無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁抗彎試驗(yàn)

王作虎+詹界東+杜修力

文章編號：16732049(2014)02008406

收稿日期：20140226

基金項(xiàng)目：[ZK(]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308028）；北京建筑大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（00331613014）；北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（2013）

摘要：為了研究無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋錨具的錨固性能和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的受力性能，進(jìn)行了4根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁和2根對比混凝土梁的抗彎試驗(yàn)。結(jié)果表明：研發(fā)的預(yù)應(yīng)力CFRP筋錨具具有很好的可靠性，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁具有較好的受力性能和延性，非預(yù)應(yīng)力鋼筋是影響預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁延性和極限荷載最重要的因素；推導(dǎo)的簡化公式可以準(zhǔn)確地計(jì)算無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的極限荷載。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋；預(yù)應(yīng)力混凝土梁；極限荷載；延性系數(shù)

中圖分類號：TU378.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋是一種高強(qiáng)度線彈性材料，由于其優(yōu)異的抗腐蝕和耐疲勞性能，已逐漸被應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力混凝土領(lǐng)域。相對于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)，[HJ]無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)主要依靠錨具來提供預(yù)應(yīng)力，對FRP筋錨具的要求更高。目前，各國關(guān)于有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究較多［19］，但是對于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力的計(jì)算還沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論，有必要對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行更深入的研究。本文中筆者采用預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）筋?yuàn)A片粘結(jié)式錨具，對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行了研究。

1 CFRP筋錨具的研制

基于CFRP筋的材料特點(diǎn)和各種錨具的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)了2種組合式錨具［1014］：夾片粘結(jié)式錨具和夾片套管式錨具。試驗(yàn)結(jié)果表明，這2種錨具都具有較好的錨固性能。試驗(yàn)采用的是夾片粘結(jié)式錨具，可以利用現(xiàn)有鋼絞線夾片式錨具及配套的張拉設(shè)備進(jìn)行錨固和張拉，錨具組裝件如圖1所示。



]圖1夾片粘結(jié)式錨具

Fig.1Wedgebond Anchorage

2 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6個(gè)試件，試驗(yàn)梁的跨度為3.2 m，截面尺寸為200 mm×300 mm，跨高比為10。試驗(yàn)參數(shù)主要有預(yù)應(yīng)力筋的種類和初始張拉應(yīng)力、非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率和混凝土強(qiáng)度。所有試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力CFRP筋均采用直線束型，預(yù)應(yīng)力CFRP筋重心至梁底距離為60 mm，并按適筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)梁的力學(xué)性能及配筋分別見表1和圖2。圖2中，P為荷載。試驗(yàn)采用的混凝土及各種筋材的實(shí)測力學(xué)性能分別如表2，3所示。

有效預(yù)應(yīng)力的大小是本次試驗(yàn)研究的一個(gè)重要參數(shù)，所以預(yù)應(yīng)力CFRP筋的張拉控制十分重要。試驗(yàn)張拉CFRP筋采取分級、分批的張拉方法，即按照對稱的原則分別張拉單根CFRP筋至控制應(yīng)力的50%，然后再按相反的順序張拉到控制應(yīng)力，這種張拉方法會(huì)減少由于張拉順序不同而引起的應(yīng)力損失。在張拉過程中通過布置在錨具端的傳感器和CFRP筋上的應(yīng)變片來控制張拉應(yīng)力。

表1試驗(yàn)梁的力學(xué)性能

Tab.1Mechanical Properties of Concrete Beams

梁編號 預(yù)應(yīng)力筋種類 受拉鋼筋 初始張拉應(yīng)力 張拉應(yīng)力/kN 混凝土強(qiáng)度等級

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

PB1 高強(qiáng)鋼絲 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為CFRP筋的極限應(yīng)力。

]圖2試驗(yàn)梁的配筋(單位:mm)

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

表2混凝土的力學(xué)性能

Tab.2Mechanical Properties of Concrete

混凝土強(qiáng)度等級 抗壓強(qiáng)度/MPa 彈性模量/GPa

C30 36.80 31.8

C40 36.61 34.0

表3各種筋材的力學(xué)性能

Tab.3Mechanical Properties of Reinforcements

筋材種類 直徑/mm 面積/mm2 極限強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa

CFRP筋850 1 730

高強(qiáng)鋼絲738 1 720

普通鋼筋 [ZB(]

16 201575 368

14 154557 471

12 113491 340

850 473 331

2.2 試驗(yàn)梁的加載及測試方案

試驗(yàn)在500 t的試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)梁均采用分配梁來進(jìn)行三分點(diǎn)加載，加載點(diǎn)的距離為1 m，加載點(diǎn)距支座距離為900 mm，試驗(yàn)加載方案見圖2。在試驗(yàn)梁跨中位置的普通鋼筋、CFRP筋和混凝土均布置了應(yīng)變片，以測量其在試驗(yàn)過程中的應(yīng)變變化。另外，還在試驗(yàn)梁頂部跨中位置布置了位移計(jì)，加載千斤頂?shù)亩瞬窟B接了力傳感器，所有測點(diǎn)都連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上進(jìn)行采集，試驗(yàn)梁測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3試驗(yàn)梁測點(diǎn)布置

Fig.3Arrangement of Measuring Points of Test Beams

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

由于試驗(yàn)梁預(yù)應(yīng)力CFRP筋的種類不同，試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)也不相同。在混凝土梁開裂前，試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同，開裂前荷載和位移之間呈線性變化。在混凝土開裂后，混凝土梁的荷載位移曲線出現(xiàn)第1次偏折，位移隨著荷載的增長較之前有所加快，梁不斷出現(xiàn)新裂縫并且裂縫逐漸開展，預(yù)應(yīng)力CFRP筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力逐漸增大。非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服之后，混凝土梁的荷載位移曲線出現(xiàn)第2次偏折，在梁的純彎區(qū)段基本不再出現(xiàn)新裂縫，而已有的裂縫則不斷向上延伸并加寬，此時(shí)荷載增長緩慢，CFRP筋的應(yīng)力增量較大，梁頂部混凝土的壓應(yīng)變和跨中位移迅速增大，最后梁頂部混凝土壓應(yīng)變增大至極限壓應(yīng)變，為3×10-3~4×10-3，混凝土被壓碎，試件破壞。對于高強(qiáng)鋼絲預(yù)應(yīng)力梁PB1，在試件屈服后由于錨具突然發(fā)生滑移，混凝土梁承載力立即下降，梁迅速被壓壞。對于預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁，試驗(yàn)過程中均沒有發(fā)生CFRP筋錨具滑移的現(xiàn)象，也沒有發(fā)生CFRP筋拉斷的現(xiàn)象，混凝土梁的破壞形態(tài)都是受壓區(qū)混凝土被壓碎。梁破壞后，緩慢卸載，梁的殘余變形較小，裂縫尚可部分閉合。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁典型的破壞形態(tài)和荷載撓度曲線分別見圖4，5。

圖4梁典型的破壞形態(tài)

Fig.4Typical Damage Modes of Beams

圖5梁荷載撓度曲線

Fig.5Loaddeflection Curves of Beams

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表4中的延性系數(shù)采用馮鵬等［15］提出的綜合指標(biāo)系數(shù)，開裂荷載是通過試驗(yàn)過程中觀測所得數(shù)據(jù)，極限荷載和極限撓度取荷載撓度曲線上的峰值荷載和對應(yīng)的撓度。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 開裂荷載

標(biāo)準(zhǔn)混凝土梁B0和預(yù)應(yīng)力混凝土梁PB2，PB5只有預(yù)應(yīng)力CFRP筋的初始張拉應(yīng)力不同，配筋和混凝土強(qiáng)度完全一樣。圖6為初始張拉應(yīng)力對混凝

表4試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4Experiment Results

梁編號 開裂荷載/kN 屈服荷載/kN 屈服位移/mm 極限荷載/kN 極限撓度/mm 延性系數(shù) 破壞形態(tài)

[BHDG5mm]B0 15.0093.00 10.07 104.01 69.93 7.77 混凝土壓碎

PB1 17.00 127.04 10.87 129.95 12.96 1.22 錨具滑移

PB2 30.00 132.86 11.28 167.44 35.73 3.99 混凝土壓碎

PB3 25.00 141.14 12.46 158.52 19.92 1.80 混凝土壓碎

PB4 20.00 131.22 12.20 150.15 29.33 2.75 混凝土壓碎

PB5 45.00 151.15 11.28 172.90 29.03 2.94 混凝土壓碎

圖6初始張拉應(yīng)力對開裂荷載的影響

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

土梁開裂荷載的影響，其中，σ0為初始張拉應(yīng)力。由表4和圖6可以看出，預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的開裂荷載主要與預(yù)應(yīng)力的大小有關(guān)，而與混凝土強(qiáng)度和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋關(guān)系不太大。

3.3.2 延性系數(shù)

圖7為初始張拉應(yīng)力對延性系數(shù)的影響。由圖7可以看出，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的綜合延性系數(shù)要比對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)混凝土梁的小。預(yù)應(yīng)力混凝土梁PB5的初始張拉應(yīng)力最大，其極限荷載和開裂荷載也最大，但是其綜合延性系數(shù)卻不是最大的，所以要提高預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的綜合延性系數(shù)還需綜合考慮其受力性能。

圖7初始張拉應(yīng)力對延性系數(shù)的影響

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

圖8，9分別為受拉區(qū)配筋率和混凝土強(qiáng)度對延性系數(shù)的影響。由表4和圖8，9可以看出，受拉區(qū)

圖8受拉區(qū)配筋率對延性系數(shù)的影響

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

圖9混凝土強(qiáng)度對延性系數(shù)的影響

Fig.9Influence of Concrete Strength on Ductility Factor

配筋率和混凝土強(qiáng)度對延性系數(shù)的影響較大，增加受拉區(qū)鋼筋的配筋率，可以增加預(yù)應(yīng)力混凝土梁的延性。由于混凝土材料的離散性及梁PB3強(qiáng)度較低，混凝土強(qiáng)度對預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁延性系數(shù)的影響還需進(jìn)一步研究。

3.3.3 極限荷載

圖10為初始張拉應(yīng)力對極限承載力的影響。由圖10可以看出，初始張拉應(yīng)力由0.62fpu提高到0.73fpu，極限承載力只提高了3.26%，影響效果不太明顯。圖11，12分別為受拉區(qū)配筋率和混凝土強(qiáng)度對極限荷載的影響。由圖11,12可以看出，混凝土強(qiáng)度對預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁極限荷載的影響不太明顯，而非預(yù)應(yīng)力鋼筋對極限荷載的影響?yīng)┹^大。

圖10初始張拉應(yīng)力對極限荷載的影響

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

圖11受拉區(qū)配筋率對極限荷載的影響

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

圖12混凝土強(qiáng)度對極限荷載的影響

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

4 承載力計(jì)算

目前關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力的計(jì)算還沒有形成統(tǒng)一的結(jié)論，筆者基于預(yù)應(yīng)力FRP筋的應(yīng)力增量與構(gòu)件跨中撓度之間接近直線關(guān)系，推導(dǎo)了體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋極限應(yīng)力的簡化計(jì)算方法［16］，計(jì)算模型如圖13所示，其中，L為跨徑，ep為預(yù)應(yīng)力FRP筋在跨中截面偏心距，Δ為跨中撓度，θ為角度。

圖13計(jì)算模型

Fig.13Calculation Model

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋的極限應(yīng)力計(jì)算公式為

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為相鄰錨具間距；Ep為預(yù)應(yīng)力FRP筋的彈性模量;fpe為有效預(yù)應(yīng)力；hp為預(yù)應(yīng)力FRP筋合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離；εcu為混凝土極限抗壓應(yīng)變，計(jì)算中取εcu=0.003；k為荷載形式及支座約束情況的系數(shù)，可以從設(shè)計(jì)手冊中查得，簡支梁三分點(diǎn)對稱加載取k=0.106 5，簡支梁跨中一點(diǎn)加載取[JP2]k=0.083 3，兩跨連續(xù)梁對稱跨中加載取k=0.058 1；[JP]q0為混凝土受壓區(qū)高度c與hp的比值。

q0的計(jì)算公式為

[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分別為預(yù)應(yīng)力CFRP筋和受拉鋼筋的面積；fy為受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度；b為混凝土梁截面寬度；f′c為混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度。

下面分別采用中國《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 92—2004）公式［17］、美國規(guī)范ACI 440.4R04公式［18］和文獻(xiàn)［16］中的簡化公式對試驗(yàn)梁的承載力進(jìn)行計(jì)算，各公式計(jì)算結(jié)果的比較如表5所示。由表5可知，采用文獻(xiàn)［16］中的公式計(jì)算無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁極限荷載，其計(jì)算值與實(shí)測值比值的平均值為0.947，標(biāo)準(zhǔn)差為0.013，與實(shí)際結(jié)果較為接近。計(jì)算結(jié)果雖然沒有美國規(guī)范公式準(zhǔn)確，但是計(jì)算過程卻更簡單。

表5各公式計(jì)算結(jié)果的比較

Tab.5Comparison of Different Calculation Formulae

梁編號 P1/kN

JGJ 92—2004公式結(jié)果 ACI 440.4R04公式結(jié)果 文獻(xiàn)［16］中的簡化公式結(jié)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

標(biāo)準(zhǔn)差 0.0220.0140.013

注：P1為極限荷載實(shí)測值；P2為JGJ 92—2004公式荷載計(jì)算值；[JP]P3為ACI 440.4R04公式荷載計(jì)算值；P4為文獻(xiàn)［16］中的簡化公式荷載計(jì)算值。

5 結(jié)語

通過4根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的抗彎極限破壞試驗(yàn)，驗(yàn)證了研發(fā)的預(yù)應(yīng)力CFRP筋錨具的可靠性。通過與非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁和鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行比較可知：預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁具有較好的受力性能和延性；非預(yù)應(yīng)力鋼筋對預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的延性和極限承載力有很大的影響；另外，文獻(xiàn)［16］中推導(dǎo)的簡化公式可以準(zhǔn)確地計(jì)算無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的極限荷載。目前關(guān)于體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的試驗(yàn)成果還較少，今后應(yīng)該進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究工作，采用不同的加載形式和截面形式，對文獻(xiàn)［16］中的簡化公式進(jìn)行驗(yàn)證。

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［17］JGJ 92—2004,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

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