含GFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗剪性能試驗(yàn)研究

吳 平, 郭 楊, 朱大勇

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

含GFRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗剪性能試驗(yàn)研究

吳 平1,2, 郭 楊1, 朱大勇2

(1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230001; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章介紹了含玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(以下簡(jiǎn)稱“PRC-G樁”),并進(jìn)行了抗剪性能的對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:GFRP筋與混凝土(C80)可以共同作用,能有效發(fā)揮材料的高強(qiáng)性能,GFRP筋的配置較大幅度地改善了普通管樁的抗剪性能,其開裂剪力有顯著的提高,是規(guī)范值的1.12倍;2種類型樁破壞過程相似,均是從支座處首先出現(xiàn)裂縫,沿樁長(zhǎng)方向大致20°～30°夾角方向開展延伸,延伸至加載點(diǎn)垂直面時(shí),以平行于樁長(zhǎng)方向繼續(xù)擴(kuò)展,最后形成貫通面;按等效圓形截面法計(jì)算PRC-G樁的開裂剪力是符合設(shè)計(jì)要求的,且偏于保守。

復(fù)合配筋;玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP);管樁;開裂剪力;撓度

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁以其具有工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)、單樁承載力高、對(duì)工程地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工工期短、現(xiàn)場(chǎng)無污染等優(yōu)點(diǎn),已大量應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、公路橋梁、港口等領(lǐng)域,成為我國(guó)應(yīng)用最廣泛的樁型之一[1]。但預(yù)應(yīng)力混凝土管樁也存在抗剪承載力低、抗震性能不足的缺點(diǎn)[2],因此在以水平荷載為主的支護(hù)工程中均難以采用普通的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究成果主要側(cè)重于管樁軸向受力性能[3-4]、抗彎性能[5-6]及管樁接頭[7]等方面的研究。

此外,在港口碼頭領(lǐng)域的工程應(yīng)用中,銹蝕、劣化問題日益嚴(yán)重,其中樁身出現(xiàn)裂縫后內(nèi)部鋼筋的銹蝕最為常見,影響結(jié)構(gòu)的正常使用和壽命,還造成大量的安全和事故隱患[8]。

為解決上述問題,筆者創(chuàng)新研發(fā)了“含玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁”(以下簡(jiǎn)稱“PRC-G樁”)[9],以提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪性能和耐久性。本文通過一系列原型樁抗剪試驗(yàn),對(duì)復(fù)合配筋(GFRP筋)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的受力特性和破壞特征進(jìn)行研究,并提出抗剪承載力相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共進(jìn)行2根樁抗剪試驗(yàn),樁長(zhǎng)12 m,樁徑和壁厚分別為600、110 mm,復(fù)合配筋按圓截面均勻布置。2根試驗(yàn)樁分別為PRC-G 600 110-12型PRC-G 600 AB樁和PRC 600 AB樁。其中，PRC-G樁生產(chǎn)采用現(xiàn)有流水作業(yè)的工藝流程及技術(shù)要求;PRC樁參照河南圖集《混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[10]相關(guān)參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制作。

PRC-G樁的樁身配筋橫剖面如圖1所示。

圖1 PRC-G樁斷面尺寸及配筋

2根試驗(yàn)樁外徑D=600 mm,預(yù)應(yīng)力鋼筋為1610.7,GFRP筋為1612,非預(yù)應(yīng)力鋼筋為1612。GFRP筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)[11]如下:

(1) GFRP筋。10 mm≤d<16 mm(d為公稱直徑),抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk≥650 MPa,剪切強(qiáng)度f(wàn)v≥110 MPa,極限拉應(yīng)變?chǔ)拧?.2%,彈性模量Ef≥40 GPa。

(2) HRB400。5 mm≤d<50 mm,fk=400 MPa,ε=7.5%。

試驗(yàn)所用GFRP筋如圖2所示,具有輕質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特性。

圖2 GFRP筋

2 試驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 13476)[12]與安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB 34 5005)[13]制作而成。試驗(yàn)采用1 000 kN液壓千斤頂加載,撓度測(cè)量采用5 cm型數(shù)字位移計(jì),應(yīng)變觀測(cè)采用100 mm×3 mm型電阻應(yīng)變片,采集裝置使用DH3815N分布式靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

抗剪試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

圖3 抗剪試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 加載方式與分級(jí)

試驗(yàn)加載方式根據(jù)文獻(xiàn)[12]確定。按抗裂剪力的20%的級(jí)差由0加載至抗裂剪力的80%,每級(jí)荷載的持續(xù)時(shí)間為3 min;然后按抗裂剪力的10%的級(jí)差繼續(xù)加載至抗裂剪力的100%,每級(jí)荷載的持續(xù)時(shí)間為3 min,觀察是否有裂縫出現(xiàn),測(cè)定并記錄裂縫寬度。如果在抗裂剪力的100%時(shí)未出現(xiàn)裂縫,那么按抗裂剪力的5%的級(jí)差繼續(xù)加載至裂縫出現(xiàn),每級(jí)荷載的持續(xù)時(shí)間為3 min,測(cè)定并記錄裂縫寬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

荷載加載至798.1 kN,PRC-G 600 AB樁出現(xiàn)裂縫,此時(shí)跨中撓度4.59 mm,繼續(xù)加載至916.4 kN,形成貫通的破裂面,此時(shí)跨中變形為5.71 mm。

對(duì)PRC 600 AB樁,加載至790.6 kN時(shí)出現(xiàn)裂縫,跨中撓度4.17 mm;繼續(xù)加載至884.5 kN時(shí),管樁破壞,此時(shí)跨中撓度為5.32 mm。

3.2 荷載-跨中撓度曲線分析

PRC-G 600 AB樁和PRC 600 AB的荷載-跨中撓度曲線圖如圖4所示,2根樁的樁身變形發(fā)展情況分別如圖5、圖6所示。

圖4 荷載-跨中撓度關(guān)系曲線

圖5 PRC-G 600 AB樁抗剪試驗(yàn)撓度發(fā)展情形

圖6 PRC 600 AB樁抗剪試驗(yàn)撓度發(fā)展情形

由圖5可以看出,PRC-G樁跨中變形量略大于兩端,破壞時(shí)PRC-G 600 AB樁的跨中撓度為5.71 mm;PRC-G樁各測(cè)點(diǎn)處的變形均以向下位移為主要趨勢(shì),管樁呈現(xiàn)明顯“壓扁”的趨勢(shì),可見玻璃纖維筋的配置可以增強(qiáng)管樁樁身的整體剛度。

由圖6可見,PRC樁跨中變形量略大于兩端,出現(xiàn)裂縫后繼續(xù)加載,跨中變形增大變快,撓度曲線出現(xiàn)凹形形狀,破壞時(shí)PRC 600 AB樁的跨中撓度為5.32 mm。與PRC樁相比,PRC-G樁的整體變形較好,各測(cè)點(diǎn)的撓度變形更均勻(圖6中曲線更加平順),說明玻璃纖維筋的配置能夠更好地和混凝土發(fā)揮協(xié)同作用。

3.3 破壞形態(tài)

PRC-G 600 AB樁和PRC-600 AB的裂縫分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 PRC-G 600 AB樁的裂縫分布示意圖

圖8 PRC 600 AB樁的裂縫分布示意圖

由圖7可見,對(duì)于PRC-G 600 AB樁,在加載點(diǎn)與支座之間以剪應(yīng)力為主的剪彎段內(nèi)裂縫從右支座處首先出現(xiàn),以大致30°方向?yàn)橹?支座之間裂縫以中軸高度附近的水平向裂縫為主,形成貫通面。PRC-G樁裂縫貫通時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。

圖9 PRC-G樁裂縫貫通現(xiàn)場(chǎng)圖

由圖8可以看出,PRC 600 AB樁和PRC-G 600 AB樁的裂縫分布具有一定的相似之處:在加載點(diǎn)與支座之間以剪應(yīng)力為主的剪彎段內(nèi)裂縫從右支座處首先出現(xiàn),以大致20°方向?yàn)橹?支座之間裂縫以中軸高度附近的水平向裂縫為主,形成貫通面。PRC 600 AB樁右支座處出現(xiàn)大致呈20°的剪切破碎帶,寬度約10 cm。PRC樁裂縫貫通時(shí)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖10所示。

圖10 PRC樁裂縫貫通現(xiàn)場(chǎng)圖

3.4 抗剪性能試驗(yàn)結(jié)果分析

600(110)AB各類型管樁開裂剪力對(duì)比如圖11所示。從圖11可見,PRC-G 600 AB型管樁的抗裂剪力明顯優(yōu)于規(guī)范參考值,其中開裂剪力是規(guī)范值的1.12倍,可見玻璃纖維筋的加入顯著改善了普通管樁的抗剪性能;與PRC 600 AB型管樁相比,其開裂剪力和形成完整破裂面時(shí)剪力均基本相等。

圖11 600(110)AB各類型管樁抗剪性能對(duì)比

4 PRC-G樁開裂剪力設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 開裂剪力計(jì)算

開裂剪力計(jì)算參考文獻(xiàn)[10]中關(guān)于管樁抗剪承載力的計(jì)算公式,但混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力考慮GFRP筋作用。PRC-G樁的抗剪承載力按等效圓形截面法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算示意圖如圖12所示。將環(huán)形截面按2個(gè)圓形截面(直徑分別為樁身外徑和內(nèi)徑)等效成矩形截面,按文獻(xiàn)[14]規(guī)定的有關(guān)計(jì)算公式,兩者的抗剪承載力之差即為管樁的抗剪承載力。

圖12 等效圓形截面法

Vu≤0.7ft(AD-Ad)+1.0fyvAsvh0/S+ 0.05(AD-Ad)σpc

(1)

AD-Ad=2.816(D2/4-d2/4)

(2)

h0=1.6D/2=0.8D

(3)

其中,Vu為PRC-G樁抗剪承載力設(shè)計(jì)值;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;D為樁身外徑;d為樁身內(nèi)徑;AD為管樁外截面積;Ad為管樁內(nèi)截面積;fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv為配置在同一截面處箍筋的橫截面面積;S為箍筋的間距;σpc為混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力。

抗裂剪力的計(jì)算同抗剪承載力計(jì)算,但忽略箍筋的影響,混凝土采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算公式為:

Vcr≤0.7ftk(AD-Ad)+0.05(AD-Ad)σpc

(4)

其中,Vcr為PRC-G樁抗裂剪力設(shè)計(jì)值;ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

4.2 開裂剪力理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

按(4)式計(jì)算開裂剪力Vcr,并與試驗(yàn)值V比較,得出:

V/Vcr=1.18

(5)

因此,采用(4)式進(jìn)行PRC-G樁開裂剪力設(shè)計(jì)計(jì)算是可行的,并稍偏于保守。

5 結(jié) 論

本文通過一系列原型試驗(yàn),對(duì)復(fù)合配筋(GFRP筋)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪性能進(jìn)行了研究,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) GFRP筋與混凝土(C80)可以共同作用,能有效發(fā)揮材料的高強(qiáng)性能。

(2) GFRP筋的配置較大幅度地改善了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗剪性能。PRC-G 600 AB樁的開裂剪力是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考值的1.12倍,與PRC 600 AB樁的抗裂剪力基本相等。

(3) GFRP筋的配置對(duì)管樁的抗剪破壞形態(tài)影響不大,PRC-G樁和PRC樁破壞過程相似,均是從支座處首先出現(xiàn)裂縫,沿樁長(zhǎng)方向大致20°～30°夾角方向開展延伸,延伸至加載點(diǎn)垂直面時(shí),以平行于樁長(zhǎng)方向繼續(xù)擴(kuò)展,最后形成貫通面。

(4) 提出了復(fù)合配筋(GFRP筋)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁開裂剪力的理論計(jì)算公式,試驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.18,因此計(jì)算是可行的,并稍偏于保守。

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[14] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn):GB 50102—2012 [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012:10-14.

Experimentalstudyofshearpropertiesofprestressedconcretepipepilewithglassfiberreinforcedpolymer

WU Ping1,2, GUO Yang1, ZHU Dayong2

(1.Anhui Institute of Building Research and Design, Hefei 230001, China; 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The shear properties of innovatively developed prestressed concrete pipe pile with glass fiber reinforced polymer(GFRP), which is called PRC-G pile, are studied through contrast test. The results show that GFRP can be exerted the high strength properties through joining with concrete(C80) by the common power mechanisms. Moreover, GFRP evidently improves the shear properties of the pile, and the anti-cracking shear capacity increases significantly, which is 1.12 times than that of standard value. The failure process of two types of pipe pile is similar, cracks appear firstly at the joints, outspreading roughly in the direction of 20°-30° angle with pile length. When cracks extend to the vertical plane of the loading point, they continue to expand in the pile length direction and form the through surface finally. The PRC-G anti-cracking shear capacity calculated according to the equivalent circular cross section method is in conformity with the design requirements with a bit bias towards being conservative.

composite reinforcement; glass fiber reinforced polymer(GFRP); pipe pile; anti-cracking shear capacity; deflection

2017-01-09；

2017-03-28

安徽省建設(shè)行業(yè)科學(xué)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015YF-30)

吳 平(1988-),男,安徽肥西人,安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院工程師,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;郭 楊(1979-),男,安徽肥東人,安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院正高級(jí)工程師;朱大勇(1965-),男,安徽樅陽(yáng)人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.10.018

TU473.13

A

1003-5060(2017)10-1394-05

(責(zé)任編輯 張淑艷)