馮照平,禹 雷

(1.國(guó)家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 ,南京 221000；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋增強(qiáng)CRTSⅡ型軌道板的試驗(yàn)研究

馮照平1,禹 雷2

(1.國(guó)家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 ,南京 221000；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

在高速鐵路諧振式軌道電路的傳輸性能控制上,采用的絕緣處理方法會(huì)導(dǎo)致鋼筋與混凝土的粘結(jié)力變低和鋼筋網(wǎng)片的絕緣性能變差等問(wèn)題,纖維金屬?gòu)?fù)合筋為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。對(duì)玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋(以下簡(jiǎn)稱BFST)無(wú)砟軌道板開(kāi)展數(shù)值模型模擬和靜力試驗(yàn)研究工作。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為相近,數(shù)值分析模型可靠, BFST筋軌道板具有較好的延性,滿足承載力要求。

玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋；無(wú)砟軌道板；數(shù)值模擬；靜力試驗(yàn)

1 概述

CRTSⅡ型軌道板是雙向受彎結(jié)構(gòu)，且其縱橫向均要承受正負(fù)彎矩，因此在軌道板中普通受力鋼筋從底部到頂部共配置了4排，最外面2排鋼筋為縱向布置，里面2排鋼筋是橫向布置，縱橫向鋼筋之間彼此垂直搭接固定形成網(wǎng)片。鋼筋網(wǎng)片形成閉合的通電回路，列車(chē)駛過(guò)時(shí)閉合回路會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，對(duì)諧振式軌道電路產(chǎn)生干擾，控制列車(chē)信號(hào)的傳輸電路就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。目前解決此問(wèn)題的方法主要有3種：一是在鋼筋表面噴涂絕緣漆；二是在鋼筋交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)處布置絕緣卡子；三是在鋼筋交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)處布置熱塑套管。有時(shí)3種方法組合使用。而這3種方法，不僅使得施工工序變得復(fù)雜，增加生產(chǎn)成本，而且降低鋼筋和混凝土間的粘結(jié)能力，影響了結(jié)構(gòu)的綜合受力性能。將纖維金屬?gòu)?fù)合筋用在上述無(wú)砟軌道板中，可較好地彌補(bǔ)普通鋼筋的不足，纖維金屬?gòu)?fù)合筋具有較好的防腐性能，能夠解決普通鋼筋在板開(kāi)裂后容易銹蝕的問(wèn)題，提高軌道系統(tǒng)的耐久性；同時(shí)纖維金屬?gòu)?fù)合筋材又具有良好的絕緣性能，能從根本上解決筋材交錯(cuò)搭接處的絕緣問(wèn)題，增加軌道系統(tǒng)的安全性。

2 纖維金屬?gòu)?fù)合筋

纖維金屬?gòu)?fù)合筋是由浸潤(rùn)樹(shù)脂的連續(xù)纖維絲包裹纏繞在鋼絲或鋼筋外面經(jīng)過(guò)磨具擠壓成型制得(圖1)，一般由3個(gè)物理相組成，即纖維相、基體相以及介于兩者之間的界面相，三者的彈性模量不同。主要研究玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋(以下簡(jiǎn)稱BFST筋)用于CRTSⅡ型軌道板的力學(xué)性能研究。

圖1 BFST筋擠拉成型工藝流程

BFST筋具有抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、質(zhì)量輕、抗疲勞性能優(yōu)良、電磁絕緣性好等優(yōu)良特性而廣泛用于土木工程和水利工程中，尤其是在沿海地區(qū)、港口工程、大跨度橋梁工程。同時(shí)也存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)要求嚴(yán)格，材料有離散性，造價(jià)比普通鋼材高，彈性模量較低，抗剪強(qiáng)度較低，徐變作用較大。為了掌握BFST筋的特性，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)性能的拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖2(a)所示，拉伸結(jié)果見(jiàn)表1。為了了解筋材與混凝土的粘結(jié)滑移情況，對(duì)筋材與混凝土又進(jìn)行了相關(guān)粘結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖2(b)和圖2(c)所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 筋材試驗(yàn)

筋材名稱直徑/mm截面面積/mm2屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%BFST筋850.3460550702.0520314.2460540862.0

圖3 筋材粘結(jié)滑移對(duì)比圖

根據(jù)上述粘結(jié)試驗(yàn)的滑移-應(yīng)力曲線結(jié)果可以看出，纖維筋試件的滑移-應(yīng)力曲線的殘余段部分近似呈正弦曲線，鋼筋試件滑移-應(yīng)力曲線的殘余段部分呈緩慢降低的趨勢(shì)，整個(gè)曲線大致可以分為3個(gè)階段，微滑移階段，滑移階段和下降段(拔出階段)。由于BFST筋彈性模量較HRB500筋低，且螺旋肋與混凝土粘結(jié)性能較HRB500筋月牙肋好，因此在拉伸荷載作用下，HRB500筋斜率比BFST筋斜率較大。3組拉拔試件結(jié)果如表2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，BFST筋極限荷載和最大粘結(jié)力比HRB500筋較大，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(jī)械咬合力要大于HRB500筋。

表2 粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

3 軌道板配筋

論文所研究的無(wú)砟軌道板依托于京滬高鐵鋪設(shè)的CRTSⅡ型軌道板，此種軌道板是單向部分施加預(yù)應(yīng)力板，橫向施加預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)的要求是使用階段不出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，每一整塊CRTSⅡ無(wú)砟軌道板包含20塊軌下截面板，本次研究針對(duì)每塊軌下截面板進(jìn)行。軌下截面板的配筋見(jiàn)圖4，板的中部為6根縱向預(yù)應(yīng)力筋，上下各4根縱向非預(yù)應(yīng)力受力筋，橫向鋼筋為8 mm HRB500構(gòu)造筋，本次研究是在縱向預(yù)應(yīng)力筋及橫向鋼筋不變的情況下，將板的上下各4根縱向非預(yù)應(yīng)力受力筋設(shè)為文中的試驗(yàn)筋材，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖4 軌下截面板配筋示意(單位：mm)

4 建模分析

根據(jù)構(gòu)件涉及的材料本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則及邊界條件，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)軌下截面板進(jìn)行非線性有限元靜力分析，建立軌道板有限元模型，對(duì)模型的應(yīng)力、應(yīng)變以及撓度等進(jìn)行電算分析，進(jìn)一步研究軌下截面板在靜載作用下的彎曲機(jī)理以及破壞特征，驗(yàn)證有限元分析方法的可行性。軌下截面板混凝土采用SOLID65單元模擬，非預(yù)應(yīng)力筋材和預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用link8單元模擬。

本模型涉及的材料參數(shù)，根據(jù)上述材性力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范，所取單元對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)值如表3、表4所示。

表3 C55混凝土材料參數(shù)

為更貼近實(shí)際情況，建模時(shí)將軌道板的承軌臺(tái)建出，但由于承軌臺(tái)造型不規(guī)則，幾何曲線繁多，不易在ANSYS界面直接創(chuàng)建，解決方法是先在AutoCAD中按照軌道板承軌臺(tái)的外形尺寸設(shè)計(jì)要求畫(huà)出軌道板的縱斷面圖，然后轉(zhuǎn)成SAT文件導(dǎo)出，再放到ANSYS工作目錄文件夾下，隨后打開(kāi)ANSYS導(dǎo)入SAT文件，再根據(jù)軌道板的形狀尺寸和劃分要求進(jìn)行分次拉伸，同時(shí)建立筋材模型，根據(jù)圖3的實(shí)驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型進(jìn)行修正，修正后的本構(gòu)關(guān)系模型如圖5所示，導(dǎo)入混凝土和各種筋材的本構(gòu)關(guān)系，最后鏡像生成完整模型。在約束和加載點(diǎn)附近部位的混凝土布置關(guān)閉壓碎和開(kāi)裂破壞開(kāi)關(guān)，進(jìn)而避免發(fā)生施加應(yīng)力集中，使得局部混凝土提前破壞，導(dǎo)致計(jì)算不收斂，影響計(jì)算分析結(jié)果。模型見(jiàn)圖6。

圖6 模型示意

5 軌道板靜力試驗(yàn)

圖7 靜力試驗(yàn)(單位：mm)

取BFST筋材軌道板兩塊和HRB500筋材軌下截面板一塊，按照試驗(yàn)研究要求和《客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道混凝土軌道板暫行技術(shù)條件》實(shí)驗(yàn)說(shuō)明進(jìn)行靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)加載試驗(yàn)如圖7所示，分別記錄每個(gè)分級(jí)荷載下軌道板的撓度、應(yīng)力應(yīng)變、極限承載力及裂縫開(kāi)展情況。

軌下截面試驗(yàn)板開(kāi)裂彎矩、非預(yù)應(yīng)力筋屈服彎矩、極限破壞彎矩、相應(yīng)豎向位移以及其最終破壞模式如表5所示。

裂縫開(kāi)展情況見(jiàn)圖8，比較可得BFST筋軌下截面板的裂縫開(kāi)展較HRB500筋軌下截面板分布更細(xì)密，這種差別的主要原因是BFST筋彈性模量較HRB500筋低，且螺旋肋與混凝土粘結(jié)性能較HRB500筋月牙肋好，BFST筋與混凝土共同工作的效果更好。

表5 軌下截面板彎矩位移及破壞模式

注：圖中數(shù)字表示施加的荷載為該值(單位kN)時(shí)，裂縫開(kāi)展到標(biāo)注該數(shù)字的位置。圖8 裂縫開(kāi)展記錄

由于篇幅有限，分別提取兩種筋材軌道板在設(shè)計(jì)荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變、撓度變形以及極限承載力，并與試驗(yàn)值比較，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變、開(kāi)裂彎矩和極限彎矩的模擬值和試驗(yàn)值吻合較好，撓度的模擬值和試驗(yàn)值在加載比例達(dá)到0.9之前吻合較好，但之后加載比例達(dá)到1時(shí)試驗(yàn)板破壞，撓度突然變大，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)撓度測(cè)量不便控制，所以試驗(yàn)值與模擬值出現(xiàn)不吻合。將試驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)以表格的形式匯總?cè)绫?～表8所示。

表6 軌道板頂受壓區(qū)混凝土應(yīng)變模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比 με

表7 軌道板跨中撓度模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比 mm

表8 軌下截面板承載能力試驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

將3塊板的試驗(yàn)荷載位移曲線比較，繪制荷載位移如圖9所示。

圖9 荷載-位移曲線

從圖9可以看出，采用纖維金屬?gòu)?fù)合筋作為受拉主筋的軌下截面板試件，其荷載-撓度曲線上都有一個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)荷載為開(kāi)裂荷載。當(dāng)纖維筋金屬?gòu)?fù)合筋板試件在混凝土開(kāi)裂以后，試件的跨中撓度增加速度要明顯大于混凝土開(kāi)裂前，相對(duì)于纖維金屬?gòu)?fù)合筋試驗(yàn)板，鋼筋混凝土板試件雖有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但是第二階段曲線斜率相對(duì)較大，也即在第二階段其撓度變化幅度要小于纖維金屬?gòu)?fù)合筋試驗(yàn)構(gòu)件。這是由于混凝土開(kāi)裂，板底部混凝土退出工作，板底部主要由受拉主筋承擔(dān)拉應(yīng)力，而試驗(yàn)所用的纖維金屬?gòu)?fù)合筋彈性模量要小于HRB500鋼筋的彈性模量，所以纖維金屬?gòu)?fù)合筋試驗(yàn)板試件的彎曲變形更為明顯，曲線斜率相對(duì)較小，撓度也就增加得較快。

6 結(jié)論

通過(guò)上述論述和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，BFST筋具有良好的力學(xué)性能，能夠很好地和混凝土共同工作，BFST筋增強(qiáng)CRTSII型軌道板的理論模擬值與試驗(yàn)值吻合較好，所建立的模型分析結(jié)果具有參考價(jià)值。雖然和HRB500筋板比較，BFST筋板的撓度偏大，承載力略小，但仍能滿足規(guī)范技術(shù)要求，故BFST纖維金屬?gòu)?fù)合筋用于CRTSII型軌道板，不僅能解決普通鋼筋閉合回路導(dǎo)致的諧振式軌道電路干擾問(wèn)題，而且能夠滿足軌下截面板結(jié)構(gòu)受力要求，計(jì)算分析結(jié)果可為無(wú)砟軌道技術(shù)系統(tǒng)提供可靠的參考。

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Study on the Test of the CRTSII Slab Reinforced with Basalt-fiber-steel-tendon

FENG Zhao-ping1, YU Lei2

(1.National Space Frame and Steel Structures Quality Supervision and Inspection Center, Nanjing 221000, China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

The insulation treatment to improve the resonant track circuit transmission performance on high-speed railway may lead to poor bond between steel and reinforced concrete. Using fiber steel tendon in ballastless track slab is effective to solve the problem. This paper focuses on the test of ballastless track slab with Basalt Fiber Steel Tendon (referred to as BFST) by means of numerical simulation and static testing. The results show that the results of numerical simulation and test are similar, the model of numerical analysis is reliable, The CRTSII slab reinforced with basalt-fiber-steel-tendon has good ductility, and the bearing capacity meets the requirements.

Reinforcement with fiber steel tendon； CRTSII slab； Numerical simulation； Static testing

2014-11-19；

2014-12-03

鐵道部重大課題(2008G031-F)

馮照平(1986— )，男，工程師，碩士，E-mail：fengzhaoping 1986@163.com。

1004-2954(2015)08-0010-04

U213.2+42

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.002