玄武巖纖維筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋復(fù)合配筋管樁抗彎性能研究

盧 睿， 鄔守軍

(安徽城市管理職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230012)

近年來在管樁施工過程中，由于管樁的抗彎承載能力不足，工程事故屢見不鮮，工程技術(shù)人員曾采用多種措施提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗彎承載能力，如配置螺紋鋼筋、大直徑鋼管混凝土管樁、填芯混凝土及管樁錨桿復(fù)合技術(shù)等，但效果并不是很理想。為了提高預(yù)應(yīng)力混凝土管樁抗彎承載力，本文在預(yù)應(yīng)力混凝土管樁中加入玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合筋(BFRP筋)，形成預(yù)應(yīng)力筋與玄武巖纖維筋復(fù)合配筋截面，即為復(fù)合配筋(BFRP筋)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，在現(xiàn)場實際制作符合要求的管樁并進(jìn)行室內(nèi)抗彎對比試驗，對玄武巖纖維筋與普通預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋(BFRP筋)混凝土管樁的抗彎承載能力進(jìn)行分析。

1 性能試驗

本文采用4根樁長10m的樁進(jìn)行抗彎性能試驗，樁徑500mm，壁厚100mm，按照圓截面均勻布置復(fù)合鋼筋。制作樁體分別編號為PRC-B 500100-10型PRC-B 500AB和PRC 500AB樁。按照現(xiàn)有流水作業(yè)的工藝流程和技術(shù)要求制作PRC-B樁，按照河南圖集《混合配筋預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》[3]制作PRC樁。PRC-B樁的樁身配筋橫剖面如圖1和圖2所示。

圖1 PRC-B樁斷面尺寸及配筋

圖2 PRC樁斷面尺寸及配筋

4根預(yù)應(yīng)力鋼筋混合配筋混凝土管樁均采用C80混凝土，外徑D=500mm，預(yù)應(yīng)力鋼筋為20Φ10.7，BFRP筋為20Φ14，非預(yù)應(yīng)力熱軋帶肋鋼筋為20Φ14。BFRP筋物理力學(xué)參數(shù)如表1所列[4]。

表1 BFRP筋的力學(xué)性能

普通預(yù)應(yīng)力鋼筋和熱軋帶肋鋼筋物理力學(xué)參數(shù)如下：

圖3 試驗所用BFRP筋

(1)HRB400。抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk≥400 MPa，極限拉應(yīng)變ε=7.5%。

(2) 預(yù)應(yīng)力筋。抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk≥1750 MPa，極限拉應(yīng)變ε=7.0%，彈性模量E=200 MPa。

試驗所用玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(簡稱BFRP筋)如圖3所示，它具有輕質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點。

2 試驗設(shè)計和加載方案

2.1 試驗裝置

試驗加載裝置參考文[1]和文[2]制作而成。加載設(shè)備為1000kN液壓千斤頂，應(yīng)變觀測采用3mm×100mm型電阻應(yīng)變片，撓度觀測采用5cm數(shù)字位移計，信號采集裝置選用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。

抗彎試驗裝置示意圖如圖4所示[5]。

圖4 抗彎試驗裝置示意圖

2.2 試驗步驟

首先，計算鋼管樁理論抗裂彎矩及極限破壞彎矩；其次，從零到抗裂彎矩的4/5，采用分級加載，每級加載為理論抗裂彎矩的1/5，每1級荷載持續(xù)時間3min；再次，超過理論抗裂彎矩4/5后，繼續(xù)以每級為抗裂彎矩的1/10加載，直到加載至理論抗裂彎矩，每級的加荷持續(xù)時間依然為3min，在加載過程中時刻觀察管樁樁身是否出現(xiàn)裂縫，一旦出現(xiàn)裂縫，立即測定裂縫寬度，并觀察裂縫發(fā)展情況；最后，一旦出現(xiàn)裂縫，將每級加載調(diào)整為極限彎矩的5%接著加載，直到管樁破壞停止試驗。在試驗過程中出現(xiàn)以下情況時試驗終止：①管樁受拉區(qū)鋼筋拉斷或受壓區(qū)混凝土被壓碎；②荷載作用下管樁表面出現(xiàn)寬度達(dá)1.5mm的裂縫。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果對比分析

直徑為500mm的PRC-B樁和PRC樁的試驗結(jié)果如表2所列。

表2 抗彎試驗結(jié)果對比表

分析試驗結(jié)果可得，普通復(fù)合配筋(PRC-500-AB樁)，當(dāng)跨中位置出現(xiàn)裂縫時，荷載加載至194.5kN，測得裂縫寬度為11.50mm；繼續(xù)加載至398.3kN時，鋼管樁中預(yù)應(yīng)力鋼筋被拉斷，管樁破壞，測得最大裂縫寬度為58.44mm。相比較而言，玄武巖纖維筋與預(yù)應(yīng)力筋復(fù)合配筋(PRC-B-500-AB樁)在達(dá)到上述2級荷載的跨中撓度分別為7.33mm和34.56mm，比前者減少了36%和41%。與此同時，PRC-500-AB樁的極限荷載和開裂荷載要比PRC-B-500-AB樁下降21%和14%，但是破壞時的跨中撓度卻比PRC-B-500-AB樁增加69%。另外，配置同樣數(shù)量和直徑大小鋼筋的PRC-B-500-AB樁和PRC-500-AB樁的樁身裂縫分布情況明顯不同，PRC樁破壞時有21條裂縫，而PRC-B樁破壞時只有10條裂縫；當(dāng)2種類型的管樁達(dá)到極限承載能力而破壞時，玄武巖纖維復(fù)合配筋管樁是受壓區(qū)混凝土被壓碎而失去承載能力，有明顯的安全儲備和破壞預(yù)示；而普通鋼筋復(fù)合配筋管樁是受拉區(qū)鋼筋被拉斷而樁突然發(fā)生破壞，無破壞征兆，屬于脆性破壞。

3.2 荷載-跨中撓度曲線分析

PRC-B-500-AB樁和PRC-500-AB樁荷載撓度變化曲線情況如圖5和圖6所示。由圖可見，在構(gòu)件開裂之前，2種樁型的撓度變化增長較慢，2根樁型的荷載跨中撓度曲線均處于彈性階段，PRC樁荷載-跨中撓度曲線的斜率小于PRC-B樁荷載-跨中撓度曲線，說明PRC-B樁的撓度變化小于PRC樁。管樁達(dá)到開裂荷載后，2種類型的樁撓度變化曲線斜率都呈現(xiàn)下降趨勢，這說明管樁樁身由于荷載左右變形速度增長加快。對玄武巖纖維筋復(fù)合配筋管樁，荷載增至463.5kN時，構(gòu)件的受壓區(qū)混凝土被壓碎而失去承載能力，而普通鋼筋復(fù)合配筋管樁，當(dāng)荷載增加至398.3kN時，由于內(nèi)部鋼筋突然被拉斷而失去承載能力。

圖5 PRC-B-500-AB樁抗彎試驗撓度變化圖

圖6 PRC-500-AB樁抗彎試驗撓度變化圖

4 結(jié) 論

經(jīng)現(xiàn)場試驗，得到的結(jié)論如下：

(1)抗彎承載能力。BFRP筋與預(yù)應(yīng)力筋共同作用下的鋼筋混凝土管樁，BFRP筋的配置發(fā)揮了玄武巖纖維筋自身的優(yōu)勢，PRC-500-AB樁的極限荷載和開裂荷載要比PRC-B-500-AB樁下降21%和14%，但是破壞時的跨中撓度卻比PRC-B-500-AB樁增加69%，說明玄武巖纖維筋對于普通鋼筋的等量代換，提高了普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗彎承載能力。

(2)破壞機(jī)理。采用玄武巖纖維筋與預(yù)應(yīng)力筋共同作用而形成的復(fù)合配筋管樁，在荷載的作用下，是由于受壓區(qū)混凝土破碎而破壞的，但是普通預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是由于內(nèi)部鋼筋被拉斷而發(fā)生的脆性破壞，充分說明了玄武巖纖維筋預(yù)應(yīng)力筋復(fù)合配筋管樁具有一定的破壞征兆，屬于塑性破壞，為我們應(yīng)對工程事故的發(fā)生提供的警示和預(yù)警。

本文的研究成果為我們以后改進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的水平抗彎能力提供了新的思路，為我們以后在工程應(yīng)用中采用新方法提供了試驗依據(jù)。