基于無砟軌道板纖維金屬復合筋與混凝土黏結錨固性能試驗研究

禹 雷 吳凱偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

目前我國高速鐵路大量無砟軌道板均采用高強鋼筋和預應力鋼絲配筋形式，但該種無砟軌道板中普遍采用的絕緣處理方法導致鋼筋與混凝土黏結力差和絕緣性能差。提出使用一種可替代HRB500鋼筋的材料——纖維金屬復合筋(簡稱FST)。該材料由外層樹脂浸潤的纖維纏繞包裹內部鋼絲，外部具有一定高度螺旋肋，且具有較好的類似塑料的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性，具有較好的耐久性和絕緣性能，使用該材料制作的纖維金屬復合筋無砟軌道板可以有效解決握裹力和絕緣性差等問題[1-5]。為對比分析纖維金屬復合筋和HRB500鋼筋與混凝土的黏結性能，選用直徑均為8 mm的玄武巖纖維金屬復合筋、玻璃纖維金屬復合筋和HRB500鋼筋埋入混凝土的立方體試塊中進行拉拔試驗，對比研究混凝土與纖維金屬復合筋的黏結性能。

2 試驗方案

為充分對比研究纖維金屬復合筋在無砟軌道板內部受力情況，課題組在專業(yè)軌道板預制工廠制作了2塊CRTSⅡ型板式無砟軌道板和若干纖維筋黏結錨固試塊，分別進行了軌道板力學性能試驗和黏結錨固試驗。CRTSⅡ型軌道板內橫向分別配置直徑8 mm的BFST(玄武巖纖維金屬復合筋)和GFST(玻璃纖維金屬復合筋)，縱向繼續(xù)采用強度為HRB500級鋼筋，橫向配置10 mm螺旋肋預應力鋼絲不變。軌道板制作養(yǎng)護完成后，依據(jù)試驗方案沿軌道板橫向預裂縫進行切割，形成若干寬度為650 mm的板，取其中3根板進行軌道板跨中靜載力學性能試驗，用于對比分析纖維金屬復合筋軌道板受彎承載力。

目前國內外纖維筋與混凝土的黏結性能試驗一般參照鋼筋混凝土的黏結性能試驗方法來設計，常用的試驗方法主要有三種：

①立方體中心抗拔試驗方法，②板式試驗方法，③對拉試驗方法。本文依據(jù)《混凝土結構試驗方法標準》(GB50152—2012)[3]，采用立方體中心拔出試驗裝置。FST筋放置在立方體的中心軸線上，在筋的伸出端施加拉力，通過承壓板將力傳至混凝土上。混凝土試塊邊長為150 mm的立方體，黏結段和無黏結段均取75 mm，其中無黏結段采用PVC 塑料套管套在筋材外側，以減小在拔出荷載作用下混凝土對加載端FST筋的局部擠壓作用，自由端總長度為30 mm，剝去末端10 mm的外裹纖維露出鋼絲內芯。采用50 t手持式液壓千斤頂進行張拉，底部支座為自行焊接的厚鋼板支座，上端采用筋材拉伸專用錨固夾頭，試驗裝置如圖1所示。

圖1 滑移測量加載裝置及示意

測量的內容主要有：筋材的應變，筋材自由端筋內芯相對混凝土立方體的滑移量，加載端位移量及最終的荷載—位移曲線。因為是采用同一批次生產的筋材，所以其各自的力學性能參數(shù)和拉伸試驗結果相同。為了更好模擬實際CRTS II型無砟軌道板中混凝土與筋材的黏結力，本次黏結滑移試驗采用同等養(yǎng)護條件下的C55混凝土。表1為本次黏結滑移試驗所采用的三種不同筋材材料力學性能對比。

表1 各種筋材材料力學性能

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

本次黏結拉伸試驗中，假設黏結應力沿筋材埋置深度均勻分布，三種筋材的黏結應力和有效錨固長度采用下列公式

(1)

(2)

式中，τ為筋材與混凝土的黏結應力，d，l，lm，F(xiàn)，σmax分別為筋材的有效直徑、有效黏結長度、錨固長度、試驗所測有效拉力和極限拉伸應力。

拉拔黏結試驗測得三種筋材自由端滑移與黏結應力之間關系曲線(如圖2～圖4所示)，各三根試件。

圖2 BFST筋滑移-應力曲線

圖3 GFST筋滑移-應力曲線

圖4 HRB500筋滑移-應力曲線

根據(jù)上述黏結試驗的滑移—應力曲線結果可以看出，纖維筋試件的滑移—應力曲線的殘余段部分近似呈正弦曲線，鋼筋試件滑移—應力曲線的殘余段部分呈緩慢降低的趨勢。整個曲線大致可以分為三個階段：微滑移階段，滑移階段和下降段(拔出階段)。微滑移階段即從0-0.2τ階段，此階段從開始加載到初始滑移，筋材與混凝土之間只有極其微小滑移，近似為0，可以等效為依靠化學吸附力抵抗拉拔力；滑移階段即0.3-1.0τ階段，隨著拉拔荷載不斷增大，滑移值不斷增大，呈現(xiàn)非線性關系，此時筋材與混凝土之間產生摩擦力和機械咬合力共同抵抗拉拔力，筋材與界面混凝土的機械咬合作用產生斜向作用力，不僅在筋材表面產生切向分力，并且產生沿徑向的環(huán)向分力，使黏結混凝土處于受拉狀態(tài)，如果環(huán)向拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土試件會產生內部和徑向微裂縫，當發(fā)展至構件表面，即形成自加載端至自由端的縱向劈裂裂縫；下降段，即拔出階段，隨著荷載進一步增加，筋材與界面混凝土之間產生局部剪切破壞和相對滑移，筋材迅速滑出，黏結應力急劇下降。

由于BFST筋和GFST筋彈性模量較HRB500筋低，且螺旋肋與混凝土黏結性能較HRB500筋月牙肋好，因此在拉伸荷載作用下，在三種筋材曲線圖滑移階段中，BFST筋和GFST筋斜率較為接近，HRB500筋斜率相對較大。三組拉拔試件結果如表2所示。

表2 黏結滑移試驗結果對比

從試驗結果可以看出，BFST筋和GFST筋極限荷載和最大黏結力比HRB500筋均較大，這種現(xiàn)象可以從筋材表面形狀方面解釋，由于纖維筋采用的是螺旋肋，肋突起的高度和與混凝土接觸面積均比HRB500筋月牙肋好，因此纖維筋機械咬合力要大于HRB500筋。

3.2 黏結強度和錨固長度設計建議

基本錨固長度實際上是筋材拉拔出現(xiàn)極限強度破壞時所需的最小埋深。根據(jù)筋材表面黏結力與其極限強度之間力的平衡關系可以建立如下方程

τuπdbldb=Afffu

(3)

式中，ldb為基本錨固長度；ffu筋材拉伸極限強度；τu界面黏結強度。

可以轉化為

ldb=dbffu/4τu

(4)

目前國內外學者對纖維筋黏結錨固長度和黏結強度進行了大量試驗研究[6-12]，提出了一系列建議公式，美國ACI委員會ACI440規(guī)范中對于纖維筋拔出破壞提出了一些具體公式

(5)

(6)

式中，K2為修正系數(shù)，是常量，可以通過試驗確定，其他參數(shù)同上。Ehsani，Saadatmanesh andTao(1996)通過GFRP筋的48根梁式和18根拔出試驗，建議K2為1/21.3；Tighiouart，Benmokrane and Gao(1998)通過GFRP筋的45根梁式試驗，建議K2為1/5.6。對于拔出破壞而非混凝土劈裂破壞，Ehsani，Saadatmanesh，Tao(1996)和Gao，Benmokrane，Tighiouart(1998)建議用下列等式(K3約2 850)

lbf=dbffu/K3

(7)

ACI440規(guī)范中對于純纖維筋拔出破壞錨固長度推薦公式為

lbf=dbffu/2 700

(8)

以上計算公式和參數(shù)均是基于純纖維筋的，對于本文中的纖維金屬復合筋黏結強度和錨固長度計算公式需要進行修正，根據(jù)拉拔黏結試驗結果明顯要大于普通鋼筋和純纖維筋，因此對于黏結應力系數(shù)K偏保守的取25.0，即

(9)

代入基本黏結錨固長度公式，可得

(10)

4 結論

(1)兩種纖維金屬復合筋試件的滑移—應力曲線和HRB500筋試件類似，同樣分為三個階段，微滑移階段，滑移階段和下降段。

(2)兩種纖維金屬復合筋錨固拉伸極限荷載和最大黏結力均比HRB500筋較大，纖維金屬復合筋與混凝土黏結性能要優(yōu)于HRB500筋。

(3)建議在纖維金屬復合筋黏結強度和錨固長度計算公式中黏結應力系數(shù)K取偏保守的25.0。

[1] TB100822—2005 鐵路軌道設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社，2005

[2] TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范[S]

[3] GB50152—2012 混凝土結構試驗方法標準[S]

[4] 何華武.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2005

[5] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京：中國鐵道出版社，2006

[6] Cai Z & Raymond G P.Theoretical model for dynamic wheel/rail and track interaction. Proceedings of 10th International Wheelset Congress，Sydney，Australia，September. 1992，127-131

[7] Newton S G，Clark R A. An investigation into the dynamic effects on the track of wheel flats on railway vehicles. Journal of Mechanical Engineering Science， 1979，21(4)：287-297

[8] C. Esveld， Developments in high-speed track design， keynote lecture at: Structures for High-Speed Railway Transportation-IABSE Symposium， Antwerp， 27-29 August 2003．

[9] 禹雷，張繼文,趙國堂,等.雙孔預應力非對稱無砟軌道板設計與分析[J].鐵道科學與工程學報，2009，6(4):22-27

[10] 陸達飛.雙塊式無砟軌道裂縫形式及控制標準研究[J].鐵道勘察，2011(3):89-92

[11] 趙坪銳，章元愛，劉學毅.無砟軌道彈性地基板板模型[J].中國鐵道科學，2009，30(3):1-4

[12] 孫繼成.CRTSⅠ型預應力無砟軌道板高精度制造技術[J].鐵道勘察，2011(3):40-42