界面优化下的gfrp混凝土组合桥面板静力性能试验研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 界面优化下的 GFRP 混凝土组合桥 面板静力性能试验研究 摘 要：为推广 GFRP 混凝土组 合桥面板的工程应用，在 GFRP 混凝土 组合板界面抗剪试验研究的基础上，选 取黏砂连接和环氧树脂湿黏结 2 种连接 界面，将前期研究的 GFRP 混凝土组合 桥面板的连接界面进行重新优化设计， 制作 10 块试件进行静力试验，并将试 验结果与前期研究结果进行对比分析.研 究结果表明：界面重新优化设计的组合 板试件，在试验加载过程中能够满足平 截面假定，具有良好的整体工作性能， 具有较高的承载力和良好的变形恢复能 力；试件的破坏虽然为脆性破坏，但是 在破坏前构件的变形较大，有一定预兆， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 具有较高的强度安全储备. 中国论文网 /4/view-12899722.htm 关键词：GFRP 混凝土组合板； 静力试验；试验分析；界面连接；界面 优化 中图分类号：U443.31；U441 文 献标志码：A 文章编号：1674-2974（2017） 03-0019- 09DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2017.03.0 03 Abstract：Reliable interface connections of composite decks are important for their structural performance. To promote engineering applications of GFRP-concrete bridge decks， both the distributed sand bonding interface and the wet epoxy resin bonding interface are considered in the present study. Previous GRFP-concrete interface details are also optimized based on the double-shear test results of the GFRP-concrete composite -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 bridge deck. Ten specimens are manufactured and tested under static loading， and the test results are compared with the previous test results. The present study shows that， with the optimized GFRP-concrete interface， the deformation of the specimens agrees with the plane deformation assumption during the loading process. The specimens show good integrity and high load-carrying capacity as well as good capability in recovering their deformations. Although brittle failure modes are observed in the specimens， large deflections occur before failure， which give some failure warning and ensure relatively high reservation of strength safety. Key words：GFRP-concrete composite deck； static tests； test analysis； interface connection； optimized interface 纤维增强复合材料（fiber -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 reinforced polymer，简称 FRP）具有轻 质高强、耐腐蚀、抗疲劳、线弹性及可 设计性强等特点，是替代钢材的一种理 想材料1.FRP-混凝土组合桥面板是基 于钢混凝土组合板设计思路提出的，是 将 FRP 型材布置在组合板的受拉区、混 凝土板布置在受压区，二者之间通过一 定的连接方式组合协同受力的一种结构 体系. 在土木工程中，传统的钢筋混凝 土桥面板和钢混凝土组合桥面板，在恶 劣的自然环境中钢材锈蚀、混凝土开裂 等问题日益严重，不仅严重影响结构的 耐久性，而且会造成安全事故隐患2-3. 而 FRP-混凝土组合桥面板具有自重轻、 抗震性能好、耐腐蚀、抗疲劳、施工方 便及维护费用低等优势，能解决传统桥 面板在恶劣环境下钢材锈蚀、劣化问题， 从而改善和提高结构的耐久性. 目前，国内外学者对 FRP 材料在 结构的加固补强方面的研究和应用较为 广泛4-10 ，而在 FRP-混凝土组合结构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 方面的研究却很少，且不同研究者研究 的角度不同导致研究结果存在较大差异： Deskovic 等11对提出的纤维缠绕 GFRP 箱梁混凝土组合板进行了弯曲性 能试验，研究结果显示该组合板构件发 生了界面剥离破坏，表现出一定程度的 “伪延性”；Hulatt 等12采用真空袋法塑 化工艺制作 FRP 壳，设计了 FRP 箱型 梁、T 型梁混凝土组合板，并进行了静 力试验研究，结果表明在荷载作用下 FRP 的力学性能没有改变，但混凝土刚 度却明显退化；Cheng 等13对开发设 计的模块化的 FRP-混凝土组合板体系 进行了静力性能试验研究，结果显示该 组合板承载力较高，各项力学性能均能 满足 AASHTOHS20 规范规定的设计要 求；Alnahhal 等14对提出的 FRP-混凝 土组合桥面板进行了弯曲、剪切性能试 验研究，并用 ABAQUS 有限元软件进 行了数值模拟，研究表明有限元结果与 试验结果吻合较好；冯鹏15设计了一 种 FRP-混凝土组合桥面板应用于北京 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 某人行天桥中，并对该组合板的形控 制方法进行了研究；邓宗才等16阐述 了 FRP-混凝土组合板的基本设计思想， 对提出的组合板进行了理论分析；郭诗 惠等17按实桥尺寸设计了三孔箱型 GFRP 混凝土组合板，并进行了静力性 能试验研究，研究结果显示该组合板具 有较高的承载能力和变形恢复能力，组 合板的最终破坏以挠度控制，具有较高 的安全储备. 虽然上述研究对 FRP-混凝土组合结构得到了一些有益的 研究结果，但是在连接界面上并没有进 行深入研究.界面的可靠连接是保证组合 结构正常工作的基础，针对文献17， 作者参考相关研究，对该组合板的界面 连接方式重新进行设计，并制作 27 个 试件，进行了双剪推出试验研究18， 研究结果显示，设计的连接界面抗剪强 度均较高、破坏时界面出现的滑移值均 较小，可以考虑作为组合板界面的构造 连接.从经济和方便施工的角度考虑，本 文从设计的界面中选取黏砂连接和环氧 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 树脂湿黏结 2 种连接方式，以混凝土强 度等级、混凝土板厚为参数，制作 10 块 GFRP 混凝土组合板试件，进行静力 加载试验，根据试验过程和试验结果分 析其典型破坏形态、承载力和刚度的影 响因素，并与前期开展的组合板试件的 试验结果进行对比分析，为推进 FRP- 混凝土组合板的工程应用提供设计参考 和依据. 1 试验方案 1.1 试件制作 本试验采用的试件与文献17中 开展的 GFRP 混凝土组合板试件在材料、 尺寸和形状等方面完全相同，只是界面 连接方式不同.根据文献18，本试验的 组合板试件界面采用黏砂连接和环氧树 脂湿黏结. 文献17 中的界面制作过程为： 首先在 GFRP 上翼板采用喷砂粗糙处理， 然后涂刷环氧树脂有机胶，最后在胶层 上满撒石英砂.针对文献17界面过早出 现滑移的试验结果，文献18将连接界 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 面进行了优化设计，从界面的粗糙处理、 胶结剂的选用、胶层厚度、石英砂粒径 及石英砂的胶层面积覆盖率等方面都进 行了说明.界面胶结剂采用瑞士西卡公司 生产的 Sikadur31CFN 环氧黏结剂，涂 刷厚度为 4 mm19，根据其使用说明， 在黏接玻璃制品材料时先涂刷 Sikafloor156 作为底涂，然后在湿状态 下涂刷 Sikadur31CFN 胶层 .界面制作具 体过程为：先用打磨机将 GFRP 上翼板 打磨并清洗干净，干燥后涂刷 Sikafloor156 底涂，在底涂湿状态下涂 刷 4 mm 厚度的 Sikadur31CFN 胶层.黏 砂连接界面是在胶层上均匀地撒粒径 58 mm 的洁净石英砂，砂粒的面积覆 盖率为 40%50%18，为保证连接效 果，砂粒应部分嵌入胶层内，部分露在 外面.环氧树脂湿黏结界面是指在未固化 的胶层上浇筑混凝土，让胶和混凝土融 合并一起固化成型的一种黏接方法. 以连接界面、混凝土强度等级和 混凝土板厚为参数，本试验共设计制作 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 了 10 个 GFRP 混凝土组合板试件，其 截面形式、几何尺寸和构造如图 1 所示， 材料性能指标见表 1 和表 2. 1.2 加载装置 试验采用 1 000 kN 的电液式加载 机，加载方式 为跨中 2 点对称集中加载，加载 装置如图 2 所示.加载前先进行预加载， 以检查试验装置和测试仪器的可靠性.正 式加载采用分级加载，每 20 kN 为一级， 保持荷载 5 min，采集数据和记录试验 现象后再进行下级加载，直至试件破坏. 1.3 量测内容及测点布置 在试验加载过程中，通过在构件 上布置百分表对试件的挠度进行量测， 挠度测点 D1D6 布置如图 3 所示.在 GFRP 底板、混凝土顶板及构件跨中侧 面布置电阻应变片，以量测构件在各受 力阶段的应变发展情况，应变片布置如 图 4 所示. 1.4 试验破坏现象分析 试件在加载过程中，GFRP 构件 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 与混凝土板协同工作，随着荷载的增加 构件的挠度逐渐增大，加载到极限荷载 前构件一直没有出现裂缝和明显的滑移 现象，所有试件的破坏都是出现在单侧 加载区混凝土板附近，破坏时构件截面 刚度突然降低，导致此处 变形突然增大，但 GFRP 构件整 体性比较好.试件的破坏是突然发生的， 同时伴随巨大的一声响及连续噼啪响声. 卸载后由于 GFRP 构件的弹性回缩，10 块试件的残余变形均小于 0.5 mm. 试验过程中试件主要有混凝土压 碎破坏和界面剥离破坏 2 种典型破坏形 态.由于 GFRP 构件 2 侧伸入混凝土板内 的倒 L 型肋对混凝土板的约束作用，因 此试件破坏时释放的能量对其产生巨大 的作用力，从而使其及与其相连接的 2 侧腹板发生破坏，各试件的破坏形态见 表 3. 混凝土压碎破坏（破坏形态）： 加载到极限荷载时，一侧加载板外侧混 凝土压溃，同时此加载点处两侧 GFRP -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 腹板与翼板脱离并向外屈曲破坏，如图 5（a）所示. 界面剥离破坏（破坏形态）： 加载到极限荷载时，一侧加载板处混凝 土侧板先出现明显的斜裂缝，裂缝迅速 扩展并沿板顶面贯通，接着与其相连的 剪跨段混凝土板发生界面剥离破坏，而 另一侧试件没有出现明显开裂和界面剥 离情况.界面剥离破坏表现为 2 种形态： 仅混凝土板与连接界面剥离发生滑移破 坏（记为破坏形态a ） ，如图 5（b）所 示；混凝土板与连接界面剥离发生滑移 破坏、同时 GFRP 外侧腹板与翼板脱离 向外屈曲、剪切破坏（记为破坏形态 b） ，如图 5（c ）所示. 2 试验结果与分析 各试件的参数及主要试验结果见 表 3. 2.1 荷载挠度曲线 在加载过程中随着荷载的增大， 试件挠度基本上呈线性增长，达到极限 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 荷载时，构件挠度达到最大值.试件的破 坏是突然发生的，具有典型的脆性破坏 特征.试件破坏时，构件的变形较大，挠 跨比远远大于公路钢筋混凝土及预应 力混凝土桥涵设计规范 （JTDG 622012）规定的 1/600.加载结束后， 在卸载过程中，由于 GFRP 构件的弹性 回缩，整个构件的挠度逐渐变小，卸载 结束后几乎没有残余挠度.图 6 和图 7 给 出了 2 种不同连接界面的各组合板试件 的荷载跨中挠度曲线. 从图中可看出，GFRP 混凝土组 合板试件在加载过程中始终保持良好的 整体工作性能，说明试件中采用的 2 种 连接界面均能可靠连接，抗剪连接性能 较高.图 6（a ）和图 7（a ）中显示，在 混凝土板厚相同的情况下，混凝土强度 等级的改变对构件的刚度影响不大，构 件的承载力随混凝土强度等级的增大而 有所增大，但增大幅度有限；图 6（b） 和图 7（b）显示，在混凝土强度等级相 同的情况下，构件的刚度随混凝土板厚 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 的增加明显增大，构件的承载力也随混 凝土板厚的增加而提高（试件 FCCD-8 除外）：当混凝土板厚度由 70 mm 增 大到 100 mm 时，构件的承载力增加较 为显著，但当混凝土板厚度由 100 mm 增大到 150 mm 时，构件的承载力增长 幅度却减缓.这是因为界面黏结破坏使得 厚混凝土板强度不能充分发挥.通过对试 件 FCCD-8 的破 哪健寤炷土 压应变及跨中截面纵向应变等进行分析， 发现此构件破坏时混凝土顶板的压应变 仅为-1 136 ，远远低于混凝土的极限 压应变，由于此试件混凝土板较厚 （h=150 mm） ，连接界面处的混凝土处 于受拉的不利状态，再加以界面制作时 的施工质量因素，从而使连接界面的抗 剪连接强度相比其他试件较低，最终造 成其破坏时构件的承载力降低. 2.2 变分析 图 8 所示为组合板构件混凝土顶 板的加载点荷载应变曲线.试件的荷载应 变曲线包括直线段和非直线段 2 部分： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 在加载初期图形呈线性，随着荷载的逐 渐增大，图形的非线性特性越来越明显， 直至构件破坏.从表 3 和图 8 中可看出， 破坏形态为的试件（FCCD-1， FCCD-4， FCCD-6， FCCD-7， FCCD-9， FCCD-10）在破坏时混凝土 顶板的压应变均超过了-2 500 ，最大 为-3 245 （试件 FCCD-9） ，已经接近 混凝土的极限压应变规范值-3 300 ， 说明界面的抗剪连接性能较高；而破坏 形态为的试件（FCCD-2， FCCD- 3， FCCD-5， FCCD-8）在破坏时混 凝土顶板的压应变均低于-2 500 ，最 小仅为-1 136 （试件 FCCD-8） ，远小 于混凝土的极限压应变，说明试件的界 面抗剪连接性能相对较低. 图 9 为 GFRP 底板的荷载跨中应 变曲线.从图中可看出，所有试件在加载 过程中 GFRP 底板的荷载应变曲线始终 保持直线状态，荷载与应变之间是完全 的弹性关系.这是因为 GFRP 材料的抗拉 强度较高，构件在破坏时 GFRP 底板的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 纵向拉应变（最大为 5 515 ）远小于 其极限拉应变（14 100 ） ，说明其强 度性能没有充分发挥并有待于进一步研 究. 图 10 所示为组合板试件跨中截 面纵向应变沿高度变化曲线.从图中可看 出，各试件在加载过程中纵向应变沿截 面高度始终呈线性变化，能够满足平截 面假定.这表明组合板试件在加载过程中 保持良好的整体工作性能，连接界面抗 剪性能较高，界面间的滑移量很小.混凝 土板厚为 70 mm 的试件（FCCD- 1，FCCD-6）的连接界面基本上处于中 性轴的位置，其余试件的连接界面位于 中性轴的下方，使界面处的混凝土处于 受拉状态，且随混凝土板厚的增大界面 混凝土所受的拉力增大. 3 试验结果对比分析 为和前期开展的 GFRP 混凝土组 合板构件的试验结果17 进行对比，本 试验构件仅对连接界面进行改变，而构 件的形状、尺寸、材料特性及加载点位 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 置均不改变.本次试验构件的连接界面有 黏砂连接和湿黏结 2 种，前期试验构件