锚贴钢板对高强度塑钢板桩抗弯性能的影响

许珊,熊厚仁，桂悦辉，唐知杰，柳一新，温群宇，蒋凯文

(1.嘉兴学院 建筑工程学院，浙江嘉兴314001；2.海盐汇祥新型建材科技有限公司，浙江海盐314300)

目前，河道护岸护坡工程中多采用直立式混凝土挡土墙、预应力混凝土U形板桩、钢板桩等传统板桩，[1-3]虽然这些技术比较成熟，但对生态环境会造成不同程度的不良影响.[4-9]针对上述问题，国内工程学者研究开发了系列高强度塑钢板桩(以下简称“塑钢板桩”)，[10-11]它是由高分子强化复合材料研制成的一种高强度新型材料，既有避免水土流失、稳定可靠、抗冲刷、耐腐蚀等特点，又有无污染、工程造价低、劳动力资源消耗少、施工便捷快速、配备常规机械即可施工等优点.[12-16]

以往传统板桩用于护岸工程中，会通过严格控制水平荷载引起的变形值来保障安全，而高分子复合材料制成的新型塑钢板桩一般具有较高的比强度和较低的抗弯强度，[17-20]在工程应用中会产生比传统板桩(混凝土板桩、钢板桩)大得多的变形，甚至远超过传统板桩的变形控制值，因此，为了提高塑钢板桩在实际工程中的抗弯性能，通常要对新型塑钢板桩进行加固处理，一般采用外贴钢板加固钢筋混凝土的方法可大幅提升其抗拉强度，有效提升构件承载力.[21-30]

本文在借鉴外贴钢板加固钢筋混凝土提高抗弯性能的基础上，优选了3种不同厚度(2 mm、3 mm和4 mm)的钢板作为锚固件加固塑钢板桩，通过自制加载装置进行加载试验，对比研究锚贴钢板对高强度塑钢组合板桩(以下简称“组合板桩”)抗弯性能的影响，获得各级荷载作用下挠度、应变的影响规律，探讨了锚贴钢板对组合板桩的加固效果和协调变形特征，为塑钢板桩抗弯加固设计方法提供了一种新思路.

1 试验概况

1.1 试件设计

本文所选用的塑钢板桩由海盐汇祥新型建材科技有限公司生产，横向截面尺寸为718 mm×180 mm，纵向长度为28 500 mm，板厚度为9 mm，如图1所示.为增强塑钢板桩抗弯性能，选用与塑钢板桩相同长度，厚度分别为2 mm、3 mm和4 mm的钢板，其横向宽度统一为100 mm，在塑钢板桩4个弯曲位置进行加固.钢板在锚贴之前要预先沿中轴线压弯，压弯后的钢板贴合塑钢板桩夹角呈80°，然后从塑钢板桩端部每隔100 mm用螺丝拧紧，为便捷拧紧操作，螺丝采用内置螺帽，六角螺盖置外，锚贴钢板后的组合板桩如图2所示.

图1 塑钢板桩断面图

图2 锚贴钢板后的组合板桩示意图

1.2 材料力学性能

本文采用的塑钢板桩力学性能如表1所示.

表1 塑钢板桩力学性能

加固钢板采用市场常见的Q345钢板.螺栓采用市场常见的M10内六角圆柱螺栓，螺栓力学性能如表2所示.

表2 螺栓力学性能

1.3 试验方法及测点布置

本文选用锚贴钢板厚度分别为2 mm、3 mm和4 mm的组合板桩和无锚贴钢板的塑钢板桩进行对比试验，各试件加固情况如表3所示.

表3 试件加固情况表 mm

试验方法参考JC/T 2602-2021《预应力混凝土U形板桩》[31]中7.5相关规定和前期试验数据，采用简支梁对称加载装置，通过10吨油压千斤顶，利用分配梁进行对称加载，支座间距为0.6 L(L为塑钢板桩长度)，分配梁支座间距为500 mm，加载装置如图3所示.

(a) 加载布置

(b) 断面应变片布置

(c) 支座夹具布置

本文采用长度为2 850 mm的塑钢板桩，即支座间距为1 710 mm，两端悬出570 mm，用两个U形自制的钢制垫板作为分配梁的传力辅件，使板桩全断面协同承受上部荷载作用.

为研究不同荷载作用下塑钢板桩不同截面的挠度、应变规律，在塑钢组合板桩1/4跨和1/2跨的截面各布置10个应变测试点；在1/4跨、1/2跨测点各布置1个位移计.弯曲试验使用三点加载方案，通过手动控制千斤顶对分配梁进行对称加载，利用位移计采集挠度数据配合静态应变数据采集仪来分析应变变化情况.

考虑到本次试验塑钢板桩的材料性能及结构特点，在参照《建筑基桩检测技术规范》的水平变位控制最大值40 mm的基础上，扩大至60 mm；抗弯试验加载步骤参照JC/T 2602-2021《预应力混凝土U形板桩》[31]中7.5.3规定进行.

2 试验结果分析

2.1 挠度时程曲线

图4为各试件在各级荷载作用下的挠度时程曲线图.

(a)1/4跨

(b)1/2跨图4 荷载-挠度时程曲线图

表4为各试件在各级荷载作用下挠度值，表4中的第(4)(8)(12)列数值分别为G2、G3、G4试件相比于G0试件的1/2跨挠度比值，表4中的第(6)(10)(14)列数值分别为G2、G3、G4试件相比于G0试件的1/4跨挠度比值.

表4 各级荷载作用下挠度值

由图4和表4可知，组合板桩(试件G2、G3、G4)的1/2跨挠度变形值与塑钢板桩(试件G0)呈现相同的阶梯式跳跃递增规律，但1/2跨挠度随锚贴钢板厚度的增加而呈现前期(P≤45 kN)增大后期减小的趋势.其中试件G0在荷载P=45 kN时，1/2跨挠度变形值达到59.67 mm，接近本次试验加载变形极限控制值，而试件G2、G3和G4在相同荷载作用下的1/2跨挠度变形值分别只有试件G0的69%、70%和75%，表明通过锚贴钢板可适当提高塑钢板桩的抗弯性能，但不同厚度钢板的加固效应略有不同.

由图5可知，试件G0、G2、G3和G4呈现相同的变形模式，表明锚贴的钢板不能改变塑钢板桩变形模式，仅能起辅助作用.随着荷载不断增大，除试件G0超过变形控制值外，其他试件采集到P=60 kN时，G2、G3和G4的1/2跨挠度变形值分别为55.42 mm、51.18 mm和52.35 mm，均未达到变形控制值，表明锚贴钢板的塑钢组合板桩(G2、G3、G4)均可承受超过试件G0 1.3倍荷载的变形控制值，且三者差别不大.

试件G2、G3、G4的1/4跨与试件G0的挠度比值分别分布在0.41～1.11、0.81～1.33、1.05～2.65内，表现出与其对应的1/2跨挠度变形规律不同，可见，各试件1/4跨挠度的变形值随着锚贴钢板厚度的增加而持续增大，说明锚贴钢板对塑钢组合板桩的非跨中位置产生了受弯变形协调作用，且锚贴钢板越厚，整体协调作用越强.

(a)G0 (P=45 kN)

(b)G2 (P=60 kN)

(c)G3 (P=60 kN)

(d)G4 (P=60 kN)图5 试件整体变形模式

2.2 应变时程曲线

在前述加载试验过程中，各试件在各级荷载作用下的1/2跨和1/4跨的应变时程曲线如图6和图7所示，因钢板锚固和螺栓布置的位置误差等原因，使得各试件对称测点的应变分布呈现不完全对称，但这并不影响试验结果.

(a)G0

(b)G2

(c)G3

(d)G4图6 1/4跨应变时程曲线图

(a)G0

(b)G2

(c)G3

(d)G4图7 1/2跨应变时程曲线图

为便于后续分析，选取1/2跨各试件上相同测点的应变平均值作为代表，其中测点1/2/9/10、3/8、4/7、5/6的求和平均值分别代表试件的翼板、腰板、腿板、底板各断面处的平均应变值，如表5所示.

由图6和图7可知，锚贴不同厚度钢板的试件G2、G3和G4的应变时程曲线与试件G0呈现相同的阶梯式跳跃递增规律，在各测点处的应变幅值均小于无钢板，说明试件G2、G3和G4由于钢板加固的作用使得其刚度大于无钢板加固的试件G0，进一步验证了锚贴钢板不能改变塑钢板桩的变形模式，仅能起辅助作用.

由表5可知，当加载荷载达到P=45 kN时，试件G0在断面处的翼板、腰板、腿板和底板均达到最大应变值，分别为-13 757 με、-2502 με、11 260 με、14 247 με，试件G2在相同荷载作用下的翼板、腰板、腿板和底板处的应变均值分别只有试件G0的22%、4.8%、24%和32%，试件G3在相同荷载作用下的翼板、腰板、腿板和底板处的应变均值分别只有试件G0的15%、3.3%、25%和27%，试件G4在相同荷载作用下的翼板、腰板、腿板和底板处的应变均值分别只有试件G0的22.5%、34.4%、25.2%和34.6%，表明试件G2、G3和G4翼板、腰板、底板处的应变均值随着锚贴钢板厚度增大呈现先减少后增大的趋势， 而其相应腿板处的应变均值随锚贴钢板厚度增大呈现小幅增大的趋势.说明锚固钢板对塑钢板桩不同断面处的加固效益不同，后续有待进一步研究.

由表5和图7可知，当试件G2、G3和G4继续加载至P=60 kN时，试件G2在翼板、腰板、腿板和底板的应变均值相比P=45 kN时分别增加了2.36、10.94、1.33和1.53倍，试件G3在翼板、腰板、腿板和底板的应变均值相比P=45 kN时分别增加了1.6、0.18、1.41和1.47倍，试件G4在翼板、腰板、腿板和底板的应变均值相比P=45 kN时分别增加了1.3、1.18、1.35和1.36倍，表明试件G4对其断面各处的变形协同作用最好，其次为试件G3，最后为试件G2，说明随着锚固钢板厚度增加，可增加组合板桩的协同作用，此与前述表4分析的挠度变形规律一致，再次验证了本次试验数据的有效性.

表5 各级荷载作用下1/2跨的应变平均值

2.3 加固效果分析

由于锚栓的协调作用，塑钢组合板桩的应力应变规律介于钢板与塑钢板桩之间.如图4所示，当荷载P<45 kN时，塑钢组合板桩的1/2跨挠度变形值与钢板厚度呈现正相关性，钢板越厚，其1/2跨挠度变形值越大，说明试件G2、G3和G4的1/2跨挠度变形受钢板自重影响，呈现出塑钢板桩的性能，由表5可知，试件G4底板的受拉应变比试件G2、G3的大，验证了钢板自重对钢板变形起主导作用.当荷载P≥45 kN时，试件G2、G3和G4的1/2跨挠度变形与钢板厚度相关性不显著，此时，试件G2主要由锚贴在塑钢板桩上的钢板承担，挠度变形值体现的是钢板的性能.锚固在试件G2上的钢板在该荷载下达到屈服阶段，而锚固在G3、G4上的钢板还未达到其屈服阶段，所以，在该荷载下试件G2产生的挠度变形值超过了试件G3和G4，而试件G3、G4因其锚固钢板未达到屈服阶段，仍呈现出塑钢板桩的性能.

3 结论

第一，锚贴钢板不能改变塑钢板桩的变形模式，仅能起辅助作用，锚贴钢板可适当提高塑钢板桩的抗弯性能，塑钢组合板桩可承受超过塑钢板桩1.3倍荷载的变形控制值.

第二，锚贴不同厚度的钢板，对组合板桩的1/2跨和1/4跨的抗弯协同性能有显著差异，组合板桩的1/2跨挠度变形值随钢板厚度的增加呈现前期(P≤45 kN)增大、后期减少的趋势，而1/4跨挠度变形值随钢板厚度的增加持续增大.

第三，塑钢组合板桩的翼板、腰板、底板处的应变均值随着锚贴钢板厚度的增大呈现先减少后增大的趋势，而其相应腿板处的应变均值随锚贴钢板厚度增大呈现小幅增大的趋势.相比塑钢板桩，锚贴钢板可大幅度降低桩身的应变，降幅达65%以上.