錨貼鋼板對高強度塑鋼板樁抗彎性能的影響

許珊,熊厚仁，桂悅輝，唐知杰，柳一新，溫群宇，蔣凱文

(1.嘉興學院 建筑工程學院，浙江嘉興314001；2.海鹽匯祥新型建材科技有限公司，浙江海鹽314300)

目前，河道護岸護坡工程中多采用直立式混凝土擋土墻、預(yù)應(yīng)力混凝土U形板樁、鋼板樁等傳統(tǒng)板樁，[1-3]雖然這些技術(shù)比較成熟，但對生態(tài)環(huán)境會造成不同程度的不良影響.[4-9]針對上述問題，國內(nèi)工程學者研究開發(fā)了系列高強度塑鋼板樁(以下簡稱“塑鋼板樁”)，[10-11]它是由高分子強化復合材料研制成的一種高強度新型材料，既有避免水土流失、穩(wěn)定可靠、抗沖刷、耐腐蝕等特點，又有無污染、工程造價低、勞動力資源消耗少、施工便捷快速、配備常規(guī)機械即可施工等優(yōu)點.[12-16]

以往傳統(tǒng)板樁用于護岸工程中，會通過嚴格控制水平荷載引起的變形值來保障安全，而高分子復合材料制成的新型塑鋼板樁一般具有較高的比強度和較低的抗彎強度，[17-20]在工程應(yīng)用中會產(chǎn)生比傳統(tǒng)板樁(混凝土板樁、鋼板樁)大得多的變形，甚至遠超過傳統(tǒng)板樁的變形控制值，因此，為了提高塑鋼板樁在實際工程中的抗彎性能，通常要對新型塑鋼板樁進行加固處理，一般采用外貼鋼板加固鋼筋混凝土的方法可大幅提升其抗拉強度，有效提升構(gòu)件承載力.[21-30]

本文在借鑒外貼鋼板加固鋼筋混凝土提高抗彎性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了3種不同厚度(2 mm、3 mm和4 mm)的鋼板作為錨固件加固塑鋼板樁，通過自制加載裝置進行加載試驗，對比研究錨貼鋼板對高強度塑鋼組合板樁(以下簡稱“組合板樁”)抗彎性能的影響，獲得各級荷載作用下?lián)隙取?yīng)變的影響規(guī)律，探討了錨貼鋼板對組合板樁的加固效果和協(xié)調(diào)變形特征，為塑鋼板樁抗彎加固設(shè)計方法提供了一種新思路.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本文所選用的塑鋼板樁由海鹽匯祥新型建材科技有限公司生產(chǎn)，橫向截面尺寸為718 mm×180 mm，縱向長度為28 500 mm，板厚度為9 mm，如圖1所示.為增強塑鋼板樁抗彎性能，選用與塑鋼板樁相同長度，厚度分別為2 mm、3 mm和4 mm的鋼板，其橫向?qū)挾冉y(tǒng)一為100 mm，在塑鋼板樁4個彎曲位置進行加固.鋼板在錨貼之前要預(yù)先沿中軸線壓彎，壓彎后的鋼板貼合塑鋼板樁夾角呈80°，然后從塑鋼板樁端部每隔100 mm用螺絲擰緊，為便捷擰緊操作，螺絲采用內(nèi)置螺帽，六角螺蓋置外，錨貼鋼板后的組合板樁如圖2所示.

圖1 塑鋼板樁斷面圖

圖2 錨貼鋼板后的組合板樁示意圖

1.2 材料力學性能

本文采用的塑鋼板樁力學性能如表1所示.

表1 塑鋼板樁力學性能

加固鋼板采用市場常見的Q345鋼板.螺栓采用市場常見的M10內(nèi)六角圓柱螺栓，螺栓力學性能如表2所示.

表2 螺栓力學性能

1.3 試驗方法及測點布置

本文選用錨貼鋼板厚度分別為2 mm、3 mm和4 mm的組合板樁和無錨貼鋼板的塑鋼板樁進行對比試驗，各試件加固情況如表3所示.

表3 試件加固情況表 mm

試驗方法參考JC/T 2602-2021《預(yù)應(yīng)力混凝土U形板樁》[31]中7.5相關(guān)規(guī)定和前期試驗數(shù)據(jù)，采用簡支梁對稱加載裝置，通過10噸油壓千斤頂，利用分配梁進行對稱加載，支座間距為0.6 L(L為塑鋼板樁長度)，分配梁支座間距為500 mm，加載裝置如圖3所示.

(a) 加載布置

(b) 斷面應(yīng)變片布置

(c) 支座夾具布置

本文采用長度為2 850 mm的塑鋼板樁，即支座間距為1 710 mm，兩端懸出570 mm，用兩個U形自制的鋼制墊板作為分配梁的傳力輔件，使板樁全斷面協(xié)同承受上部荷載作用.

為研究不同荷載作用下塑鋼板樁不同截面的撓度、應(yīng)變規(guī)律，在塑鋼組合板樁1/4跨和1/2跨的截面各布置10個應(yīng)變測試點；在1/4跨、1/2跨測點各布置1個位移計.彎曲試驗使用三點加載方案，通過手動控制千斤頂對分配梁進行對稱加載，利用位移計采集撓度數(shù)據(jù)配合靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀來分析應(yīng)變變化情況.

考慮到本次試驗塑鋼板樁的材料性能及結(jié)構(gòu)特點，在參照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》的水平變位控制最大值40 mm的基礎(chǔ)上，擴大至60 mm；抗彎試驗加載步驟參照JC/T 2602-2021《預(yù)應(yīng)力混凝土U形板樁》[31]中7.5.3規(guī)定進行.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 撓度時程曲線

圖4為各試件在各級荷載作用下的撓度時程曲線圖.

(a)1/4跨

(b)1/2跨圖4 荷載-撓度時程曲線圖

表4為各試件在各級荷載作用下?lián)隙戎?，?中的第(4)(8)(12)列數(shù)值分別為G2、G3、G4試件相比于G0試件的1/2跨撓度比值，表4中的第(6)(10)(14)列數(shù)值分別為G2、G3、G4試件相比于G0試件的1/4跨撓度比值.

表4 各級荷載作用下?lián)隙戎?/p>

由圖4和表4可知，組合板樁(試件G2、G3、G4)的1/2跨撓度變形值與塑鋼板樁(試件G0)呈現(xiàn)相同的階梯式跳躍遞增規(guī)律，但1/2跨撓度隨錨貼鋼板厚度的增加而呈現(xiàn)前期(P≤45 kN)增大后期減小的趨勢.其中試件G0在荷載P=45 kN時，1/2跨撓度變形值達到59.67 mm，接近本次試驗加載變形極限控制值，而試件G2、G3和G4在相同荷載作用下的1/2跨撓度變形值分別只有試件G0的69%、70%和75%，表明通過錨貼鋼板可適當提高塑鋼板樁的抗彎性能，但不同厚度鋼板的加固效應(yīng)略有不同.

由圖5可知，試件G0、G2、G3和G4呈現(xiàn)相同的變形模式，表明錨貼的鋼板不能改變塑鋼板樁變形模式，僅能起輔助作用.隨著荷載不斷增大，除試件G0超過變形控制值外，其他試件采集到P=60 kN時，G2、G3和G4的1/2跨撓度變形值分別為55.42 mm、51.18 mm和52.35 mm，均未達到變形控制值，表明錨貼鋼板的塑鋼組合板樁(G2、G3、G4)均可承受超過試件G0 1.3倍荷載的變形控制值，且三者差別不大.

試件G2、G3、G4的1/4跨與試件G0的撓度比值分別分布在0.41～1.11、0.81～1.33、1.05～2.65內(nèi)，表現(xiàn)出與其對應(yīng)的1/2跨撓度變形規(guī)律不同，可見，各試件1/4跨撓度的變形值隨著錨貼鋼板厚度的增加而持續(xù)增大，說明錨貼鋼板對塑鋼組合板樁的非跨中位置產(chǎn)生了受彎變形協(xié)調(diào)作用，且錨貼鋼板越厚，整體協(xié)調(diào)作用越強.

(a)G0 (P=45 kN)

(b)G2 (P=60 kN)

(c)G3 (P=60 kN)

(d)G4 (P=60 kN)圖5 試件整體變形模式

2.2 應(yīng)變時程曲線

在前述加載試驗過程中，各試件在各級荷載作用下的1/2跨和1/4跨的應(yīng)變時程曲線如圖6和圖7所示，因鋼板錨固和螺栓布置的位置誤差等原因，使得各試件對稱測點的應(yīng)變分布呈現(xiàn)不完全對稱，但這并不影響試驗結(jié)果.

(a)G0

(b)G2

(c)G3

(d)G4圖6 1/4跨應(yīng)變時程曲線圖

(a)G0

(b)G2

(c)G3

(d)G4圖7 1/2跨應(yīng)變時程曲線圖

為便于后續(xù)分析，選取1/2跨各試件上相同測點的應(yīng)變平均值作為代表，其中測點1/2/9/10、3/8、4/7、5/6的求和平均值分別代表試件的翼板、腰板、腿板、底板各斷面處的平均應(yīng)變值，如表5所示.

由圖6和圖7可知，錨貼不同厚度鋼板的試件G2、G3和G4的應(yīng)變時程曲線與試件G0呈現(xiàn)相同的階梯式跳躍遞增規(guī)律，在各測點處的應(yīng)變幅值均小于無鋼板，說明試件G2、G3和G4由于鋼板加固的作用使得其剛度大于無鋼板加固的試件G0，進一步驗證了錨貼鋼板不能改變塑鋼板樁的變形模式，僅能起輔助作用.

由表5可知，當加載荷載達到P=45 kN時，試件G0在斷面處的翼板、腰板、腿板和底板均達到最大應(yīng)變值，分別為-13 757 με、-2502 με、11 260 με、14 247 με，試件G2在相同荷載作用下的翼板、腰板、腿板和底板處的應(yīng)變均值分別只有試件G0的22%、4.8%、24%和32%，試件G3在相同荷載作用下的翼板、腰板、腿板和底板處的應(yīng)變均值分別只有試件G0的15%、3.3%、25%和27%，試件G4在相同荷載作用下的翼板、腰板、腿板和底板處的應(yīng)變均值分別只有試件G0的22.5%、34.4%、25.2%和34.6%，表明試件G2、G3和G4翼板、腰板、底板處的應(yīng)變均值隨著錨貼鋼板厚度增大呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢， 而其相應(yīng)腿板處的應(yīng)變均值隨錨貼鋼板厚度增大呈現(xiàn)小幅增大的趨勢.說明錨固鋼板對塑鋼板樁不同斷面處的加固效益不同，后續(xù)有待進一步研究.

由表5和圖7可知，當試件G2、G3和G4繼續(xù)加載至P=60 kN時，試件G2在翼板、腰板、腿板和底板的應(yīng)變均值相比P=45 kN時分別增加了2.36、10.94、1.33和1.53倍，試件G3在翼板、腰板、腿板和底板的應(yīng)變均值相比P=45 kN時分別增加了1.6、0.18、1.41和1.47倍，試件G4在翼板、腰板、腿板和底板的應(yīng)變均值相比P=45 kN時分別增加了1.3、1.18、1.35和1.36倍，表明試件G4對其斷面各處的變形協(xié)同作用最好，其次為試件G3，最后為試件G2，說明隨著錨固鋼板厚度增加，可增加組合板樁的協(xié)同作用，此與前述表4分析的撓度變形規(guī)律一致，再次驗證了本次試驗數(shù)據(jù)的有效性.

表5 各級荷載作用下1/2跨的應(yīng)變平均值

2.3 加固效果分析

由于錨栓的協(xié)調(diào)作用，塑鋼組合板樁的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律介于鋼板與塑鋼板樁之間.如圖4所示，當荷載P<45 kN時，塑鋼組合板樁的1/2跨撓度變形值與鋼板厚度呈現(xiàn)正相關(guān)性，鋼板越厚，其1/2跨撓度變形值越大，說明試件G2、G3和G4的1/2跨撓度變形受鋼板自重影響，呈現(xiàn)出塑鋼板樁的性能，由表5可知，試件G4底板的受拉應(yīng)變比試件G2、G3的大，驗證了鋼板自重對鋼板變形起主導作用.當荷載P≥45 kN時，試件G2、G3和G4的1/2跨撓度變形與鋼板厚度相關(guān)性不顯著，此時，試件G2主要由錨貼在塑鋼板樁上的鋼板承擔，撓度變形值體現(xiàn)的是鋼板的性能.錨固在試件G2上的鋼板在該荷載下達到屈服階段，而錨固在G3、G4上的鋼板還未達到其屈服階段，所以，在該荷載下試件G2產(chǎn)生的撓度變形值超過了試件G3和G4，而試件G3、G4因其錨固鋼板未達到屈服階段，仍呈現(xiàn)出塑鋼板樁的性能.

3 結(jié)論

第一，錨貼鋼板不能改變塑鋼板樁的變形模式，僅能起輔助作用，錨貼鋼板可適當提高塑鋼板樁的抗彎性能，塑鋼組合板樁可承受超過塑鋼板樁1.3倍荷載的變形控制值.

第二，錨貼不同厚度的鋼板，對組合板樁的1/2跨和1/4跨的抗彎協(xié)同性能有顯著差異，組合板樁的1/2跨撓度變形值隨鋼板厚度的增加呈現(xiàn)前期(P≤45 kN)增大、后期減少的趨勢，而1/4跨撓度變形值隨鋼板厚度的增加持續(xù)增大.

第三，塑鋼組合板樁的翼板、腰板、底板處的應(yīng)變均值隨著錨貼鋼板厚度的增大呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，而其相應(yīng)腿板處的應(yīng)變均值隨錨貼鋼板厚度增大呈現(xiàn)小幅增大的趨勢.相比塑鋼板樁，錨貼鋼板可大幅度降低樁身的應(yīng)變，降幅達65%以上.