郝增明, 王忠勝, 白曉宇, 章偉, 張鵬飛, 孫培富, 包希吉, 李明, 閆楠

(1. 自然資源部濱海城市地下空間地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗室, 青島 266000; 2. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 青島 266520;3. 中建八局第二建設(shè)有限公司, 濟(jì)南 250014; 4. 青島中建聯(lián)合集團(tuán)有限公司, 青島 266100;5. 江蘇海川新材料科技有限公司, 句容 212400)

深基坑樁錨支護(hù)體系是由排樁組成的圍護(hù)體系和預(yù)應(yīng)力錨桿(索)組成的錨固體系構(gòu)成,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿(索)之間通過腰梁連為整體并傳遞相互之間的作用力,目前腰梁的制作還是采用傳統(tǒng)工藝,如型鋼腰梁和混凝土腰梁,導(dǎo)致每年在中國將有大量的鋼材、混凝土等材料將永久的埋于地下。為達(dá)到資源節(jié)約、保護(hù)環(huán)境的目的,亟待開發(fā)研制可循環(huán)利用的新型材料腰梁以取代傳統(tǒng)材料腰梁。近年來,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)憑借構(gòu)件比強(qiáng)度高,即質(zhì)輕高強(qiáng)的優(yōu)勢在土木工程領(lǐng)域得到快速發(fā)展,并被工程界廣泛關(guān)注[1-4],作為最適合生產(chǎn)FRP的拉擠成型工藝也成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)[5]。其中相對造價成本較低的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP),被大量應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域,引起眾多學(xué)者關(guān)注[6-8]?；诖?能夠取代傳統(tǒng)材料腰梁實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用的拉擠成型GFRP腰梁應(yīng)運(yùn)而生。目前針對GFRP腰梁的連接型式與力學(xué)性能還缺乏相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[9],主要參照設(shè)計者的經(jīng)驗判斷和基礎(chǔ)力學(xué)知識,想要可靠的預(yù)測工程中復(fù)合材料連接構(gòu)件的破壞模式、極限強(qiáng)度等,亟需開展相關(guān)的試驗研究,完善其理論體系,實(shí)現(xiàn)新材料取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土腰梁或型鋼腰梁,具有重要的科學(xué)意義與工程實(shí)用價值。

目前對基坑支護(hù)計算方法的研究比較深入,但對腰梁的受力機(jī)理和計算方法的研究并不多見,而且針對復(fù)合材料腰梁連接特性的試驗研究不足,若想將GFRP腰梁應(yīng)用于實(shí)際工程,完善腰梁的連接理論體系成為亟待解決的關(guān)鍵問題。中外學(xué)者針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接性能問題開展研究,并取得諸多成果。Mottram等[10]指出,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件的連接由剛體系發(fā)展而來,主要采用螺栓連接和膠結(jié)連接,但鋼結(jié)構(gòu)的連接僅起強(qiáng)度控制,FRP結(jié)構(gòu)的連接受變形以及穩(wěn)定性的控制較大。Meram等[11]基于壓縮和扭轉(zhuǎn)試驗對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)復(fù)合材料層壓板螺紋接頭的承載能力開展研究,并通過直接攻絲獲取M6、M8、M10和M12公制內(nèi)螺紋。結(jié)果表明,與簡單攻絲試樣相比,螺旋油增強(qiáng)試樣顯現(xiàn)出更大的極限破壞荷載和扭矩值,計算剝離強(qiáng)度值進(jìn)一步證明螺旋油增強(qiáng)螺紋接頭可以替代鉚接和粘接接頭,作為CFRP復(fù)合材料層壓板的可拆卸連接技術(shù)。Zuo等[12]通過2種準(zhǔn)靜態(tài)載荷力學(xué)試驗,分析了過盈配合螺栓插入CFRP對接頭的損傷影響和螺栓的失效行為,并提出過盈配合雖有利于改善復(fù)合材料構(gòu)件螺栓連接的疲勞性能,但會加重局部疲勞情況,如過盈配合螺栓的插入過程會導(dǎo)致層壓板的損壞,且孔壁附近的邊界是最關(guān)鍵的損傷區(qū)域。Hu等[13]重點(diǎn)針對在過盈配合百分比、擰緊扭矩和堆疊順序等多種參數(shù)變化下的界面行為、軸承響應(yīng)、應(yīng)變分布和平面外變形開展研究,發(fā)現(xiàn)螺栓插入具有冷膨脹作用,有利于形成緊密耦合的界面,并阻止螺栓傾斜。在高度各向異性層壓板的接頭中觀察到應(yīng)變集中帶,但在各向同性層壓板中,應(yīng)變集中帶局限于螺栓孔附近。張岐良等[14]探究了釘孔配合、螺栓預(yù)緊力和接觸面間摩擦對復(fù)合材料螺栓連接接頭性能的影響,提出小干涉量過盈配合和適當(dāng)?shù)穆菟〝Q緊力矩均可提高接頭強(qiáng)度,且在一定尺寸下增大摩擦力可能改變接頭的破壞模式。余海燕等[15]在試驗基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬,對比了不同接頭寬度和端局匹配下混合接頭的拉伸性能,指出接頭破壞模式以擠壓為主,接頭寬度、端局與螺栓孔徑的比值分別大于等于6和大于等于3時,接頭強(qiáng)度最大。邢立峰等[16]通過3種螺栓連接型式的對比試驗也得出均為擠壓破壞的結(jié)論。Zhai等[17]基于螺栓孔間隙和螺栓扭矩的影響試驗,揭示了螺栓孔間隙會加劇接頭表面應(yīng)變集中和面外變形,螺栓扭矩減輕了應(yīng)變集中,但對面外變形影響不大。黃志超等[18]對常見連接方法的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)用性進(jìn)行了總結(jié),指出了螺栓連接具有易拆裝、強(qiáng)度大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),具有較高的實(shí)用性,混合連接是基于機(jī)械連接的延伸,膠結(jié)技術(shù)正趨于成熟,冷碾鉚接方式目前缺乏研究,但具有較好的發(fā)展前景。

綜上所述,目前對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接性能雖已經(jīng)開展了部分研究,但大部分針對機(jī)械連接的研究僅局限于CFRP,導(dǎo)致相對造價成本更低的GFRP拉擠成型構(gòu)件未得到足夠的發(fā)展,難以滿足GFRP結(jié)構(gòu)體系在土木工程領(lǐng)域增長的需求。鑒于此,為完善玻璃纖維復(fù)合材料腰梁連接的受力特征、極限強(qiáng)度和破壞模式,提高GFRP腰梁應(yīng)用于基坑支護(hù)領(lǐng)域的可靠性,滿足支護(hù)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度要求,實(shí)現(xiàn)土木工程領(lǐng)域新舊材料的更替。將對拉擠成型GFRP腰梁的設(shè)計成型過程進(jìn)行詳細(xì)描述,并開展無連接和有機(jī)械連接2種類型GFRP腰梁的靜載試驗,分析拉擠成型工藝下雙腹板工字型GFRP腰梁機(jī)械連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能,研究成果可為同類型構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)計提供參考,并為GFRP腰梁的推廣應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 GFRP腰梁設(shè)計

1.1 GFRP腰梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對復(fù)合材料腰梁構(gòu)件的生產(chǎn)設(shè)計,現(xiàn)行規(guī)范并未提出相應(yīng)的變形驗算要求,但考慮到GFRP腰梁的設(shè)計雖然以強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主,但腰梁變形過大將會影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)和錨桿(索)之間水平力的傳遞,因此,取變形限制為30 mm進(jìn)行設(shè)計。拉擠成型GFRP腰梁構(gòu)件的材料性能參數(shù)根據(jù)材料性能測試和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)確定,如表1和表2所示。

表1 原材料基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of raw materials

表2 GFRP腰梁力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters of GFRP waist beam

本次試驗選用雙腹板工字型GFRP腰梁截面形式,根據(jù)構(gòu)件受力特點(diǎn)和考慮拉擠薄板的厚度限制,確定腰梁截面尺寸如圖1所示。

r為翼緣和腹板連接處的曲率半徑圖1 雙腹板工字型GFRP腰梁截面示意圖Fig.1 Section diagram of double web I-shaped GFRP waist beam

1.2 腰梁試件拉擠成型

根據(jù)圖1截面形式,此GFRP腰梁由南京某復(fù)合材料有限公司生產(chǎn),采用拉擠成型工藝,構(gòu)件長4.0 m,質(zhì)量約為90.0 kg。按設(shè)計要求鋪設(shè)E玻璃纖維和不飽和聚酯樹脂,纖維含量≥65%,其中選用5層玻纖紗和6層玻璃纖增強(qiáng)氈作為纖維增強(qiáng)體,GFRP腰梁生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 GFRP腰梁生產(chǎn)工藝示意圖Fig.2 Diagram of GFRP waist beam production process

1.3 GFRP腰梁螺栓機(jī)械連接設(shè)計

基坑支護(hù)工程中,為增強(qiáng)支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性,一般會結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗設(shè)置腰梁連接。傳統(tǒng)鋼腰梁的連接主要通過鋼板、鋼筋進(jìn)行現(xiàn)場焊接,但顯然傳統(tǒng)方式不適合GFRP腰梁,基于目前復(fù)合材料的連接方法,螺栓連接是目前拉擠成型復(fù)合材料的主要連接形式[18]。

鑒于此,本試驗采用在上述雙腹板工字型GFRP腰梁跨中位置進(jìn)行螺栓機(jī)械連接,為實(shí)現(xiàn)2節(jié)GFRP腰梁的連接及控制螺栓開孔對梁體本身截面帶來的削弱影響,在試驗梁螺栓機(jī)械連接部分增設(shè)綴板,且為避免其他材料的影響,綴板從同等材質(zhì)構(gòu)件的翼緣和腹板處截取部分試樣,將連接綴板準(zhǔn)確安放于被連接腰梁四周,每節(jié)被連接腰梁部分的翼緣及腹板各采用4個16 mm普通螺栓進(jìn)行固定,綴板尺寸及螺栓具體固定位置參照試驗梁詳細(xì)連接斷面示意圖和連接區(qū)詳圖,如圖3和圖4所示。

圖3 試驗梁連接斷面示意圖Fig.3 Schematic diagram of test beam connection section

2 靜載試驗

為研究拉擠成型工藝下雙腹板工字型GFRP腰梁機(jī)械連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能,針對無連接和有機(jī)械連接條件下2種類型的GFRP腰梁開展靜載試驗。本試驗在5 000 kN長柱壓力試驗機(jī)上進(jìn)行,選用跨度為1.8 m的簡支梁形式,整個試驗梁長度為2.0 m。采用手動千斤頂通過分配梁將荷載傳遞給試驗梁,進(jìn)行三分點(diǎn)對稱加載試驗。試件和分配梁重約47.0 kg,相對荷載較小,計算可以忽略其影響。支座和分配梁下鋪設(shè)10 mm厚砂漿墊層。正式加荷前對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載,試驗過程采用分級加荷,每級加荷5 kN,持荷15 min后進(jìn)行下一級加載,試驗過程中,記錄試驗梁各狀態(tài)下千斤頂表盤荷載及電子數(shù)顯位移指示表讀數(shù)。通過測試腰梁跨中撓度、極限破壞荷載等指標(biāo),分析無連接和有機(jī)械連接條件下GFRP腰梁的承載性能和破壞形式,GFRP腰梁靜載試驗如圖5所示。

P為千斤頂傳遞給分配梁的荷載圖5 GFRP腰梁靜載試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of GFRP girders static load test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 加載破壞現(xiàn)象

3.1.1 無連接試驗梁

試驗開始階段,隨荷載增加構(gòu)件變形呈線性增長,加載至600 kN時,試驗梁開始出現(xiàn)響聲,外觀無破壞痕跡;繼續(xù)加載至690 kN時,伴隨一聲巨響,試驗梁上翼緣在加荷點(diǎn)之間位置產(chǎn)生屈曲破壞,隨即與上翼緣連接處的腹板因失去支撐產(chǎn)生屈曲破壞,翼緣和腹板連接處出現(xiàn)面層剝離和鼓起,如圖6(a)所示。此破壞模式與Mottram得出拉擠構(gòu)件的腹板因其較低的橫向抗壓強(qiáng)度和剛度,在加載點(diǎn)和支座附近極易產(chǎn)生局部破壞的結(jié)論相吻合[19]。試驗結(jié)束卸載,試驗梁隨即恢復(fù)原狀態(tài),如圖6(b)所示。待試驗梁變形穩(wěn)定后觀察構(gòu)件其他位置無白斑和層間剝離現(xiàn)象。

圖6 無連接GFRP腰梁破壞模式Fig.6 Unattached GFRP waist beam damage mode

3.1.2 螺栓機(jī)械連接試驗梁

加載過程顯示,對螺栓機(jī)械連接GFRP試驗梁,加載前期相對薄弱的螺栓鉆孔連接處并未出現(xiàn)任何變形,相較于無連接試驗梁的破壞,腰梁的極限承載性能明顯提高,原因分析為同等材質(zhì)的連接綴板對螺栓的鉆孔削弱起到了較好的補(bǔ)償作用。當(dāng)加載至860 kN時,在腰梁腹板的連接綴板上邊緣螺栓處表層開始出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,但此時裂縫不明顯,繼續(xù)加荷,剝離裂縫在上排螺栓范圍內(nèi)擴(kuò)展,直至上排螺栓范圍的連接綴板上出現(xiàn)沿橫向的完整裂縫;當(dāng)加載至1 000 kN時,剝離裂隙從連接綴板的邊緣位置發(fā)展至中心處,連接綴板縱向開裂嚴(yán)重,如圖7所示,此時腰梁未連接范圍腹板產(chǎn)生屈曲破壞,試驗結(jié)束,停止加荷。相較于無連接試驗梁的破壞現(xiàn)象,螺栓機(jī)械連接試驗梁的上翼緣在加荷點(diǎn)之間位置并未出現(xiàn)明顯的鼓起,原因分析為上翼緣增設(shè)的綴板和螺栓有效的抑制了該變形,采用螺栓機(jī)械連接并在連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板,可使GFRP腰梁的剛度和極限承載能力均有明顯提高。

圖7 螺栓機(jī)械連接GFRP腰梁破壞模式Fig.7 Bolted mechanical connection GFRP waist beam damage mode

3.2 結(jié)果與分析

通過GFRP腰梁荷載-跨中撓度曲線,如圖8所示?？梢钥闯?2種類型的試驗梁在加載初期,跨中撓度值相近,從183 kN開始,螺栓機(jī)械連接試驗梁抗彎性能開始逐漸大于無連接試驗梁,隨荷載的增加,撓度值差距逐漸趨于明顯,且螺栓機(jī)械連接試驗梁的極限破壞荷載也顯著增大,相比于無連接試驗梁極限承載能力提高44.9%。雙腹板工字型GFRP腰梁破壞前為彈性工作階段,當(dāng)加載至690 kN時,節(jié)點(diǎn)處最大撓度達(dá)到68.5 mm。破壞時表現(xiàn)為上翼緣的局部失穩(wěn)進(jìn)而引起腹板局部壓曲破壞。分析原因,GFRP腰梁自身橫向抗拉、抗彎強(qiáng)度較低,在承受分配梁傳來的荷載時,在上翼緣會產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力,使上翼緣變形明顯,產(chǎn)生局部破壞,且腰梁腹板的剪切強(qiáng)度較低,在上翼緣和腹板連接處因失去支撐容易發(fā)生平面內(nèi)的局部剪切破壞。

圖8 雙腹板GFRP腰梁荷載-跨中撓度曲線Fig.8 Load-span deflection curve of double web GFRP girders

對螺栓機(jī)械連接試驗梁,當(dāng)加載至1 000 kN時,節(jié)點(diǎn)處最大撓度達(dá)到86.7 mm,相較于無連接試驗梁,對GFRP腰梁進(jìn)行螺栓機(jī)械連接并在連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板可使試驗梁的剛度提高17.9%,該試驗梁在加載前期并未出現(xiàn)任何變形,破壞時表現(xiàn)在連接綴板上排螺栓的裂縫逐漸延伸,直至發(fā)展至綴板中心處,腹板產(chǎn)生屈曲破壞,但上翼緣鼓起不明顯。分析原因,采用螺栓機(jī)械連接并在連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板對加荷點(diǎn)之間位置的變形起到了很好的抑制作用,螺栓鉆孔雖會造成梁體本身截面削弱,進(jìn)而使得梁體承載力降低,但增設(shè)同材質(zhì)綴板可有效地降低這種削弱效果。且觀察荷載-跨中撓度曲線仍近似為一條直線,進(jìn)一步證明在此種連接方式下,腰梁的整體穩(wěn)定性能良好。

綜上,將有螺栓機(jī)械連接和無連接試驗梁的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)在螺栓機(jī)械連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板,不僅可以有效降低螺栓鉆孔對梁體本身截面的削弱,而且可使試驗梁的極限承載能力和剛度分別提高44.9%和17.9%,證明采用螺栓機(jī)械連接并在連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板,在雙腹板工字型GFRP構(gòu)件連接中的適用性較高,具有較好的發(fā)展前景。

基于靜載試驗中雙腹板工字型GFRP無連接試驗梁結(jié)果進(jìn)行延伸討論,根據(jù)試驗數(shù)據(jù),采用歐拉-伯努利理論計算該截面型式下GFRP腰梁的彈性模量為36.5 GPa,若考慮剪切變形的影響,其彈性模量可達(dá)40 GPa以上。通過與復(fù)合材料腰梁受彎試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)[20],截面面積大致相等的雙腹板工字型和雙背槽型GFRP腰梁,前者的極限承載能力是后者的7倍。試驗結(jié)果顯示,當(dāng)試驗梁達(dá)到極限狀態(tài)時,截面的最大應(yīng)力為183 MPa,是GFRP腰梁縱向抗拉強(qiáng)度的62%,縱向抗壓強(qiáng)度的73%(容許壓縮承載力的205%),材料的強(qiáng)度特性可以得到充分發(fā)揮。

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)靜載試驗結(jié)果表明,復(fù)合材料腰梁采用雙腹工字型截面,腰梁的穩(wěn)定性能良好。該型式下GFRP腰梁極限承載能力為相同截面面積的雙背槽型截面的7倍,可以充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度特性。

(2)雙腹工字型GFRP腰梁的破壞形式為局部失穩(wěn)破壞,首先在構(gòu)件上翼緣位置產(chǎn)生屈曲破壞,隨即腹板因失去支撐產(chǎn)生屈曲破壞,翼緣和腹板連接處出現(xiàn)面層剝離和鼓起,腰梁連接處增設(shè)的綴板和螺栓可有效地抑制該局部破壞變形。

(3)采用螺栓機(jī)械連接并在連接處增設(shè)同材質(zhì)綴板,可降低螺栓鉆孔對梁體本身截面的削弱作用,使GFRP腰梁的剛度和極限承載能力分別提高17.9%和44.9%,受力性能良好,適用性較高,具有較好的發(fā)展前景。