带剪力键的GFRP空心箱型构件施工阶段受力性能试验研究

邓轩, 黄海林, 朱慧, 曾垂军

(湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭, 411201)

带剪力键的GFRP空心箱型构件施工阶段受力性能试验研究

邓轩, 黄海林, 朱慧, 曾垂军

(湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭, 411201)

通过GFRP空心箱型构件施工阶段的受力性能试验, 得到了GFRP空心箱型构件的荷载–挠度及荷载–应变曲线。进一步探讨了所设计的GFRP空心箱型构件结构的合理性及作为无支撑施工模板使用的可行性等问题;肋的截面形式、开孔数量对GFRP空心箱型构件受力性能的影响。通过对GFRP空心箱型构件在施工阶段的静力分析, 给出了施工阶段构件的承载力和挠度计算公式, 并进行了验证。试验结果表明, 所设计的GFRP空心箱型构件形式合理, 参数实测值远远小于规范允许值, 满足规范对模板刚度和强度的要求, 可作为施工模板在实际工程中使用。

剪力键; GFRP空心箱型构件; 施工阶段; 受力性能试验

近年来, 钢筋混凝土结构的腐蚀问题日益严重, 这不仅影响到结构正常使用的寿命, 且存在严重的安全隐患, 并增加了后期的维护费用[1]。玻璃纤维增强材料(GFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀性好、施工方便等优点[2–4], 将其与混凝土作用形成一种新型的组合结构形式, 能充分发挥GFRP受拉与混凝土受压的特点, 可有效解决耐久性问题。这种组合结构形式在国内外土木工程领域得到了广泛地应用[5], 成为现代土木结构的重要发展方向之一。通过现代拉挤成型工艺可将GFRP材料制作成空心箱型截面构件[6], 其下部空心箱型构件代替钢筋或压型钢板直接受力, 且可作为施工阶段模板使用, 起到约束和保护混凝土的作用。目前, 国内外学者对GFRP的研究主要集中在GFRP–混凝土组合板的理论计算和模型试验研究方面[7–12], 针对GFRP空心箱型构件作为模板的研究较为少见。为此, 本文提出一种带剪力键的GFRP空心箱型构件作为组合桥面板的底部模板, 在构件上增设GFRP板肋作为剪力键。整个GFRP空心箱型构件通过拉挤工艺一次成型, 能很好地保证剪力键与空心箱型构件整体受力性能。在此基础上进行了4根不同因素下GFRP空心箱型构件试验。通过试验模拟GFRP空心箱形构件施工阶段受力过程, 验证GFRP空心箱型构件作为施工模板使用时刚度与强度是否满足要求, 为相关设计和现场施工提供理论依据。

1 试验

1.1 试件设计

根据实际工程需要, 并参考《公路桥涵施工技术规范》要求,GFRP空心箱型构件在施工阶段作为模板使用时, 其最不利阶段应满足模板变形和应力状态的要求。为保证组合板中GFRP底板具有足够的强度以承担施工荷载并兼做永久模板使用, 采用空心箱型截面是一种合理的结构形式。试验共设计了4根带剪力键的GFRP空心箱型构件。构件计算跨度为2 880 mm, 总长为3 100 mm, 板宽为394 mm,板高为200 mm, 开孔直径为35 mm, 其孔径中心点距空心箱型底板上边缘距离为40 mm。空心箱型构件的截面形式如图1所示。GFRP空心箱型构件分为2部分, 上部纵向板肋包括T形截面形式和矩形截面形式, 下部为空心箱型底板, 其主要变化参数如表1所示。

表1 GFRP主要参数变化情况

图1 GFRP箱型构件横断面(单位: mm)

1.2 材料性能

GFRP空心箱型构件由拉挤成型的GFRP型材拼装而成。为了解其力学性能,参照相关试验标准, 进行了拉伸、压缩等一系列材性参数试验, 试验结果如表2所示。

表2 GFRP材料性能参数

1.3 试件制作

本文设计带剪力键的GFRP空心箱型构件下部为四箱室GFRP型材。出于对拉挤成型工艺要求与成本考虑, 先在工厂加工出双箱室的GFRP空心构件, 然后在实验室进行人工拼装。在对GFRP空心构件进行拼装时, 对拼装面采用80目粗砂纸人工打磨平整、磨毛, 用ESTA–TJ碳纤维粘贴胶涂刷GFRP空心构件拼装面, 最后对齐拼装, 形成平整、均匀、紧密粘结的空心箱型构件。为了保证胶水灌实缝隙, 拼装完成后用橡胶锤在桥面板侧壁敲打, 并在室温下养护7～10 d。

图2 GFRP空心箱形构件试验加载示意图(单位: mm)

1.4 试验装置

GFRP空心箱型构件施工阶段试验采用均布加载方式。试验采用的仪器设备有DH3816静态应变测试系统、50 mm广陆防震机械百分表、20及25 kg砝码等。支座一侧采用固定铰支座, 另一侧采用滚动铰支座。加载图如图2、3所示。

图3 GFRP箱型构件试验加载现场图

1.5 加载方案

在进行施工过程模拟试验时, 将GFRP空心箱型构件简支于跨度为2 880 mm的支座之间。通过堆放砝码的方式模拟混凝土浇筑时上部所受荷载。试验过程中, 测试构件跨中挠度及端部滑移、底面及肋翼缘的应变。试验加载时, 用砝码在GFRP箱型构件上进行均布加载。在进行刚度试验时, 只需加载一级至250 kg, 并持荷5 min, 记录荷载、挠度及应变数据。对构件进行强度试验时, 分三级加载至540 kg, 每级荷载持荷5 min, 记录荷载、挠度及应变。

1.6 测点布置

为得到空心箱型构件跨中荷载—挠度变化曲线, 在支座处各布置1个百分表测量支座沉降。在构件中部位置放置2个百分表测量板底跨中挠度变化情况。百分表布置情况如图4所示。为得到空心箱型构件荷载—应变曲线, 在肋顶布置3个应变片, 测量板顶GFRP材料抗压强度变化情况。在板底布置3个应变片, 测量板底GFRP材料抗拉强度变化情况。肋顶、板底应变片布置情况如图5、6所示。

图4 GFRP空心箱形构件百分表布置图(单位: mm)

图5 GFRP空心箱形构件肋顶应变片布置图(单位: mm)

图6 GFRP空心箱形构件板底面应变片布置图(单位: mm)

2 试验结果及分析

2.1 荷载—挠度曲线

在对带剪力键的GFRP空心箱型构件进行刚度验算时, 试件1、2、3、4板底跨中挠度分别为0.957、0.856、0.857、0.967 mm。因此, 最大挠度变形为0.967 mm, 平均挠度值为0.909 mm, 小于规范规定的施工模板允许的最大挠度值, 即结构计算跨度的1/400, 约7.2 mm。试件2、试件3相较于试件1的跨中挠度减少约10%, 说明开孔的有无对刚度验算的跨中挠度有影响。试件2、试件3相较于试件4的跨中挠度减少约10%,说明截面的形式对刚度验算的跨中挠度有影响。

在对带剪力键的GFRP空心箱型构件进行强度验算时,曲线随着荷载的增加呈现出近似线性变化的规律, 说明试件均处于弹性受力阶段。试件1、2、3、4底板跨中最大挠度分别为2.061、2.039、1.989、2.365 mm。试件挠度变形最大值为2.365 mm, 小于规范规定的施工模板最大允许挠度7.2 mm。从图7可见, 在荷载达到200 kg之前, 试件的跨中荷载—挠度关系曲线基本一致。随着荷载的持续增加, 试件4的跨中截面挠度增长速率明显快于试件1、试件2、试件3。由此可知, T形肋的截面形式增大了受力的接触面积, 承担部分荷载, 避免了因局部应力集中对试件的破坏。因此, 剪力键肋的截面形式对跨中荷载挠度有一定的影响。

图7 GFRP空心箱型构件跨中荷载—挠度曲线

2.2 荷载—应变规律

2.2.1 GFRP肋顶荷载—应变曲线

带剪力键的GFRP空心箱型构件作为施工模板使用时肋顶受压, 肋顶荷载—应变曲线如图8所示。试验结果表明, 在强度验算荷载作用下, 理论计算荷载为500 kg, 实际加载荷载至540 kg, 肋顶应力水平较低, 试件荷载—应变呈线性关系, 符合弹性阶段理论。最大应力值为4.31 MPa,远小于规范值, 约为GFRP压缩强度的1.6 %, 构件强度有较大富余, 能满足施工要求。T形肋截面试件肋顶压应变明显小于矩形肋截面的肋顶压应变, 说明肋的截面形式对施工模板上部受力有明显影响。施工设计时, 宜采用T形截面形式。

2.2.2 GFRP板底荷载—应变曲线

在强度荷载作用下, 底部GFRP空心箱型构件的拉应力值较低, 板底荷载—应变曲线如图9所示。最大拉应力值为2.10 MPa, 约为GFRP抗拉强度的0.44 %。说明模板在板底强度上有较大富余。采用T形肋的截面形式, 提高了GFRP空心箱型构件的延性。

GFRP空心箱型构件作为施工模板使用时的受力特性与传统模板的受力特性相似, 并且实际测得的数据远远小于规范允许值, 符合《公路桥涵施工技术规范》对施工模板的要求。在进行强度验算时, 肋顶和板底荷载—应变曲线符合弹性阶段理论, 说明在整个荷载受力过程中空心箱型构件处于弹性阶段。

图8 GFRP空心箱型构件肋顶荷载—应变曲线

图9 GFRP空心箱型构件板底荷载—应变曲线

3 设计计算方法

本次GFRP空心箱型构件作为施工模板的截面面积为1.26×10–2m2, 截面重心位置距板底底面0.066 m, 构件自重为80 kg, 截面惯性矩为3.634×10–5m4, 抗弯截面系数为5.5×10–4m3, GFRP材料弹性模量为13.8×103MPa。根据《公路桥涵施工技术规范》对带剪力键的GFRP空心箱型模板进行理论计算, 验证GFRP空心箱型构件代替传统施工模板使用的可行性。

3.1 抗弯承载力计算

在实际桥梁工程中, 带剪力键的空心箱型构件将承受上部传来的施工荷载。主要荷载有模板自重、新浇筑混凝土重力、施工人员及设备材料等荷载。

刚度验算时作用的荷载有GFRP空心箱型构件自身荷载SGK1与浇筑在上部面层的混凝土自重SGK2,荷载组合方式为q = SGK1+ SGK2。强度验算时作用的荷载有GFRP空心箱型构件自身荷载SGK1与浇筑在上部面层的混凝土自重SGK2以及施工活荷载SQ1K, 荷载组合方式为q = 1.2 × (SGK1+ SGK2) + 1.4 × SQ1K。其中GFRP空心箱型构件自身荷载SGK1为0.69 kN/m2, 浇筑上部面层的混凝土自重SGK2为2.4 kN/m2, 施工活荷载SQ1K为1.0 kN/m2, 强度验算时试验荷载为540 kg。跨中最大应力验算值如表3所示。试验结果表明, 实测值远远小于规范允许值, 表明GFRP空心箱型构件可代替传统施工模板使用。跨中最大弯矩Mmax= ql2/8, 跨中最大拉应力σ拉= My下/I ≤ fF, 跨中最大压应力σ压= My上/I ≤ fC。式中: Mmax为GFRP空心箱型构件控制截面最大弯矩;σ拉为GFRP空心箱型构件跨中板底最大拉应力; σ压为GFRP空心箱型构件跨中板顶最大压应力; y下为中和轴到板底距离; y上为中和轴到板顶距离; fF为GFRP材料极限抗拉强度; fC为GFRP材料极限抗压强度。

表3 跨中最大应力验算表 /(N·mm–2)

3.2 挠度变形计算

在施工阶段, 不考虑GFRP空心箱型构件与混凝土的组合效应, 变形计算中只考虑空心箱型构件抗弯刚度。此阶段由于不产生塑性变形影响施工阶段GFRP空心箱型构件作为模板的使用, 即GFRP空心箱型构件处于弹性工作状态。按弹性计算方法, GFRP空心箱型构件在均布荷载作用下的挠度为Wmax=αql4/(EI)。式中: q为施工阶段作用在GFRP空心箱型构件计算宽度上的均布荷载标准值; E为构件的弹性模量; I为构件计算宽度上的截面惯性矩; E为构件的计算跨度; α为挠度系数, 由于模型为简支结构, α取为5/384。跨中最大挠度验算值如表4所示。

表4 跨中最大挠度验算表 /mm

4 结论

(1) 运用增加砝码的方式模拟施工过程中GFRP空心箱型构件上部所承受的荷载作用, 从刚度和强度2个方面验证了GFRP空心箱型构件作为模板在工程实际中应用的可行性。试验结果表明, 所设计的空心箱型构件形式较为合理, 可作为施工支撑模板使用。

(2) 实际测得GFRP空心箱型构件的数据远远小于规范允许值, 符合规范对施工模板的要求。受力过程中, GFRP空心箱型构件在施工荷载作用下一直处于弹性阶段。

(3) 剪力键截面形式的不同, 对空心箱型构件强度的影响也有所区别。矩形开孔剪力键所测得的肋顶和板底实际应力都远大于其他构件, 说明剪力键翼缘对构件的强度有一定的贡献。

(4) 基于试验数据, 验证了GFRP空心箱型构件施工阶段的受力计算公式, 计算结果表明该公式具有足够的安全富余系数, 可供工程设计参考。

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(责任编校: 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

邓轩, 445065827@qq.com。

: 2017–03–03

湖南科技大学研究生创新基金资助项目(CX2016B607)。