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原文传递新型纤维复合桁架增强玄武岩纤维RPC无砟轨道板静力性能试验研究

论文题名：	新型纤维复合桁架增强玄武岩纤维RPC无砟轨道板静力性能试验研究
关键词：	无砟轨道板;活性粉末混凝土;玄武岩纤维;钢-连续纤维复合筋;刚度分析;承载力;耐久性;静力性能
摘要：	高速铁路无砟轨道结构以其稳定性好、耐久性强、维护量小等优点在国内外得到了广泛的应用和发展。无砟轨道板作为无砟轨道结构的重要组成部分，一般采用钢筋混凝土结构，但由于普通混凝土抗拉强度低，耐久性差，很大程度上影响了无砟轨道结构的发展。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)是一种高强高韧性的新型高性能混凝土材料，并且RPC的密实度较高，因此其耐久性和耐腐蚀性也优于普通混凝土。但由于RPC中常用的钢纤维掺料在海洋或盐冻等极端环境下容易出现锈蚀。同时，钢纤维的加入可能还会对高速铁路的轨道电路系统产生影响。采用抗拉强度更高，绝缘性和耐久性更好的玄武岩纤维(Basalt Fiber，简称BF)代替钢纤维制作活性粉末混凝土可以有效避免严酷环境下纤维材料对结构耐久性的影响。纤维增强复合材料(Fiber-Reinforced Polymer，简称FRP)具有强度高、重量轻、电绝缘(除碳纤维外)、耐腐蚀等优点，广泛应用于混凝土结构中。钢-连续纤维增强复合筋(Steel-fiberreinforced polymer composite bar，简称SFCB)在兼具纯FRP筋的优点的同时，还具有更高的刚度。将这两种纤维复合筋与BFRPC结合，设计一种新型纤维复合桁架增强BFRPC无砟轨道板，有望在解决无砟轨道板绝缘问题的基础上，进一步提高无砟轨道板的刚度、承载力以及耐久性，从而满足无砟轨道结构的使用寿命要求。　　基于上述思想，本文研究了BFRPC的力学性能以及新型纤维复合桁架增强BFRPC无砟轨道板的静力性能。主要工作和结论如下: 　　(1)对试验所需BFRPC材料进行配合比优化研究。采用单因素分析法，基于玄武岩纤维掺量、水胶比等影响参数，设计一种强度等级在RPC100-RPC120，和易性良好的RPC材料。研究表明，在众多影响参数中，水胶比的影响系数最大，在一定范围内，随着水胶比的降低，BFRPC的抗压强度逐渐增大，但与此同时，拌合物的流动性也随之降低。试验结果表明，当BFRPC的水胶比为0.15，纤维体积掺量为0.2％，胶凝材料占比51％时，BFRPC立方体抗压强度最高，为113.9MPa。　　(2)在获得最佳配合比的基础上，对BFRPC的基本力学性能进行试验研究。测试BFRPC的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂强度、轴心抗拉强度，抗折强度、受压本构关系等基本力学指标。研究表明，BFRPC的立方体抗压强度为113.2MPa，轴心抗压强度为88.9MPa，轴心抗拉强度为6.83MPa，抗折强度为18.52MPa，劈裂抗拉强度为4.5MPa，弹性模量为38.3GPa，泊松比为0.22，满足规范GB/T31387-2015《活性粉末混凝土》对RPC的力学性能要求。根据单轴受压应力-应变本构模型方程，将试验曲线与理论曲线拟合，提出单轴受压应力-应变全曲线修正公式。　　(3)无砟轨道板的静力性能试验研究。试验共制备三块足尺寸无砟轨道板，包含一块钢筋桁架增强BFRPC无砟轨道板以及两块新型纤维复合桁架增强BFRPC无砟轨道板。研究表明，钢筋桁架增强BFRPC无砟轨道板的破坏形态为桁架下弦拉断;两块新型纤维复合桁架增强BFRPC无砟轨道板的破坏形态为斜截面弯剪破坏。BFRPC增强的无砟轨道板均满足承载力的要求，并且在限制跨中挠度以及裂缝发展上相比同类型桁架增强普通混凝土无砟轨道板要有明显的优势。此外，BFRPC无砟轨道板在延性和耗能方面也优于普通混凝土无砟轨道板。在试验的基础上，对轨道板的抗剪承载力和挠度进行了计算和对比分析，为后续研究提供理论依据。　　(4)依据三块足尺寸无砟轨道板的静载试验数据，建立无砟轨道板的有限元模型，通过非线性分析方法研究其破坏形态、承载力和挠度的发展并与试验结果对比，验证所建模型的可靠性。在此基础上，通过改变混凝土强度和配筋率等进行参数分析，探索无砟轨道板在静载作用下刚度和承载力的变化规律。
作者：	张冠军
专业：	建筑与土木工程
导师：	杨洋;朱中国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2022