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2014年第l2期玻璃钢/复合材料41采用GFRP筋作为约束构件的体内不配筋混凝土板带的工作性能研究杨健彬,郑愚,魏木旺(1.东莞理工学院建筑工程系,广东东莞523808;2.哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055)摘要:本文建立一种基于压缩薄膜效应(CompressiveMembraneAction,CMA)的采用GFRP筋作为体外约束构件的预制混凝土桥面板,并对其在静力荷载作用下的工作性能进行试验研究。通过将试验与传统桥梁面板结构进行对比发现,本文采用GFRP的新型预制桥面板与传统桥梁面板结构相比,极限承载力提高了57%左右;采用GFRP材料作为体外约束构件,合理使用面板内压缩薄膜效应作为承载机制,充分利用GFRP材料良好的抗拉性能和耐久性提高了结构的可持续性。关键词:预制桥面板;GFRP筋;压缩薄膜效应;结构试验——中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2014)120041一o6近二十年来,为了解决混凝土桥面板中钢筋锈蚀的问题¨』,采用玻璃纤维增强复合筋材(GFRPRebars)成为一种可靠途径J。经研究发现,混凝土浇筑的初期,其pH值为碱性(pH=13),如果筋材外表树脂保护层处理不当将有可能导致筋材中的硅元素被破坏。在实际的建造过程中,将GFRP筋材内置的施工方法很容易破坏筋材外表树脂保护层,导致呈碱性的初期混凝土破坏筋材本身的硅元素,从而降低了结构的使用寿命,严重影响混凝土桥面板的承载能力。GFRP筋线弹性、延性较差的特点妨碍了其在支撑构件中的使用。如何更为合理有效地将GFRP筋应用于新建的桥面体系中,提高桥梁结构的耐久性能与工作性能,具有一定的现实意义和必要性。因此,本文提出一种在面板体外采用GFRP筋作为约束构件预制混凝土桥梁面板(如图1所示),结合前期对GFRP筋混凝土面板内压缩薄膜效应的研究引,并采用结构试验对该新型桥面板板带进行分析,研究压缩薄膜效应l对GFRP筋混凝土结构工作性能的影响及新型体外GFRP筋预制桥梁面板的性能,为相关设计和应用提供理论依据。图1新型体外GFRP筋混凝土桥梁面板Fig.1NovelconcretebridgedecksrestrainedbyGFRPbars1试验设计试验模拟研究中所提出的新型体外GFRP筋混凝土桥梁面板结构的单跨板带(如图2和图4所示)。试验中制作GFRP筋混凝土板带模型共八组,并在跨中对其进行静力加载至破坏。如表1和表2所示,研究中拟改变的研究参数为侧向约束刚度(约束杆件材料类型和杆件数量)、混凝土强度和拱形面板厚度。通过对比不同模型的试验结果,包括极限承载力、裂缝宽度与分布、变形及应变,分析相应结构参数改变对板带承载性能和变形能力的影响,重点研究压缩薄膜效应的作用。通过对试验结果的分析,研究本文提出的体内免筋材结构在实际桥梁结构中的工作性能。试验中通过使用百分表测量板底跨中处位移(跨中位移读数为两表平均值),采用人工读数。混凝土和筋材的应变均使用电阻应变片、静态数据采集仪及配套电脑软件进行采集。裂缝宽度使用裂缝读数器由人工测读。在拱推力方向上布置了三个应变片,以此测量在各级荷载作用下拱推力的应力流。为了保证测得全面试验数据,应变片采用对称布置方式(如图3所示)。I奎短友I试验板带\I对7豇』图2桥面板带模型示意图(mm)Fig.2Structuramodelofdeckslabsstip—收稿日期:2014.0504—基金项目:广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目研究计划(Yq2013155);广东省交通厅科技计划(201102.040)作者简介:杨健彬(1988・),男,实验员,主要从事结构分析与复合材料应用研究。通讯作者:郑愚(1978一),男,副教授,博士,主要从事结构耐久性、结构数值模拟以及复合材料方面的研究,zhengy@dgut.edu.cn。42采用GFRP筋作为约束构件的体内不配筋混凝土板带的工作性能研究2014年12月图3侧面应变片布置图Fig.3Configurationofstraingaugesonthecrosssectionofslabsstrip预留孔洞25ram或跟实际杆件直径Loadingal'ea(a)模型平面尺寸(跨中400X25mm为加载区域)(b)模型截面尺寸图4试验模型(mm)Fig.4Testmodel表1筋材参数Tabel1Mechanicalpropertiesofrestraintrods表2桥面板带参数Tabel2Structuralparametersofdeckstructure2试验现象2.1极限承载力如表3所示,约束刚度对该桥面板带结构的承载性能有着显著影响,结构承载性能随着约束刚度的增加而提高。侧向约束刚度的增加提高板带的抗弯强度(如图6(a)所示),而体内不配筋桥面板的挠度变形直接影响其极限承载力。影响板带侧向约束刚度的因素有约束构件配筋数、材料弹性模量和构件的长度(固定值,为模型的宽度)。从表3中可以看出,G2与S2虽然侧向约束刚度相差五倍左右,但板带极限承载力相差约6%。通过分析可知,与s2相比,配置相同直径和数量、抗拉强度较大的GFRP筋G2模型侧向约束力较大。侧向约束强度是影响板带试验模型极限承载力的另一重要因素。因此桥面板板带模型的极限承载力受侧向约束力和侧向约束刚度共同作用,进行该类桥梁面板设计的时候应综合考虑其侧向约束刚度及侧向约束强度。G3的约束刚度提高了50%,但极限承载力却没有提高反而下降。这是由于G3选用了塑料螺栓锚固的GFRP筋,在实验过程中螺栓先于混凝土结构破坏。通过对比G2和G2-C80的试验结果发现,混凝土抗压强度对结构承载力有显著影响,而提高混凝土抗拉强度(掺杂聚丙乙烯纤维)对筋材外置板带结构承载性能没有明显的影响。板带拱厚在一定范围内对极限承载力有影响。改变模型的拱厚由180mm到150mm,极限承载下降了4.8%。这是由于拱厚值变小,承受拱推力混凝土面积减小,板带拱形处可承受荷载降低。表3桥面板带极限承载力Tabel3Strengthsofbridgedeck44采用GFRP筋作为约束构件的体内不配筋混凝土板带的工作性能研究2014年12月(b)不同混凝土强度等级(c)不同混凝土抗拉强度(d)不同拱厚图6不同模型跨中荷载位移曲线Fig.6LoadsVS.verticaldisplacementatmid-span0fdeckslabsintestmodels2.4应变每个测点可共获得四个对称数据,取其平均值即为拱推力处的平均应变,整理得到不同参数变量模型在拱推力处三个测点的荷载一应变曲线图(如图7、图8和图9所示)。其中,arch1:(A1+A6+B1+B6)/4;arch2=(A2+A5+B2+B5)/4;arch3=(A3+A4+B3+B4)/4。每组试验的每根筋材上均布置五个应变片,取其平均值即为筋材平均应变,以此得到筋材受力特点。在采集的所有应变片数据中,将重点分析拱推力处和筋材应变片的数据。模型拱推力处的应变随着荷载的变化趋势基本相似。不同参数变量模型拱推力处对应点的荷载.应变曲线发展趋势基本一致。拱推力的发展趋势并没有因为结构参数的改变而出现较大的变化。在一定的侧向约束刚度条件下拱推力都有出现,且在模型跨中截面出现第一条裂缝之后拱推力明显增大,之后随着荷载增大拱推力不断增大。采用同一种筋材相同配筋数模型的筋材荷载一应变曲线基本重合,筋材应变并不因为结构参数变量的改变出现较大变动。400.'--S1_一300-200一一S2氓..、、.・……“∞G2--.=\、.………G3■.-鼍苎.o001-0.0008-0.0006-0.O004-0O002000002应变(a)arehl点‘兰应变(b)arch2点、dm.‘L一’-、.:::.200G2G3一一S2、.…-’=c:……“..-、j审~应变(c)arch3点图7不同侧向约束刚度拱推力处荷载-应变曲线图Fig.7AxialarchingloadsVS.strainintestmodelswithvariedrestraintstiffness(a)arch1点重镉稼2014年第12期玻璃钢/复合材料45(b)arch2点(c)arch3点图8不同混凝土强度拱推力处荷载.应变曲线图Fig.8AxialarchingloadsVS.strainintestmodelswithvariedconcretestrengths’一一一~_∞200:≥\。\…--SI、一100S1150f一\.一一-一一…应变(a)arch1点(b)arch2点2502啪00"~一—..)∞,二:.。。、~一一一s’:=....、二:,(c)arch3点图9不同拱厚拱推力处荷载-应变曲线图Fig.9AxialarchingloadsVS.strainintestmodelswithvariedarchdepth—DU叮50o、一4o0/…’一3o0…/一sl2o0,,/--…--¥2100一_…¨∞应变(a)不同侧向约束刚度(b)不同混凝土强度等级jw‘250声200=:‘150:一‘10050/一sl_F<一一Sl应变(c)不同混凝土抗拉强度(d)不同拱厚图10模型筋材荷载-应变曲线图Fig.10LoadsVS.strainsinrestraintrods3结论(1)本项目基于对压缩薄膜效应的研究建立了一种采用GFRP筋作为约束构件的体内免筋材的拱形桥面结构,通过初期的试验表明该结构的工作性能良好;(2)由于该新结构本体内不配有任何筋材,其破坏特征相对于传统的配筋面板显得更为脆性和突然,因此建议采用纤维混凝土;(3)试验结果表明,该面板本体内不配筋模型的承载机理来自于侧向约束提供的压缩薄膜效应,采用GFRP筋作为约束构件的体内不配筋混凝土板带的工作性能研究2014年l2月因此结构的承载能力受到侧向约束刚度和侧向约束强度的有效影响;(4)由于受压区高度的增加和混凝土强度的提高均能有效增加侧向约束板带的压缩薄膜效应,因此相应结构参数的增加均有效提高了该板带结构的极限承载力;(5)研究结果表明,压缩薄膜效应的强弱对该新型桥面结构的承载能力有着显着影响。参考文献[1]NanniA.FRPreinforcementforconcretestructures[M].Elsevier-seeieneePublishuers,1993.[2]MathysS,TaerweL.LoadingtestsonconcreteslabsminfomodwithFRPGrids[C].Belgium,1995.287・297.—[3]MiehanlukR,RizkallaS,TadrosG,BenmokraneB.Flexuralbe—haviourofonewayconcreteslabsreinforcedwithfiberreinforcedplasticreinforcements[J].ACIStructuralJournal,1998,95(3):—145155.[4]潘云锋,郑愚.GFRP筋混凝士桥面板内压缩薄膜效应的试验研—究[J].玻璃钢/复合材料,2013,(1):39.[5]余涛,滕锦光.FRP一混凝土-钢双壁空心构件及其在桥梁结构中—的应用前景[J].玻璃钢/复合材料,201I,(5):2023.[6]薛伟辰,康清梁.纤维塑料筋在混凝土结构中的应用[J].工业—建筑,1999,(2):1928.[7]陆中宇.结合压缩薄膜效应对GFRP筋混凝土桥面板的研究—[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文,2011.14.[8]ZhengYu,RobinsonD,TaylorS,eta1.Nonlinearfiniteelementnalysisofcompressivemerflbraneactioninconcreteslabs[J].ICE——ProceedingBridgeEngineering,2008,161(1):2131.[9]郑愚,李春红.对GFRP筋桥梁面板中压缩薄膜效应的研究[j].—世界桥梁,201l,(01):5962.[1O]郑愚,潘云峰.交通荷载作用下压缩薄膜效应对GFRP筋混凝—土桥梁面板工作性能的分析[J].公路,2011,(04):8291.[11]WestgaardHM,SlaterWA.AMomentsandStressinSlabs[J].JournalofAmericanConcreteInstituteProceedings,1921,17:—425538.[12]OeklestonAJ.ArchingAefionginReinforcedConcreteSlabs[J].TheStructuralEngineer,1958,33:304-322.[13]ZhengYu.ModellingofCompressiveMembraneActioninConcrete’BridgeDecks(PhD.Thesis)[D].Belfast:QueensUniversityofBelfast,2007.[14]TAYLORSE.CompressiveMembraneActioninHighStrengthCon-’creteBridgeDeckSlabs[D].Belfast:QueensUniversityofBel・fast,2000.[15]潘云锋,郑愚.对FRP筋混凝土桥梁面板承载力性能的非线性—有限元分析[J].玻璃钢/复合材料,2011,(3):1319.’’INVESTIGATIoNoFBEHAVIoURoFCoNCREIESLABSTRIPRESI'ARINEDBYGFRPWITHoUTINTERNALREDFoRCEMENT—YANGJian.bin,ZHENGYuH,WEIMuwang(1.DepartmentofCivilEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan523808,China;2.ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstituteofTechnology,Shenzhen518055,China)—Abstract:Aarchshapedconcreteslabsstripwithoutinternalreinforcementwasproposedinthisstudybasedoncompressivemembraneaction(CMA).Inthisnovelstructure,glassfiberreinforcedpolymer(GFRP)rodswereusedasrestraintcomponentstodevelopthismembraneaction.Therefore,theloadingcapacityofconcretedeckslabscanbeenhancedsignificantly.Thebehaviourofthoseconcretestripswerestudiedexperimentally.Throughthepara-metricstudy,itwasconcludedthattheloadingmechanismofthisslabstructurewasdependentoninternalcompres-—sivemembraneactionandtheloadingcarryingcapacitycouldbeaffectedsignificantlybythelateralrestraintstiff-ness.WiththeapplicationofGFRPmaterialandCMA,thestr—ucturaldurabilityisimprovedandtheloadingcarryingcapacityisnotaffectedinthisdeckstructure.—Keywords:archshapedconcreteslabsstrip;GFRPbar;compressivemembraneaction(CMA);experimentaltest
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