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无粘结预应力CFRP筋混凝土梁抗弯试验

2014-09-23王作虎詹界东杜修力

建筑科学与工程学报 2014年2期

王作虎+詹界东+杜修力

文章编号:16732049(2014)02008406

收稿日期:20140226

基金项目:[ZK(]国家自然科学基金项目(51308028);北京建筑大学科学研究基金项目(00331613014);北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室开放项目(2013)

摘要:为了研究无粘结预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)筋锚具的锚固性能和无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受力性能,进行了4根无粘结预应力CFRP筋混凝土梁和2根对比混凝土梁的抗弯试验。结果表明:研发的预应力CFRP筋锚具具有很好的可靠性,无粘结预应力CFRP筋混凝土梁具有较好的受力性能和延性,非预应力钢筋是影响预应力CFRP筋混凝土梁延性和极限荷载最重要的因素;推导的简化公式可以准确地计算无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的极限荷载。

关键词:碳纤维增强复合材料筋;预应力混凝土梁;极限荷载;延性系数

中图分类号:TU378.8文献标志码:A

Experiment on Flexural Behavior of Prestressed Concrete Beams with Unbonded CFRP Tendons

WANG Zuohu1, ZHAN Jiedong2, DU Xiuli3

Abstract:

In order to study the anchoring capacities and mechanical behavior of prestressed concrete beams with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) tendons, the flexural experiment of four prestressed concrete beams with unbonded CFRP tendons and two comparative concrete beams were carried out. The results show that the anchorage efficiency coefficients of anchor assembly are excellent, and the mechanical behavior and ductility of prestressed concrete beams with unbonded CFRP tendons are good. Nonprestressed reinforcement is the most important factor on the ductility and ultimate load of the prestressed concrete beams with CFRP tendons. The calculated results of ultimate load based on the simplified formulae for prestressed concrete beams with unbonded CFRP tendons are accurate.

Key words: [WT]CFRP tendon; prestressed concrete beam; ultimate load; ductility factor

0 引言

纤维增强复合材料(FRP)筋是一种高强度线弹性材料,由于其优异的抗腐蚀和耐疲劳性能,已逐渐被应用到预应力混凝土领域。相对于有粘结预应力FRP筋混凝土结构,[HJ]无粘结预应力FRP筋混凝土结构主要依靠锚具来提供预应力,对FRP筋锚具的要求更高。目前,各国关于有粘结预应力FRP筋混凝土结构的研究较多[19],但是对于无粘结预应力FRP筋混凝土结构极限应力的计算还没有形成统一的结论,有必要对无粘结预应力FRP筋混凝土结构的受力性能进行更深入的研究。本文中笔者采用预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)筋夹片粘结式锚具,对无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的抗弯性能进行了研究。

1 CFRP筋锚具的研制

基于CFRP筋的材料特点和各种锚具的优缺点,开发了2种组合式锚具[1014]:夹片粘结式锚具和夹片套管式锚具。试验结果表明,这2种锚具都具有较好的锚固性能。试验采用的是夹片粘结式锚具,可以利用现有钢绞线夹片式锚具及配套的张拉设备进行锚固和张拉,锚具组装件如图1所示。

]图1夹片粘结式锚具

Fig.1Wedgebond Anchorage

2 试验梁的设计

2.1 试验模型的设计

试验共设计了6个试件,试验梁的跨度为3.2 m,截面尺寸为200 mm×300 mm,跨高比为10。试验参数主要有预应力筋的种类和初始张拉应力、非预应力钢筋的配筋率和混凝土强度。所有试验梁预应力CFRP筋均采用直线束型,预应力CFRP筋重心至梁底距离为60 mm,并按适筋梁进行设计。试验梁的力学性能及配筋分别见表1和图2。图2中,P为荷载。试验采用的混凝土及各种筋材的实测力学性能分别如表2,3所示。

有效预应力的大小是本次试验研究的一个重要参数,所以预应力CFRP筋的张拉控制十分重要。试验张拉CFRP筋采取分级、分批的张拉方法,即按照对称的原则分别张拉单根CFRP筋至控制应力的50%,然后再按相反的顺序张拉到控制应力,这种张拉方法会减少由于张拉顺序不同而引起的应力损失。在张拉过程中通过布置在锚具端的传感器和CFRP筋上的应变片来控制张拉应力。

表1试验梁的力学性能

Tab.1Mechanical Properties of Concrete Beams

梁编号 预应力筋种类 受拉钢筋 初始张拉应力 张拉应力/kN 混凝土强度等级

B02[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]16 C40

PB1 高强钢丝 2[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]16 0.62fpu 53.8 C40

PB2 CFRP筋 2[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]16 0.62fpu 53.8 C40

PB3 CFRP筋 2[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]16 0.62fpu 53.8 C30

PB4 CFRP筋 2[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]14 0.62fpu 53.8 C40

PB5 CFRP筋 2[XCwzh-1.tif,JZ]12,2[XCwzh-1.tif,JZ]16 0.73fpu 62.8 C40

注:fpu为CFRP筋的极限应力。

]图2试验梁的配筋(单位:mm)

Fig.2Reinforcement of Test Beams (Unit:mm)

表2混凝土的力学性能

Tab.2Mechanical Properties of Concrete

混凝土强度等级 抗压强度/MPa 弹性模量/GPa

C30 36.80 31.8

C40 36.61 34.0

表3各种筋材的力学性能

Tab.3Mechanical Properties of Reinforcements

筋材种类 直径/mm 面积/mm2 极限强度/MPa 屈服强度/MPa

CFRP筋850 1 730

高强钢丝738 1 720

普通钢筋 [ZB(]

16 201575 368

14 154557 471

12 113491 340

850 473 331

2.2 试验梁的加载及测试方案

试验在500 t的试验台上进行,试验梁均采用分配梁来进行三分点加载,加载点的距离为1 m,加载点距支座距离为900 mm,试验加载方案见图2。在试验梁跨中位置的普通钢筋、CFRP筋和混凝土均布置了应变片,以测量其在试验过程中的应变变化。另外,还在试验梁顶部跨中位置布置了位移计,加载千斤顶的端部连接了力传感器,所有测点都连接到数据采集系统上进行采集,试验梁测点布置如图3所示。

图3试验梁测点布置

Fig.3Arrangement of Measuring Points of Test Beams

3 试验结果分析

3.1 试验现象

由于试验梁预应力CFRP筋的种类不同,试验现象和破坏形态也不相同。在混凝土梁开裂前,试验现象基本相同,开裂前荷载和位移之间呈线性变化。在混凝土开裂后,混凝土梁的荷载位移曲线出现第1次偏折,位移随着荷载的增长较之前有所加快,梁不断出现新裂缝并且裂缝逐渐开展,预应力CFRP筋和非预应力钢筋的应力逐渐增大。非预应力钢筋屈服之后,混凝土梁的荷载位移曲线出现第2次偏折,在梁的纯弯区段基本不再出现新裂缝,而已有的裂缝则不断向上延伸并加宽,此时荷载增长缓慢,CFRP筋的应力增量较大,梁顶部混凝土的压应变和跨中位移迅速增大,最后梁顶部混凝土压应变增大至极限压应变,为3×10-3~4×10-3,混凝土被压碎,试件破坏。对于高强钢丝预应力梁PB1,在试件屈服后由于锚具突然发生滑移,混凝土梁承载力立即下降,梁迅速被压坏。对于预应力CFRP筋混凝土梁,试验过程中均没有发生CFRP筋锚具滑移的现象,也没有发生CFRP筋拉断的现象,混凝土梁的破坏形态都是受压区混凝土被压碎。梁破坏后,缓慢卸载,梁的残余变形较小,裂缝尚可部分闭合。

3.2 试验结果

预应力CFRP筋混凝土梁典型的破坏形态和荷载挠度曲线分别见图4,5。

图4梁典型的破坏形态

Fig.4Typical Damage Modes of Beams

图5梁荷载挠度曲线

Fig.5Loaddeflection Curves of Beams

试验结果如表4所示。表4中的延性系数采用冯鹏等[15]提出的综合指标系数,开裂荷载是通过试验过程中观测所得数据,极限荷载和极限挠度取荷载挠度曲线上的峰值荷载和对应的挠度。

3.3 结果分析

3.3.1 开裂荷载

标准混凝土梁B0和预应力混凝土梁PB2,PB5只有预应力CFRP筋的初始张拉应力不同,配筋和混凝土强度完全一样。图6为初始张拉应力对混凝

表4试验结果

Tab.4Experiment Results

梁编号 开裂荷载/kN 屈服荷载/kN 屈服位移/mm 极限荷载/kN 极限挠度/mm 延性系数 破坏形态

[BHDG5mm]B0 15.0093.00 10.07 104.01 69.93 7.77 混凝土压碎

PB1 17.00 127.04 10.87 129.95 12.96 1.22 锚具滑移

PB2 30.00 132.86 11.28 167.44 35.73 3.99 混凝土压碎

PB3 25.00 141.14 12.46 158.52 19.92 1.80 混凝土压碎

PB4 20.00 131.22 12.20 150.15 29.33 2.75 混凝土压碎

PB5 45.00 151.15 11.28 172.90 29.03 2.94 混凝土压碎

图6初始张拉应力对开裂荷载的影响

Fig.6 Influence of Initial Pretension Stress on Cracking Load

土梁开裂荷载的影响,其中,σ0为初始张拉应力。由表4和图6可以看出,预应力CFRP筋混凝土梁的开裂荷载主要与预应力的大小有关,而与混凝土强度和非预应力钢筋的配筋关系不太大。

3.3.2 延性系数

图7为初始张拉应力对延性系数的影响。由图7可以看出,预应力混凝土梁的综合延性系数要比对应标准混凝土梁的小。预应力混凝土梁PB5的初始张拉应力最大,其极限荷载和开裂荷载也最大,但是其综合延性系数却不是最大的,所以要提高预应力FRP筋混凝土梁的综合延性系数还需综合考虑其受力性能。

图7初始张拉应力对延性系数的影响

Fig.7Influence of Initial Pretension Stress on Ductility Factor

图8,9分别为受拉区配筋率和混凝土强度对延性系数的影响。由表4和图8,9可以看出,受拉区

图8受拉区配筋率对延性系数的影响

Fig.8Influence of Reinforcement Ratio of Tensile on Ductility Factor

图9混凝土强度对延性系数的影响

Fig.9Influence of Concrete Strength on Ductility Factor

配筋率和混凝土强度对延性系数的影响较大,增加受拉区钢筋的配筋率,可以增加预应力混凝土梁的延性。由于混凝土材料的离散性及梁PB3强度较低,混凝土强度对预应力CFRP筋混凝土梁延性系数的影响还需进一步研究。

3.3.3 极限荷载

图10为初始张拉应力对极限承载力的影响。由图10可以看出,初始张拉应力由0.62fpu提高到0.73fpu,极限承载力只提高了3.26%,影响效果不太明显。图11,12分别为受拉区配筋率和混凝土强度对极限荷载的影响。由图11,12可以看出,混凝土强度对预应力CFRP筋混凝土梁极限荷载的影响不太明显,而非预应力钢筋对极限荷载的影响较大。

图10初始张拉应力对极限荷载的影响

Fig.10Influence of Initial Pretension Stress on Ultimate Load

图11受拉区配筋率对极限荷载的影响

Fig.11Influence of Reinforcement Ratio of Tensile on Ultimate Load

图12混凝土强度对极限荷载的影响

Fig.12Influence of Concrete Strength on Ultimate Load

4 承载力计算

目前关于无粘结预应力FRP筋混凝土结构极限应力的计算还没有形成统一的结论,笔者基于预应力FRP筋的应力增量与构件跨中挠度之间接近直线关系,推导了体内无粘结预应力FRP筋极限应力的简化计算方法[16],计算模型如图13所示,其中,L为跨径,ep为预应力FRP筋在跨中截面偏心距,Δ为跨中挠度,θ为角度。

图13计算模型

Fig.13Calculation Model

无粘结预应力FRP筋的极限应力计算公式为

fpu=fpe+4EpepΔ LL0≈fpe+4Epepkεcu q0hp

(1)

式中:L0为相邻锚具间距;Ep为预应力FRP筋的弹性模量;fpe为有效预应力;hp为预应力FRP筋合力点至截面受压边缘的距离;εcu为混凝土极限抗压应变,计算中取εcu=0.003;k为荷载形式及支座约束情况的系数,可以从设计手册中查得,简支梁三分点对称加载取k=0.106 5,简支梁跨中一点加载取[JP2]k=0.083 3,两跨连续梁对称跨中加载取k=0.058 1;[JP]q0为混凝土受压区高度c与hp的比值。

q0的计算公式为

[JZ(]q0=fpeAp+fyAs 0.8×0.85f′cbhp

[FH](2)

式中:Ap,As分别为预应力CFRP筋和受拉钢筋的面积;fy为受拉钢筋的屈服强度;b为混凝土梁截面宽度;f′c为混凝土圆柱体的抗压强度。

下面分别采用中国《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ 92—2004)公式[17]、美国规范ACI 440.4R04公式[18]和文献[16]中的简化公式对试验梁的承载力进行计算,各公式计算结果的比较如表5所示。由表5可知,采用文献[16]中的公式计算无粘结预应力CFRP筋混凝土梁极限荷载,其计算值与实测值比值的平均值为0.947,标准差为0.013,与实际结果较为接近。计算结果虽然没有美国规范公式准确,但是计算过程却更简单。

表5各公式计算结果的比较

Tab.5Comparison of Different Calculation Formulae

梁编号 P1/kN

JGJ 92—2004公式结果 ACI 440.4R04公式结果 文献[16]中的简化公式结果

P2/kN P2 P1

P3/kNP3 P1

P4/kN P4 P1

PB2 167.44 150.25 0.90 168.84 1.01 156.12 0.93

PB3 158.52 149.56 0.94 163.15 1.03 152.93 0.96

PB4 150.15 134.43 0.90 156.19 1.04 141.87 0.94

PB5 172.90 158.68 0.92 175.53 1.02 163.77 0.95

均值 0.9131.0230.947

标准差 0.0220.0140.013

注:P1为极限荷载实测值;P2为JGJ 92—2004公式荷载计算值;[JP]P3为ACI 440.4R04公式荷载计算值;P4为文献[16]中的简化公式荷载计算值。

5 结语

通过4根无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的抗弯极限破坏试验,验证了研发的预应力CFRP筋锚具的可靠性。通过与非预应力钢筋混凝土梁和钢绞线预应力混凝土梁进行比较可知:预应力CFRP筋混凝土梁具有较好的受力性能和延性;非预应力钢筋对预应力CFRP筋混凝土梁的延性和极限承载力有很大的影响;另外,文献[16]中推导的简化公式可以准确地计算无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的极限荷载。目前关于体内无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的试验成果还较少,今后应该进行大量的试验研究工作,采用不同的加载形式和截面形式,对文献[16]中的简化公式进行验证。

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