局部配CFRP－PCPs復(fù)合筋混凝土梁受力性能試驗(yàn)

張 鵬，吳 兵，鄧 宇

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

局部配CFRP－PCPs復(fù)合筋混凝土梁受力性能試驗(yàn)

張 鵬，吳 兵，鄧 宇

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

針對(duì)局部 (跨中受拉區(qū)2 m范圍內(nèi))配碳纖維增強(qiáng)塑料預(yù)應(yīng)力混凝土棱柱體(CFRP－PCPs)復(fù)合筋的鋼筋混凝土梁進(jìn)行受力性能試驗(yàn)。分析了局部配CFRP－PCPs復(fù)合筋梁的受力過(guò)程、破壞模式，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和歸納分析，探討了不同復(fù)合筋數(shù)量和截面大小、CFRP筋預(yù)應(yīng)力大小對(duì)局部配CFRPPCPs梁的抗彎性能的影響。研究表明:局部配CFRP－PCPs復(fù)合筋梁表現(xiàn)出良好的受力性能;局部配置時(shí)，CFRP－PCPs復(fù)合筋的性能都能發(fā)揮良好。

CFRP－PCPs復(fù)合筋;局部配筋;鋼筋混凝土梁;靜力加載試驗(yàn)

0 引言

纖維增強(qiáng)聚合筋 (fiber reinforced polymer tendon，F(xiàn)RP)具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用，但FRP筋也存在一些重要的缺陷:首先，F(xiàn)PR筋為完全線彈性材料，直接應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中易發(fā)生脆性斷裂破壞;其次，彈性模量較普通鋼筋低，使得FRP構(gòu)件受力時(shí)撓度和裂縫較大;再次，抗剪強(qiáng)度低，在運(yùn)輸及施工過(guò)程中易受到損壞，且在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中使用時(shí)對(duì)錨具系統(tǒng)要求非常高，從而又限制了FRP筋在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的一些應(yīng)用［1－4］。鑒于此，本課題組率先在國(guó)內(nèi)提出了“CFRP－PCPs復(fù)合筋”概念。CFRP－PCPs復(fù)合筋(carbon fiber reinforced polymer prestressed concrete prisms)是由碳纖維筋(carbon fiber reinforced plastics)和高性能活性粉末混凝土(ultra-high performance concrete)這兩種材料所制成的一種具有預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的新型復(fù)合材料構(gòu)件(以下簡(jiǎn)稱“復(fù)合筋”)。它以碳纖維筋作為預(yù)應(yīng)力筋，以高性能活性粉末混凝土為澆灌材料，采用先張法工藝制作而成。集高性能活性粉末混凝土的超高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐久性、韌性和碳纖維筋的高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕等二者的優(yōu)勢(shì)性能于一體，因而在實(shí)際工程中具有較高的應(yīng)用前景。

與普通鋼筋相比，CFRP筋的生產(chǎn)制作工藝復(fù)雜，有些構(gòu)件采用的CFRP筋需要從國(guó)外進(jìn)口，造價(jià)偏高。若用于預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中時(shí)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力張拉且需專門研發(fā)與之配套的錨具，技術(shù)和工藝復(fù)雜。而本文提出的在混凝土純彎段非通長(zhǎng)配置CFRP－PCPs復(fù)合筋，不僅解決了現(xiàn)場(chǎng)張拉FRP筋帶來(lái)的不便，減少了在現(xiàn)場(chǎng)張拉的錨固問(wèn)題，以及附屬結(jié)構(gòu)被錨固后受荷載的不利影響，而且復(fù)合筋局部配置，大大減少了成本［5－7］。本文對(duì)1根通長(zhǎng)布置CFRP筋和4根局部配置復(fù)合筋的混凝土梁進(jìn)行彎曲受力性能試驗(yàn)。研究表明，在純彎段布置復(fù)合筋很好地提高了構(gòu)件的承載力及延性，同時(shí)改善了構(gòu)件的抗裂性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

CFRP－PCPs復(fù)合筋是指CFRP筋與高性能活性粉末混凝土組合在一起的筋材。其具體制作工藝:采用建筑膠粘結(jié)，將截好尺寸的CFRP筋兩端安裝上錨具;固定在張拉臺(tái)上，并使CFRP筋縱向中心線與模具的縱向中心線在同一平面上;對(duì)CFRP筋采取分級(jí)張拉方法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，待張拉過(guò)的CFRP筋穩(wěn)定后將事先攪拌好的高性能混凝土澆筑在模具內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行振搗，達(dá)到振搗要求后，再進(jìn)行抹平。待室內(nèi)養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后放張CFRP筋。

混凝土:本次試驗(yàn)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，CFRP－PCPs復(fù)合筋的澆筑混凝土采用高性能活性粉末混凝土，由柳州OVM公司提供?；炷罜50、高性能活性粉末混凝土的材性試驗(yàn)均嚴(yán)格根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—1992)的相關(guān)規(guī)定及要求進(jìn)行試驗(yàn)。混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Mechanical properties of concrete

筋材:試件所需的CFRP－PCPs復(fù)合筋中的預(yù)應(yīng)力CFRP筋直徑為!7，該預(yù)應(yīng)力筋及其錨具由柳州OVM公司提供。CFRP筋的材料性能取同批CFRP筋的材性試驗(yàn)值。非預(yù)應(yīng)力筋、構(gòu)造筋、箍筋均采用由特定公司提供并委托進(jìn)行了材性試驗(yàn)的普通鋼筋，本文中直接引用了試驗(yàn)結(jié)果。CFRP筋、普通鋼筋的力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 筋材的力學(xué)指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of bars

粘結(jié)材料［9］:CFRP筋兩端的錨具采用套筒式錨具，兩者采用灌漿式錨固，粘結(jié)材料采用柳州OVM公司提供的LNG灌漿料和環(huán)氧樹(shù)脂膠嚴(yán)格按照規(guī)定比例調(diào)膠。粘結(jié)材料是由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和石英砂3種材料攪拌而成，其各組分的質(zhì)量配合比為環(huán)氧樹(shù)脂∶固化劑∶石英砂=4∶1∶8。

1.2 試件的設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了5個(gè)試件，均為簡(jiǎn)支梁。圖1為試件簡(jiǎn)圖，試件的截面形狀均為矩形，截面尺寸為200 mm×300 mm，梁長(zhǎng)均為4 000 mm，端支座距梁的兩端分別為100 mm，以便試件安裝，跨度均取3 800mm，復(fù)合筋長(zhǎng)度為2 000 mm。根據(jù)不同截面面積和CFRP筋張拉控制應(yīng)力將復(fù)合筋編號(hào)PC1～PC3［9－12］，復(fù)合筋參數(shù)如表3所示。

表3 CFRP－PCPs復(fù)合筋參數(shù)Table 3 Detail of CFRP-PCPs bars

圖1 試件簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of specimens

受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋、受壓區(qū)鋼筋和箍筋都采用普通鋼筋。根據(jù)不同的復(fù)合筋型號(hào)及數(shù)量將試件編號(hào)為CBP-1～CBP-4。對(duì)比構(gòu)件為通長(zhǎng)配筋的后張法預(yù)應(yīng)力CFRP筋梁(編號(hào)CBP-5)，CFRP筋張拉控制應(yīng)力為40%σcon。試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 試件配筋表Table 4 Bars of specimens

1.3 試驗(yàn)方法

采用從美國(guó)MTS公司引進(jìn)的MTS電液伺服加載系統(tǒng)分級(jí)加載。在試件出現(xiàn)裂縫之前，取每2 kN為一個(gè)加載等級(jí)，試件開(kāi)裂后，取每10 kN為一個(gè)加載等級(jí)［9－10］，加載簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 加載簡(jiǎn)圖Fig.2 Loading figure

根據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)康模枰獪y(cè)量的數(shù)據(jù)如下［11］: 1)應(yīng)變:主要測(cè)量跨中鋼筋應(yīng)變、復(fù)合筋中CFRP筋的應(yīng)變、CFRP－PCPs復(fù)合筋中高性能活性粉末混凝土應(yīng)變 、混凝土應(yīng)變;2)撓度:跨中撓度、支座沉降;3)荷載:分級(jí)加載荷載。

試件梁混凝土表面位移測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、復(fù)合筋中CFRP筋通長(zhǎng)布置的CFRP筋以及縱向普通鋼筋上的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

5根混凝土梁的破壞形態(tài)如圖4所示，其中4根局部配復(fù)合筋梁的發(fā)展特點(diǎn)相近，且所有試驗(yàn)梁均表現(xiàn)為CFRP筋被拉斷后梁上表面受壓混凝土壓碎的破壞模式。以CBP-4梁和CBP-5梁為代表介紹其加載過(guò)程和試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖3 位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangement of displacement and strainmeasuring points

CBP-4梁在加載之初，梁整體處于彈性變形階段中，荷載持續(xù)增加，梁底部下邊緣混凝土的拉應(yīng)變同時(shí)隨之增大:當(dāng)加載到19 kN時(shí)，梁底部混凝土拉應(yīng)變接近極限狀態(tài)，在跨中純彎區(qū)臨近中間的位置首先開(kāi)裂，出現(xiàn)了一條短而細(xì)的裂紋，高度為20 mm，約為梁高的1/13，測(cè)量裂縫寬度為0.04 mm，此時(shí)梁的撓度比開(kāi)裂前在同級(jí)荷載下有了明顯的增大;持續(xù)加載，不斷有新的細(xì)小裂縫出現(xiàn)，最早出現(xiàn)的裂縫寬度不斷增大同時(shí)高度向上發(fā)展，這個(gè)階段梁進(jìn)入帶裂紋的彈塑性工作狀態(tài);當(dāng)加載至113.2 kN時(shí)，裂縫數(shù)不再增加，裂縫總條數(shù)為26條，其最大寬度為0.725 mm，總的來(lái)說(shuō)，裂縫分布較為均勻。隨著荷載的增加，裂縫的高度、寬度仍處于繼續(xù)增加的狀態(tài):荷載至116.4 kN時(shí)，26條裂縫高度達(dá)到梁高的4/5，斜裂縫轉(zhuǎn)向沿水平方向向中間擴(kuò)展;荷載加至126 kN時(shí)，最大裂縫寬度為1 mm，同時(shí)梁不時(shí)發(fā)出“嘭嘭”的細(xì)微響聲;荷載加至128 kN時(shí)，突然發(fā)出“嘭”的一聲巨響，在梁上表面受壓區(qū)出現(xiàn)混凝土被壓碎進(jìn)而隆起，與此同時(shí)梁的承載能力迅速降低，此時(shí)，梁呈極限破壞狀態(tài)。

CBP-5梁在加載初期與CBP-4相近，直到加載到25.31 kN時(shí)，在梁的底部側(cè)面首先開(kāi)裂，出現(xiàn)了第1條細(xì)而小裂縫，高度為10 mm，寬度為0.02 mm;繼續(xù)加載，到35 kN時(shí)，在錨具處有輕微響聲，裂縫由1條增加到6條，主裂縫最大寬度為0.035 mm，最高高度為梁高的1/2;直至荷載加載到65 kN時(shí)，突然一聲尖銳的響聲，這時(shí)梁一端錨具脫錨，同時(shí)裂縫高度迅速發(fā)展，承載力也緊跟著下降，繼續(xù)施加荷載，裂縫條數(shù)繼續(xù)增加，同時(shí)裂縫的寬度和高度也在增加;當(dāng)荷載達(dá)到97.35 kN時(shí)，裂縫的數(shù)量不再增加，高度和寬度繼續(xù)發(fā)展，此時(shí)鋼筋屈服，荷載的承擔(dān)主要是CFRP筋，故此時(shí)梁的剛度下降較多，表現(xiàn)出較大的變形;隨著荷載繼續(xù)加大，伴隨著輕微的“嘭嘭”聲，支座處也有混凝土渣飛出，當(dāng)荷載達(dá)到120 kN時(shí)，混凝土梁受壓區(qū)有混凝土剝落，試件破壞。

圖4 CBP各梁破壞形態(tài)Fig.4 Failuremodes of CBP beams

對(duì)比可知，局部配復(fù)合筋混凝土梁與配CFRP筋混凝土梁相比，撓度變形小于后者，裂縫分布較后者均勻，且發(fā)展也較為緩慢。裂縫總體高度發(fā)展較低，尤其是后期發(fā)展緩慢，繼續(xù)發(fā)展高度有限。

2.2 荷載－撓度曲線

圖5 荷載－跨中撓度曲線Fig.5 Relationship between load and mid-span deflection

所有試件的荷載－撓度曲線圖如圖5所示。可以看出:配有復(fù)合筋的試件相對(duì)于配有CFRP筋的試件，試件屈服前的撓度變化情況要好，同時(shí)加載前期表現(xiàn)出良好的彈塑性，這表明復(fù)合筋中的高性能活性粉末混凝土發(fā)揮了良好的作用，它含有鋼纖維，并且不含粗骨料，與CFRP筋及普通混凝土粘結(jié)較好，可以與CFRP筋協(xié)同工作。使得試件屈服后，配有復(fù)合筋的試件存在較為明顯的屈服平臺(tái)，表現(xiàn)出較好的延性及耗能性能;配有復(fù)合筋的試件相對(duì)于配有CFRP筋的試件，開(kāi)裂荷載有一定差距。但在試件開(kāi)裂后，配有復(fù)合筋的試件開(kāi)始顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，極限承載力有較大的提高，在加載到相同荷載時(shí)，配有復(fù)合筋的試件的撓度比配有預(yù)應(yīng)力CFRP筋的試件小很多，復(fù)合筋增強(qiáng)了截面剛度，在達(dá)到極限荷載前試件的撓度降低;比較試件CBP-1、CBP-2、CBP-3、CBP-4曲線發(fā)現(xiàn)，試件變形性能隨著復(fù)合筋的張拉控制應(yīng)力和復(fù)合筋截面尺寸的增加而提高，張拉控制應(yīng)力的大小是關(guān)鍵因素。

2.3 裂縫分析

圖6 各試件荷載－裂縫寬度(a)與主裂縫荷載－裂縫高度(b)關(guān)系曲線Fig.6 Relationship among load and crack width(a)，and crack height(b)

試件的荷載與裂縫寬度、高度關(guān)系曲線如圖6所示?？梢?jiàn)，所有構(gòu)件裂縫高度及寬度發(fā)展較慢，裂縫總條數(shù)較多，平均間距小，裂縫總體上發(fā)展及分布較均勻。復(fù)合筋與混凝土的粘結(jié)能阻止裂縫的發(fā)展且能傳遞應(yīng)力。對(duì)比試件CBP-1與CBP-4的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線可以發(fā)現(xiàn):在加載前期，試件CBP-1的開(kāi)裂荷載為18.15 kN，試件CBP-4的開(kāi)裂荷載為19 kN，兩者開(kāi)裂荷載相近;在相同的荷載等級(jí)下，試件CBP-1的裂縫寬度以及高度都要小于試件CBP-4，且前期裂縫發(fā)展較為緩慢，在加載后期，兩者的寬度與高度都有了較多變化，雖然梁CBP-1的裂縫高度略高于梁CBP-4的裂縫高度，但發(fā)展的速率要較后者平穩(wěn)。以上現(xiàn)象說(shuō)明，提高復(fù)合筋中CFRP筋的張拉應(yīng)力能夠較好地發(fā)揮阻止裂縫發(fā)展作用。對(duì)比試件CBP-4和試件CBP-2的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線發(fā)現(xiàn):在整個(gè)加載過(guò)程中，試件CBP-2的裂縫寬度遠(yuǎn)小于試件CBP-4的裂縫寬度，且裂縫寬度較試件CBP-4的發(fā)展平穩(wěn)、緩慢，裂縫發(fā)展的高度相近。從總體來(lái)看，試件CBP-2的裂縫總數(shù)為36條，而試件CBP-4的總數(shù)為26條，前者比后者裂縫間距小，分布更為均勻。這是因?yàn)樵黾恿藦?fù)合筋的數(shù)量，有效地阻止了裂縫的發(fā)展，尤其是在加載后期復(fù)合筋起到了關(guān)鍵作用，與混凝土表現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能，從而使梁整體的破壞趨于平緩。故此，隨著復(fù)合筋數(shù)量的增加，可以增強(qiáng)構(gòu)件的阻裂能力;但考慮到到構(gòu)件的延性問(wèn)題，建議在放置復(fù)合筋的同時(shí)放置普通鋼筋，以保證構(gòu)件的延性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)試件CBP-4和CBP-2的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線兩者無(wú)論是在裂縫寬度還是在裂縫高度上都比較接近，裂縫總體分布也比較相似，后者裂縫高度略高，是因?yàn)楹笳吲c混凝土的接觸面積略大，對(duì)其阻裂性能有一定的影響?？梢?jiàn)，加大復(fù)合筋的截面面積對(duì)構(gòu)件的裂縫發(fā)展沒(méi)有太明顯的效果。對(duì)比試件CBP-4和CBP-5的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線發(fā)現(xiàn):兩者裂縫寬度曲線發(fā)展趨勢(shì)幾乎重合，裂縫高度試件CBP-4的要略高于試件CBP-5，這是由于后者為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，加載過(guò)程中對(duì)試件CBP-5施加的預(yù)應(yīng)力很好地發(fā)揮了阻止裂縫發(fā)展的效果;但在試件CBP-4的破壞過(guò)程中可以看到明顯的過(guò)程加載，這證明復(fù)合筋可以保證構(gòu)件的延性。

2.4 上緣混凝土－荷載應(yīng)變

試件混凝土受壓區(qū)荷載－壓應(yīng)變曲線如圖7所示。當(dāng)試件開(kāi)裂之前，試件處于彈性階段，下緣混凝土沒(méi)有開(kāi)裂，上緣混凝土梁應(yīng)變與荷載近似呈線性關(guān)系。當(dāng)試件開(kāi)裂后直至屈服，試件進(jìn)入彈塑性階段:隨著下緣混凝土的裂縫迅速向上延伸，裂縫寬度變大，試件上緣混凝土應(yīng)變?cè)黾铀俣让黠@加快，表現(xiàn)出應(yīng)變和荷載呈非線性關(guān)系。當(dāng)試件屈服后，受壓區(qū)高度減小，微量的荷載變化，就可導(dǎo)致試件上緣混凝應(yīng)變大幅度的改變。綜上可以看出，各試件受壓區(qū)混凝土破壞時(shí)壓應(yīng)變尚未達(dá)到其極限壓應(yīng)變，這種現(xiàn)象與試件受壓破壞的試驗(yàn)現(xiàn)象并不吻合，分析其可能原因在于由于受試驗(yàn)條件的制約，導(dǎo)致受壓混凝土破壞區(qū)域并不在跨中的測(cè)點(diǎn)位置。

總體上，局部配復(fù)合筋梁開(kāi)裂前處于彈性階段，曲線呈線性關(guān)系;局部配復(fù)合筋梁屈服即進(jìn)入彈塑性階段，裂縫的寬度和高度不斷增加，此時(shí)梁頂部混凝土應(yīng)變?cè)黾恿孔兇?，曲線表現(xiàn)出非線性關(guān)系。

2.5 鋼筋的荷載－應(yīng)變特征

跨中受拉區(qū)非預(yù)應(yīng)力鋼筋荷載－應(yīng)變曲線如圖8所示。在試件屈服時(shí)，鋼筋屈服點(diǎn)應(yīng)變?cè)? 200με左右，與理論屈服應(yīng)變相接近，可理想地認(rèn)為，此次試驗(yàn)中所有試件的鋼筋均已達(dá)到屈服強(qiáng)度。配有復(fù)合筋的試件非預(yù)應(yīng)力鋼筋在構(gòu)件破壞時(shí)拉應(yīng)變已達(dá)到理論屈服強(qiáng)度，鋼筋應(yīng)力超過(guò)本次試驗(yàn)所用鋼筋的平均極限強(qiáng)度，因此在計(jì)算復(fù)合筋承載力時(shí)，應(yīng)取鋼筋的極限強(qiáng)度。在加載相同荷載下，配有復(fù)合筋的試件鋼筋屈服比配有預(yù)應(yīng)力 CFRP筋試件要早，并且配有預(yù)應(yīng)力CFRP筋的試件在鋼筋屈服以后很快被破壞，但配有復(fù)合筋的試件在鋼筋屈服后還可以有很長(zhǎng)的屈服平臺(tái)，說(shuō)明了復(fù)合筋可以與鋼筋協(xié)同，共同完成承擔(dān)荷載的任務(wù)，從而提高了鋼筋的利用效率。

2.6 復(fù)合筋中CFRP筋荷載－應(yīng)變特征

圖7 混凝土上緣荷載－應(yīng)變曲線Fig.7 Strain responses of concrete in specimens

圖8 鋼筋荷載－應(yīng)變曲線Fig.8 Strain responses of steel bar in specimens

圖9 預(yù)應(yīng)力筋荷載－應(yīng)變曲線Fig.9 Strain responses of prestressing CFRP bars tendons

復(fù)合筋中CFRP筋跨中受荷載影響曲線圖9所示，CFRP筋的應(yīng)變曲線大致也可分為3個(gè)階段:第1階段，配有復(fù)合筋和配有CFRP筋的試件在混凝土梁開(kāi)裂以前，試件均處于彈性階段，混凝土尚未開(kāi)裂，預(yù)應(yīng)力CFRP筋應(yīng)變與荷載近似呈線性關(guān)系;第2階段，梁底混凝土開(kāi)裂之后，配有復(fù)合筋的試件，主要是鋼筋和復(fù)合筋共同受力，而復(fù)合筋內(nèi)部的CFRP筋也隨加載級(jí)數(shù)的增加逐漸開(kāi)始承擔(dān)荷載作用，所以曲線斜率增大，且出現(xiàn)非線性區(qū)段。對(duì)于配有預(yù)應(yīng)力CFRP筋的試件，主要由鋼筋和CFRP筋共同承擔(dān)荷載作用，CFRP筋曲線斜率較大，應(yīng)變和荷載呈非線性關(guān)系;第3階段，鋼筋屈服以后，CFRP筋承擔(dān)了大部分的荷載，直至試件最后破壞，在這一階段荷載增量極小的情況下，CFRP筋應(yīng)變?cè)黾恿繒?huì)有較大的改變，曲線斜率明顯變大。

對(duì)比配有相同的張拉應(yīng)力但不同復(fù)合筋根數(shù)的試件CBP-2、CBP-4，在普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到屈服時(shí)，試件CBP-2中CFRP筋的應(yīng)變?cè)隽看笥谠嚰﨏BP-4中CFRP筋的應(yīng)變?cè)隽?，其原因主要?試件CBP-2比試件CBP-4中多1根復(fù)合筋，但相應(yīng)地減少了普通鋼筋，故試件 CBP-2中的CFRP筋需要承擔(dān)比試件CBP-4中CFRP筋更多的應(yīng)力;試件CBP-2中配有2根復(fù)合筋，CFRP筋有效地與高強(qiáng)混凝土工作。

對(duì)于復(fù)合筋中CFRP筋不同控制拉應(yīng)力，配筋相同的試件CBP-1和試件CBP-4相比，當(dāng)達(dá)到屈服荷載時(shí)，試件CBP-1中CFRP的筋應(yīng)變略小于試件CBP-4的，提高復(fù)合筋中CFRP的控制拉應(yīng)力，復(fù)合筋參與更多受力行為，因此，提高復(fù)合筋中CFRP筋的張拉應(yīng)力可以提高復(fù)合筋的利用率。

而對(duì)復(fù)合筋截面面積不同的試件CBP-3和試件CBP-4相比，當(dāng)達(dá)到屈服荷載時(shí)，試件CBP-4中CFRP筋的應(yīng)變是略小于試件CBP-3中CFRP筋的應(yīng)變。提高復(fù)合筋中截面尺寸，對(duì)試件的開(kāi)裂彎矩沒(méi)有太大影響，但加大復(fù)合筋的截面面積使更多的高性能混凝土參與CFRP筋協(xié)同工作，對(duì)其極限承載力貢獻(xiàn)力量，參與更多受力行為，提高復(fù)合筋中CFRP筋的張拉應(yīng)力可以提高復(fù)合筋的利用率。

2.7 復(fù)合筋表面荷載－應(yīng)變特征

復(fù)合筋上下緣混凝土應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線如圖10所示。此次試驗(yàn)中復(fù)合筋上下緣均受拉，且在整個(gè)受力過(guò)程中下緣應(yīng)變較上緣的應(yīng)變大;試件從開(kāi)裂直至破壞，復(fù)合筋上下緣的荷載－應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的非線性，荷載－應(yīng)變曲線直到構(gòu)件破壞都表現(xiàn)為類似的變化曲線;在極限階段，復(fù)合筋下緣開(kāi)裂時(shí)，復(fù)合筋上緣應(yīng)變較下緣的應(yīng)變較小，說(shuō)明試件在復(fù)合筋下部開(kāi)裂后，CFRP筋承擔(dān)了主要荷載，試件中復(fù)合筋截面尺寸較CFRP筋大，且試件的破壞模式為CFRP筋未拉斷的受壓破壞，因此直至構(gòu)件破壞均由CFRP筋在工作，復(fù)合筋上部混凝土受力較小。通過(guò)試驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析一直到構(gòu)件破壞，復(fù)合筋中的高性能混凝土在受力過(guò)程中起到了顯著的作用，但上部的高性能混凝土應(yīng)變較小，對(duì)承載力的貢獻(xiàn)較小，故過(guò)量的增加截面尺寸是不合理的。對(duì)比試件可以看出，增加復(fù)合筋中CFRP筋的張拉控制應(yīng)力會(huì)使復(fù)合筋上下緣受力差別減小。

3 結(jié)論

(1)局部配復(fù)合筋混凝土梁表現(xiàn)出良好受力性能，不僅在正常使用極限狀態(tài)而且在承載力極限狀態(tài)下，局部配復(fù)合筋混凝土梁的受力性能都發(fā)揮良好。

(2)提高復(fù)合筋中CFRP筋的預(yù)應(yīng)力可以提高復(fù)合筋的開(kāi)裂荷載和改善CFRP梁在正常使用階段的受力性能。

(3)增加復(fù)合筋數(shù)量也可以在一定程度上提高構(gòu)件的極限承載力，同時(shí)減少構(gòu)件的撓度。配有復(fù)合筋梁的撓度均小于CFRP梁的撓度。

圖10 CFRP－PCPs復(fù)合筋表面荷載－應(yīng)變曲線Fig.10 Strain responses of CFRP-PCPs bars in specimens

(4)從裂縫分布上觀察，配有復(fù)合筋的試件總體上裂縫分布較為均勻，在復(fù)合筋開(kāi)裂前，與僅配有CFRP筋的試件相比，裂縫寬度較小。在復(fù)合筋開(kāi)裂以后裂縫發(fā)展情況要比后者明顯，其原因是在復(fù)合筋開(kāi)裂后主要是由CFRP筋承擔(dān)荷載，但本試驗(yàn)的試件均采用局部配復(fù)合筋，此時(shí)釋放出的預(yù)應(yīng)力相較于通長(zhǎng)配筋有所降低，故裂縫寬度要略大于后者。

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Experiment on the behavior of partial reinforced concrete beam w ith CFRP-PCPs reinforcement

ZHANG Peng，WU Bing，DENG Yu
(College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

In this paper，themechanical behavior of concrete beam which is reinforced by CFRP-PCPs within the range of twometers of the compression zone in themid-span is studied．Based on the test values of the specimens，the detail studies on flexural behavior and failuremodes are conducted．Through the reorganization and induction of the experiment data，the influence of sectional dimensions and quantity of the CFRP-PCPs and the prestressed of CFRP on the flexural performance are discussed．Experiments show that partial reinforced concrete beam with CFRP-PCPs reinforcement shows good mechanical performance，and the CFRP-PCPs can play a good performance when reinforced in the beams．

CFRP-prestressed concrete prisms;partial reinforced;concrete beam;static loading test

TU375.1

:A

2015－05－06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (51168006;51108099);廣西自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目 (2012GXNSFBA053159)

張 鵬 (1967—)，男，博士，教授，研究方向:CFRP材料在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，gxutzp@126.com。

張鵬，吳兵，鄧宇．局部配CFRP－PCPs復(fù)合筋混凝土梁受力性能試驗(yàn)［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(4):713－720．

1674－9057(2016)04－0713－08

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.011