件的跨中荷載—撓度關(guān)系曲線基本一致。隨著荷載的持續(xù)增加, 試件4的跨中截面撓度增長速率明顯快于試件1、試件2、試件3。由此可知, T形肋的截面形式增大了受力的接觸面積, 承擔(dān)部分荷載, 避免了因局部應(yīng)力集中對試件的破壞。因此, 剪力鍵肋的截面形式對跨中荷載撓度有一定的影響。

圖7 GFRP空心箱型構(gòu)件跨中荷載—撓度曲線

2.2 荷載—應(yīng)變規(guī)律

2.2.1 GFRP肋頂荷載—應(yīng)變曲線

帶剪力鍵的GFRP空心箱型構(gòu)件作為施工模板使用時(shí)肋頂受壓, 肋頂荷載—應(yīng)變曲線如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明, 在強(qiáng)度驗(yàn)算荷載作用下, 理論計(jì)算荷載為500 kg, 實(shí)際加載荷載至540 kg, 肋頂應(yīng)力水平較低, 試件荷載—應(yīng)變呈線性關(guān)系, 符合彈性階段理論。最大應(yīng)力值為4.31 MPa,遠(yuǎn)小于規(guī)范值, 約為GFRP壓縮強(qiáng)度的1.6 %, 構(gòu)件強(qiáng)度有較大富余, 能滿足施工要求。T形肋截面試件肋頂壓應(yīng)變明顯小于矩形肋截面的肋頂壓應(yīng)變, 說明肋的截面形式對施工模板上部受力有明顯影響。施工設(shè)計(jì)時(shí), 宜采用T形截面形式。

2.2.2 GFRP板底荷載—應(yīng)變曲線

在強(qiáng)度荷載作用下, 底部GFRP空心箱型構(gòu)件的拉應(yīng)力值較低, 板底荷載—應(yīng)變曲線如圖9所示。最大拉應(yīng)力值為2.10 MPa, 約為GFRP抗拉強(qiáng)度的0.44 %。說明模板在板底強(qiáng)度上有較大富余。采用T形肋的截面形式, 提高了GFRP空心箱型構(gòu)件的延性。

GFRP空心箱型構(gòu)件作為施工模板使用時(shí)的受力特性與傳統(tǒng)模板的受力特性相似, 并且實(shí)際測得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值, 符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對施工模板的要求。在進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí), 肋頂和板底荷載—應(yīng)變曲線符合彈性階段理論, 說明在整個(gè)荷載受力過程中空心箱型構(gòu)件處于彈性階段。

圖8 GFRP空心箱型構(gòu)件肋頂荷載—應(yīng)變曲線

圖9 GFRP空心箱型構(gòu)件板底荷載—應(yīng)變曲線

3 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

本次GFRP空心箱型構(gòu)件作為施工模板的截面面積為1.26×10–2m2, 截面重心位置距板底底面0.066 m, 構(gòu)件自重為80 kg, 截面慣性矩為3.634×10–5m4, 抗彎截面系數(shù)為5.5×10–4m3, GFRP材料彈性模量為13.8×103MPa。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對帶剪力鍵的GFRP空心箱型模板進(jìn)行理論計(jì)算, 驗(yàn)證GFRP空心箱型構(gòu)件代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工模板使用的可行性。

3.1 抗彎承載力計(jì)算

在實(shí)際橋梁工程中, 帶剪力鍵的空心箱型構(gòu)件將承受上部傳來的施工荷載。主要荷載有模板自重、新澆筑混凝土重力、施工人員及設(shè)備材料等荷載。

剛度驗(yàn)算時(shí)作用的荷載有GFRP空心箱型構(gòu)件自身荷載SGK1與澆筑在上部面層的混凝土自重SGK2,荷載組合方式為q = SGK1+ SGK2。強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)作用的荷載有GFRP空心箱型構(gòu)件自身荷載SGK1與澆筑在上部面層的混凝土自重SGK2以及施工活荷載SQ1K, 荷載組合方式為q = 1.2 × (SGK1+ SGK2) + 1.4 × SQ1K。其中GFRP空心箱型構(gòu)件自身荷載SGK1為0.69 kN/m2, 澆筑上部面層的混凝土自重SGK2為2.4 kN/m2, 施工活荷載SQ1K為1.0 kN/m2, 強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)試驗(yàn)荷載為540 kg?？缰凶畲髴?yīng)力驗(yàn)算值如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值, 表明GFRP空心箱型構(gòu)件可代替?zhèn)鹘y(tǒng)施工模板使用。跨中最大彎矩Mmax= ql2/8, 跨中最大拉應(yīng)力σ拉= My下/I ≤ fF, 跨中最大壓應(yīng)力σ壓= My上/I ≤ fC。式中: Mmax為GFRP空心箱型構(gòu)件控制截面最大彎矩;σ拉為GFRP空心箱型構(gòu)件跨中板底最大拉應(yīng)力; σ壓為GFRP空心箱型構(gòu)件跨中板頂最大壓應(yīng)力; y下為中和軸到板底距離; y上為中和軸到板頂距離; fF為GFRP材料極限抗拉強(qiáng)度; fC為GFRP材料極限抗壓強(qiáng)度。

表3 跨中最大應(yīng)力驗(yàn)算表 /(N·mm–2)

3.2 撓度變形計(jì)算

在施工階段, 不考慮GFRP空心箱型構(gòu)件與混凝土的組合效應(yīng), 變形計(jì)算中只考慮空心箱型構(gòu)件抗彎剛度。此階段由于不產(chǎn)生塑性變形影響施工階段GFRP空心箱型構(gòu)件作為模板的使用, 即GFRP空心箱型構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。按彈性計(jì)算方法, GFRP空心箱型構(gòu)件在均布荷載作用下的撓度為Wmax=αql4/(EI)。式中: q為施工階段作用在GFRP空心箱型構(gòu)件計(jì)算寬度上的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值; E為構(gòu)件的彈性模量; I為構(gòu)件計(jì)算寬度上的截面慣性矩; E為構(gòu)件的計(jì)算跨度; α為撓度系數(shù), 由于模型為簡支結(jié)構(gòu), α取為5/384?？缰凶畲髶隙闰?yàn)算值如表4所示。

表4 跨中最大撓度驗(yàn)算表 /mm

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用增加砝碼的方式模擬施工過程中GFRP空心箱型構(gòu)件上部所承受的荷載作用, 從剛度和強(qiáng)度2個(gè)方面驗(yàn)證了GFRP空心箱型構(gòu)件作為模板在工程實(shí)際中應(yīng)用的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的空心箱型構(gòu)件形式較為合理, 可作為施工支撐模板使用。

(2) 實(shí)際測得GFRP空心箱型構(gòu)件的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值, 符合規(guī)范對施工模板的要求。受力過程中, GFRP空心箱型構(gòu)件在施工荷載作用下一直處于彈性階段。

(3) 剪力鍵截面形式的不同, 對空心箱型構(gòu)件強(qiáng)度的影響也有所區(qū)別。矩形開孔剪力鍵所測得的肋頂和板底實(shí)際應(yīng)力都遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件, 說明剪力鍵翼緣對構(gòu)件的強(qiáng)度有一定的貢獻(xiàn)。

(4) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù), 驗(yàn)證了GFRP空心箱型構(gòu)件施工階段的受力計(jì)算公式, 計(jì)算結(jié)果表明該公式具有足夠的安全富余系數(shù), 可供工程設(shè)計(jì)參考。

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(責(zé)任編校: 江河)

The mechanical performance test of GFRP hollow box structure with shear connector during construction stage

Deng Xuan, Huang Hailin, Zhu Hui, Zeng Chuijun
(College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The load-deflection curve and load-strain curve of GFRP (glass fiber reinforced polymer) hollow box component are obtained by the mechanical properties test on GFRP hollow box component. The design rationality of GFRP hollow box component structure and feasibility used as construction template without support are discussed,and effects of the rib shape and the presence of hole are investigated. By the static design method of GFRP hollow box component in the construction phase, the GFRP hollow slab’s bearing capacity calculation formula and the deflection formula are put forward and verified. The result shows that the design forms of GFRP hollow box component are relatively reasonable, and the measured value is far less than the standard value. The design of GFRP hollow box components meets the requirement of the relevant specification for template strength and stiffness, and it can be used as construction template in practical engineering.

shear connectors; GFRP hollow box component; construction; the mechanical performan- ce test

TU 398

: A

1672–6146(2017)03–0069–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.015

鄧軒, 445065827@qq.com。

: 2017–03–03

湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CX2016B607)。