禹 雷 吴凯伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

目前我国高速铁路大量无砟轨道板均采用高强钢筋和预应力钢丝配筋形式，但该种无砟轨道板中普遍采用的绝缘处理方法导致钢筋与混凝土黏结力差和绝缘性能差。提出使用一种可替代HRB500钢筋的材料——纤维金属复合筋(简称FST)。该材料由外层树脂浸润的纤维缠绕包裹内部钢丝，外部具有一定高度螺旋肋，且具有较好的类似塑料的化学稳定性和耐腐蚀性，具有较好的耐久性和绝缘性能，使用该材料制作的纤维金属复合筋无砟轨道板可以有效解决握裹力和绝缘性差等问题[1-5]。为对比分析纤维金属复合筋和HRB500钢筋与混凝土的黏结性能，选用直径均为8 mm的玄武岩纤维金属复合筋、玻璃纤维金属复合筋和HRB500钢筋埋入混凝土的立方体试块中进行拉拔试验，对比研究混凝土与纤维金属复合筋的黏结性能。

2 试验方案

为充分对比研究纤维金属复合筋在无砟轨道板内部受力情况，课题组在专业轨道板预制工厂制作了2块CRTSⅡ型板式无砟轨道板和若干纤维筋黏结锚固试块，分别进行了轨道板力学性能试验和黏结锚固试验。CRTSⅡ型轨道板内横向分别配置直径8 mm的BFST(玄武岩纤维金属复合筋)和GFST(玻璃纤维金属复合筋)，纵向继续采用强度为HRB500级钢筋，横向配置10 mm螺旋肋预应力钢丝不变。轨道板制作养护完成后，依据试验方案沿轨道板横向预裂缝进行切割，形成若干宽度为650 mm的板，取其中3根板进行轨道板跨中静载力学性能试验，用于对比分析纤维金属复合筋轨道板受弯承载力。

目前国内外纤维筋与混凝土的黏结性能试验一般参照钢筋混凝土的黏结性能试验方法来设计，常用的试验方法主要有三种：

①立方体中心抗拔试验方法，②板式试验方法，③对拉试验方法。本文依据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152—2012)[3]，采用立方体中心拔出试验装置。FST筋放置在立方体的中心轴线上，在筋的伸出端施加拉力，通过承压板将力传至混凝土上。混凝土试块边长为150 mm的立方体，黏结段和无黏结段均取75 mm，其中无黏结段采用PVC 塑料套管套在筋材外侧，以减小在拔出荷载作用下混凝土对加载端FST筋的局部挤压作用，自由端总长度为30 mm，剥去末端10 mm的外裹纤维露出钢丝内芯。采用50 t手持式液压千斤顶进行张拉，底部支座为自行焊接的厚钢板支座，上端采用筋材拉伸专用锚固夹头，试验装置如图1所示。

图1 滑移测量加载装置及示意

测量的内容主要有：筋材的应变，筋材自由端筋内芯相对混凝土立方体的滑移量，加载端位移量及最终的荷载—位移曲线。因为是采用同一批次生产的筋材，所以其各自的力学性能参数和拉伸试验结果相同。为了更好模拟实际CRTS II型无砟轨道板中混凝土与筋材的黏结力，本次黏结滑移试验采用同等养护条件下的C55混凝土。表1为本次黏结滑移试验所采用的三种不同筋材材料力学性能对比。

表1 各种筋材材料力学性能

3 试验结果分析

3.1 试验结果

本次黏结拉伸试验中，假设黏结应力沿筋材埋置深度均匀分布，三种筋材的黏结应力和有效锚固长度采用下列公式

(1)

(2)

式中，τ为筋材与混凝土的黏结应力，d，l，lm，F，σmax分别为筋材的有效直径、有效黏结长度、锚固长度、试验所测有效拉力和极限拉伸应力。

拉拔黏结试验测得三种筋材自由端滑移与黏结应力之间关系曲线(如图2～图4所示)，各三根试件。

图2 BFST筋滑移-应力曲线

图3 GFST筋滑移-应力曲线

图4 HRB500筋滑移-应力曲线

根据上述黏结试验的滑移—应力曲线结果可以看出，纤维筋试件的滑移—应力曲线的残余段部分近似呈正弦曲线，钢筋试件滑移—应力曲线的残余段部分呈缓慢降低的趋势。整个曲线大致可以分为三个阶段：微滑移阶段，滑移阶段和下降段(拔出阶段)。微滑移阶段即从0-0.2τ阶段，此阶段从开始加载到初始滑移，筋材与混凝土之间只有极其微小滑移，近似为0，可以等效为依靠化学吸附力抵抗拉拔力；滑移阶段即0.3-1.0τ阶段，随着拉拔荷载不断增大，滑移值不断增大，呈现非线性关系，此时筋材与混凝土之间产生摩擦力和机械咬合力共同抵抗拉拔力，筋材与界面混凝土的机械咬合作用产生斜向作用力，不仅在筋材表面产生切向分力，并且产生沿径向的环向分力，使黏结混凝土处于受拉状态，如果环向拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土试件会产生内部和径向微裂缝，当发展至构件表面，即形成自加载端至自由端的纵向劈裂裂缝；下降段，即拔出阶段，随着荷载进一步增加，筋材与界面混凝土之间产生局部剪切破坏和相对滑移，筋材迅速滑出，黏结应力急剧下降。

由于BFST筋和GFST筋弹性模量较HRB500筋低，且螺旋肋与混凝土黏结性能较HRB500筋月牙肋好，因此在拉伸荷载作用下，在三种筋材曲线图滑移阶段中，BFST筋和GFST筋斜率较为接近，HRB500筋斜率相对较大。三组拉拔试件结果如表2所示。

表2 黏结滑移试验结果对比

从试验结果可以看出，BFST筋和GFST筋极限荷载和最大黏结力比HRB500筋均较大，这种现象可以从筋材表面形状方面解释，由于纤维筋采用的是螺旋肋，肋突起的高度和与混凝土接触面积均比HRB500筋月牙肋好，因此纤维筋机械咬合力要大于HRB500筋。

3.2 黏结强度和锚固长度设计建议

基本锚固长度实际上是筋材拉拔出现极限强度破坏时所需的最小埋深。根据筋材表面黏结力与其极限强度之间力的平衡关系可以建立如下方程

τuπdbldb=Afffu

(3)

式中，ldb为基本锚固长度；ffu筋材拉伸极限强度；τu界面黏结强度。

可以转化为

ldb=dbffu/4τu

(4)

目前国内外学者对纤维筋黏结锚固长度和黏结强度进行了大量试验研究[6-12]，提出了一系列建议公式，美国ACI委员会ACI440规范中对于纤维筋拔出破坏提出了一些具体公式

(5)

(6)

式中，K2为修正系数，是常量，可以通过试验确定，其他参数同上。Ehsani，Saadatmanesh andTao(1996)通过GFRP筋的48根梁式和18根拔出试验，建议K2为1/21.3；Tighiouart，Benmokrane and Gao(1998)通过GFRP筋的45根梁式试验，建议K2为1/5.6。对于拔出破坏而非混凝土劈裂破坏，Ehsani，Saadatmanesh，Tao(1996)和Gao，Benmokrane，Tighiouart(1998)建议用下列等式(K3约2 850)

lbf=dbffu/K3

(7)

ACI440规范中对于纯纤维筋拔出破坏锚固长度推荐公式为

lbf=dbffu/2 700

(8)

以上计算公式和参数均是基于纯纤维筋的，对于本文中的纤维金属复合筋黏结强度和锚固长度计算公式需要进行修正，根据拉拔黏结试验结果明显要大于普通钢筋和纯纤维筋，因此对于黏结应力系数K偏保守的取25.0，即

(9)

代入基本黏结锚固长度公式，可得

(10)

4 结论

(1)两种纤维金属复合筋试件的滑移—应力曲线和HRB500筋试件类似，同样分为三个阶段，微滑移阶段，滑移阶段和下降段。

(2)两种纤维金属复合筋锚固拉伸极限荷载和最大黏结力均比HRB500筋较大，纤维金属复合筋与混凝土黏结性能要优于HRB500筋。

(3)建议在纤维金属复合筋黏结强度和锚固长度计算公式中黏结应力系数K取偏保守的25.0。

[1] TB100822—2005 铁路轨道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005

[2] TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

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