CFRP螺紋錨具在吊桿拱橋中應(yīng)用試驗(yàn)研究★

王 鵬 陳 強(qiáng)，2 劉靈勇

(1.湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽 413000;2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長沙 410004)

0 引言

CFRP是指碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱CFRP)，其具有質(zhì)量輕(其密度約為鋼材的1/5)、強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度高，可達(dá)2 000 MPa以上)、低松弛、耐腐蝕、疲勞性能好、易于施工等優(yōu)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)最關(guān)心的力學(xué)等綜合性能指標(biāo)的比較來看，無論是與傳統(tǒng)的鋼材比較，還是與新型的復(fù)合材料相比，CFRP材料無疑具有很大優(yōu)勢(見表1，表2)，而且CFRP熱膨脹系數(shù)與混凝土接近，兩者不會(huì)產(chǎn)生大的溫度應(yīng)力;低松弛性使用可減少在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中由于預(yù)應(yīng)力筋松弛而引起的頂應(yīng)力損失。因此，CFRP在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為一種趨勢，例如橋梁加固與超大跨懸索橋和斜拉橋領(lǐng)域。近年來，我國鋼拱橋發(fā)展迅速，但也面臨一些問題，比如常用作吊桿的高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線容易生銹，且更換麻煩，這些間接導(dǎo)致鋼拱使用壽命的降低。本文對碳纖維(CFRP)新型材料吊桿的全鋼拱橋受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究［1］。以期為碳纖維(CFRP)吊桿在鋼箱拱橋中的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而研究CFRP筋的錨固問題，以本次試驗(yàn)結(jié)果來檢驗(yàn)螺紋錨具這一新型錨具錨固CFRP筋的可行性。

表1 復(fù)合材料與鋼筋力學(xué)性能定量比較

表2 幾種復(fù)合材料力學(xué)性能定性比較

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型概況

CFRP吊系桿鋼箱拱橋模型，橋?qū)挒? m，計(jì)算跨徑為8.8 m，計(jì)算矢高2.2 m。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.167。模型拱肋高250 mm，寬180 mm，采用矩形鋼梁截面形式，拱肋所用鋼板厚5.0 mm。模型主梁高250 mm，寬200 mm，也采用矩形鋼梁截面形式，主梁所用鋼板厚3.6 mm。在主拱的拱腳和L/8，L/4，3L/8，L/2，5L/8，3L/4和7L/8位置設(shè)吊桿，吊桿采用 CFRP筋，間距1.0 m。模型所用材料力學(xué)值如表3所示，平面圖如圖1所示，正立面圖如圖2所示、橫斷面圖如圖3所示，模型實(shí)圖如圖4所示。模型的CFRP吊系桿采用螺紋錨具進(jìn)行錨固，實(shí)物如圖5所示。CFRP拱橋模型試驗(yàn)加載裝置如圖6所示。

表3 鋼、CFRP筋的力學(xué)值

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D（單位：mm）

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼⒚鎴D（單位：mm）

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M斷面圖（單位：mm）

圖4 模型實(shí)圖

1.2 測點(diǎn)布置與編號

在模型各吊桿端部安裝振弦式力傳感器(見圖5，圖7)，測試CFRP筋拉力值，并對其進(jìn)行編號:東邊吊桿從北到南依次編號東1號～東8號。西邊吊桿從北到南依次編號西1號～西8號，如圖2所示。

圖5 錨具實(shí)物圖

圖6 加載裝置示意圖

圖7 控制截面測點(diǎn)布置圖

2 加載工況

試驗(yàn)對CFRP吊系桿拱橋模型進(jìn)行兩個(gè)工況的加載，為了達(dá)到最大加載效率，按其與工況對應(yīng)的內(nèi)力影響線對每個(gè)工況進(jìn)行加載，即在某兩吊桿間內(nèi)力影響線數(shù)值最大，就在此兩吊桿間進(jìn)行加載。工況Ⅰ為拱頂最大正彎矩中載，從20 kN逐級加載至160 kN再卸載，卸載分三級，第一級卸載至100 kN，第二級卸載至40 kN，第三級卸載至0 kN;工況Ⅱ?yàn)楣绊斪畲笳龔澗仄d，從20 kN逐級加載至100 kN再卸載，卸載也分三級，第一級卸載至60 kN，第二級卸載至30 kN，第三級卸載至0 kN。加載每級荷載大小為20 kN，荷載施加完畢15 min或待力傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。每卸載完一次，20 min或待力傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。偏載加載裝置與正載裝置相同(見圖6，圖8)，只是用一邊的千斤頂加力就好，而另一邊的千斤頂和裝置隔開，不反頂加力橫梁。

圖8 工況加載現(xiàn)場

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ通過加載裝置在模型4號和5號吊桿間的兩縱梁上逐級加載至160 kN后又卸載到0 kN，試驗(yàn)測試結(jié)果見圖9～圖11，在圖中加入了理論值以便于做出對比。

從圖9～圖11中看出西6號和東4號吊桿拉力在加載至140 kN有突變，這使西6號和東4號吊桿錨具產(chǎn)生一點(diǎn)滑移，導(dǎo)致其拉力突然變小，同時(shí)引起西5號、西7號和東3號、東5號拉力值增大。除了西6號和東4號吊桿外，其余吊桿總體上各CFRP吊桿拉力與施加荷載近似呈線性關(guān)系發(fā)展。在最大荷載作用下，4號、5號吊桿拉力較其余吊桿大，西6號和東4號吊桿因產(chǎn)生過滑移，其值較小。總體上CFRP吊桿在最大荷載作用下的拉力實(shí)測值與模型理論計(jì)算值接近。

圖9 工況Ⅰ 東邊每根CFRP吊桿受力圖

圖10 工況 西邊每根CFRP吊桿受力圖Ⅰ

3.2 工況Ⅱ

工況Ⅱ通過加載裝置在模型4號和5號吊桿間的兩縱梁上逐級加載至100 kN后又卸載到0 kN，試驗(yàn)測試結(jié)果如圖12～圖14所示，在圖中加入了理論值以便于做出對比。

圖12 工況Ⅱ 東邊每根CFRP吊桿受力圖

圖13 工況 Ⅱ西邊每根CFRP吊桿受力圖

從圖12～圖14中看出西4號吊桿在加載至60 kN，80 kN，100 kN時(shí)均有一點(diǎn)滑移，導(dǎo)致其拉力只減無增。因?yàn)槠d，東邊吊桿拉力值均較小，隨著荷載的增加，東邊吊桿拉力的增值也較小。除了西4號吊桿外，其余吊桿總體上各CFRP吊桿拉力與施加荷載近似呈線性關(guān)系發(fā)展。在最大荷載作用下，西3號、西5號、西6號吊桿拉力較其余吊桿大，理論上是西4號、西5號吊桿拉力最大，但因西邊4號吊桿產(chǎn)生過滑移，其值變小。除了西4號吊桿外，總體上CFRP吊桿在最大荷載作用下的拉力實(shí)測值與模型理論計(jì)算值接近。

圖14 工況Ⅱ 最大荷載作用下吊桿拉力圖

4 結(jié)語

1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趦煞N工況中CFRP吊桿拉力隨荷載的線性變化而基本呈線性變化，除個(gè)別錨具滑移的吊桿外，其余與理論計(jì)算值基本吻合。說明在系桿拱橋中配置CFRP吊桿是能夠基本滿足實(shí)際受力要求的，即在系桿拱橋中配置CFRP吊桿具有實(shí)用價(jià)值。

2)該螺紋錨具基本滿足了CFRP吊系桿鋼箱拱橋模型試驗(yàn)的要求，使CFRP吊桿在試驗(yàn)中實(shí)際受力與理論計(jì)算相符。這說明了使用該螺紋錨具錨固CFRP筋是可靠的。

3)該錨具在受力過大時(shí)，產(chǎn)生一點(diǎn)滑移，原因可能是夾片與CFRP筋摩擦力不夠或錐角錐度問題，有待進(jìn)一步完善。

［1］周先雁，王蘭彩.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在土木工程中的應(yīng)用綜述［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(5):26-32.

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［6］詹界東，杜修力，鄧宗才.預(yù)應(yīng)力FRP筋錨具的研究與發(fā)展［J］.工業(yè)建筑，2006，36(12):65-68.