黃正猛, 方志, 賈理
(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082)
混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)今世界土木工程中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一,但普通混凝土結(jié)構(gòu)普遍面臨結(jié)構(gòu)自重大、易開(kāi)裂、耐久性差等問(wèn)題。因此降低結(jié)構(gòu)自重、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性成為現(xiàn)今土木工程發(fā)展中的重要研究課題。
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)基于最大密實(shí)度理論配置,具有超高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗拉強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)異的耐久性、熱養(yǎng)護(hù)后基本無(wú)收縮且徐變大幅降低等特性,RPC也由此被歸于超高性能混凝土范疇并被視為新一代水泥基材料,在土木工程中具有良好的應(yīng)用前景,有望取代普通混凝土應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)。采用高強(qiáng)RPC可形成輕薄構(gòu)件,從而顯著降低結(jié)構(gòu)自重,并大幅提高結(jié)構(gòu)耐久性。
雖然薄腹RPC梁能顯著增大結(jié)構(gòu)的跨越能力、提高結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性,但較小的壁厚往往導(dǎo)致體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋難以布置,使得結(jié)構(gòu)尺寸多由構(gòu)造要求而非受力要求所決定,此時(shí),采用體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)不失為一種更加合理的選擇,但傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中采用的鋼制預(yù)應(yīng)力筋普遍存在耐久性能和抗疲勞性能不足的問(wèn)題。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有強(qiáng)度高、重量輕、免銹蝕及抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn),可望成為傳統(tǒng)鋼制體外預(yù)應(yīng)力筋的潛在替代品,并與RPC一道,形成一種結(jié)構(gòu)性能和耐久性能優(yōu)良的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)RPC和CFRP的工程應(yīng)用已進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。余自若等進(jìn)行了不同配筋率下的RPC梁抗彎試驗(yàn)研究,表明RPC梁的開(kāi)裂荷載較普通混凝土高,但無(wú)配筋RPC梁仍表現(xiàn)出“少筋”破壞特點(diǎn);孟履祥等通過(guò)試驗(yàn)研究了配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋部分預(yù)應(yīng)力普通混凝土梁的受力性能,表明梁具有較好的延性和耗能能力;方志等對(duì)CFRP預(yù)應(yīng)力RPC梁的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,表明CFRP預(yù)應(yīng)力RPC梁具有期望的裂縫分布及破壞形態(tài);Nabil F. Grace對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋普通混凝土梁的抗疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋具有良好的抗疲勞性能。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)RPC和CFRP受力性能的研究主要集中在普通配筋RPC結(jié)構(gòu)、體內(nèi)CFRP預(yù)應(yīng)力配筋普通混凝土結(jié)構(gòu)、體內(nèi)CFRP預(yù)應(yīng)力配筋RPC結(jié)構(gòu)及體外CFRP預(yù)應(yīng)力配筋普通混凝土結(jié)構(gòu)方面,而對(duì)體外配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋RPC結(jié)構(gòu)受力性能的研究仍鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。另外,根據(jù)現(xiàn)有研究成果,RPC中由于高強(qiáng)鋼纖維的添加,使得其具有較高的抗拉和抗剪強(qiáng)度,在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中能夠直接承受較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,因此對(duì)于普通鋼筋RPC梁和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力RPC梁,可以取消梁內(nèi)的受剪鋼筋和后者體內(nèi)的普通受拉鋼筋,但此舉對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力RPC梁是否合適還有待研究?;谏鲜鰞煞矫娴目紤],該文以預(yù)應(yīng)力度為試驗(yàn)參數(shù),對(duì)兩根體外配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋RPC梁的抗彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,以期明確這種梁的受力變形特征。
試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了兩根體外配置CFRP預(yù)應(yīng)力筋的RPC簡(jiǎn)支T梁,如圖1所示。梁長(zhǎng)為2.44 m,計(jì)算跨徑為2.26 m,梁高為0.2 m,跨高比為11.3。體外布置兩根直線形CFRP預(yù)應(yīng)力筋,轉(zhuǎn)向器設(shè)置在梁跨中位置處,與CFRP預(yù)應(yīng)力筋的接觸面為馬鞍形不銹鋼片,曲率半徑為40 cm。試驗(yàn)參數(shù)預(yù)應(yīng)力度PPR[PPR=Apffp/(Apffp+Asfy),Ap和As分別為CFRP預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力受拉鋼筋的面積,ffp和fy分別為CFRP筋抗拉強(qiáng)度和鋼筋屈服強(qiáng)度]分別為1.0和0.71,PPR=1.0為梁內(nèi)未布置任何普通鋼筋的全預(yù)應(yīng)力梁,PPR=0.71為梁內(nèi)受拉區(qū)布置了兩根直徑為16 mm HRB400級(jí)非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力梁,試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。表中試件編號(hào)EB-C55-P100的意義為:EB表示體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁、C55表示張拉控制應(yīng)力為0.55ffp、P100表示預(yù)應(yīng)力度為1.0,剩余試件編號(hào)的意義類同。
表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)
RPC設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為150 MPa,配比為水泥∶水∶硅灰∶石英粉∶石英砂∶減水劑=1∶0.2∶0.25∶0.3∶1.1∶2.5%,水膠比為0.16,鋼纖維為鍍銅光面平直鋼纖維,體積摻量為2%。試件先自然養(yǎng)護(hù)48 h,然后再蒸氣養(yǎng)護(hù)72 h。采用邊長(zhǎng)100 mm的立方體測(cè)試強(qiáng)度等級(jí);100 mm×100 mm×300 mm試塊測(cè)試彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度,100 mm×100 mm×400 mm試塊測(cè)試抗折強(qiáng)度。實(shí)測(cè)RPC力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。
圖1 試件尺寸及配筋(EB-C55-P71)(單位:mm)
表2 實(shí)測(cè)RPC力學(xué)性能
體外預(yù)應(yīng)力筋采用圖2所示進(jìn)口7絲CFRP絞線,其單絲公稱直徑為4.18 mm,有效直徑為3.72 mm;整束絞線的公稱直徑為12.54 mm。CFRP預(yù)應(yīng)力筋采用RPC作為黏結(jié)介質(zhì)的黏結(jié)式錨具,實(shí)測(cè)CFRP筋及鋼筋性能參數(shù)見(jiàn)表3。
圖2 CFRP絞線筋(單位:mm)
表3 CFRP筋及鋼筋力學(xué)性能
預(yù)應(yīng)力筋采用圖3所示裝置,通過(guò)兩個(gè)千斤頂單端同步施加,由錨固端穿心式壓力傳感器測(cè)量張拉力。張拉過(guò)程中用位移計(jì)測(cè)量梁的反拱值,由粘貼于混凝土表面的應(yīng)變片測(cè)量跨中截面上、下緣縱向應(yīng)變,并根據(jù)實(shí)測(cè)彈性模量得到相應(yīng)應(yīng)力。試驗(yàn)梁張拉實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4,表中應(yīng)力和應(yīng)變記受拉為“+”,受壓為“-”。
圖3 預(yù)應(yīng)力張拉裝置(單位:mm)
表4 預(yù)應(yīng)力張拉試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)為跨中單點(diǎn)加載,采用液壓千斤頂分級(jí)控制加載,由布置于千斤頂上的壓力傳感器控制加載速率和荷載大小,均為單調(diào)加載。當(dāng)荷載降為峰值荷載的80%或受壓區(qū)混凝土壓碎時(shí)認(rèn)為試件破壞,主動(dòng)卸載。主要測(cè)試內(nèi)容有:梁體變形、體外預(yù)應(yīng)力增量、試件破壞形態(tài)等。加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。
試驗(yàn)梁主要測(cè)試結(jié)果及跨中截面荷載/彎矩-撓度(P-Δ)曲線分別如表5和圖5所示;梁破壞時(shí)控制截面的形態(tài)如圖6所示。
圖4 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置
表5 試驗(yàn)梁試驗(yàn)結(jié)果
從表5、圖5、6可見(jiàn):
對(duì)于體內(nèi)未配任何普通鋼筋的全預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P100,其受力破壞過(guò)程可分為3個(gè)階段:當(dāng)荷載施加到57.2 kN時(shí),跨中轉(zhuǎn)向塊邊緣截面受拉底緣應(yīng)變達(dá)到基體初裂應(yīng)變后基體開(kāi)裂(圖5荷載位移曲線中的A點(diǎn)),裂縫處的鋼纖維隨即發(fā)揮其橋接作用并對(duì)裂縫發(fā)展有所抑制,當(dāng)裂縫寬度發(fā)展至0.45 mm左右時(shí),伴隨著受拉區(qū)鋼纖維拔出的聲響,受拉邊緣鋼纖維作用逐漸消失,荷載達(dá)到峰值72.6 kN(圖5荷載位移曲線中的B點(diǎn)),較初始開(kāi)裂荷載增加26.9%,反映了鋼纖維的抗拉作用。此后裂縫寬度和跨中撓度發(fā)展速度加快,而荷載基本保持不變,過(guò)程中梁的受力近似于帶拉桿的扁拱,直至梁體斷裂破壞(圖5荷載位移曲線中的C點(diǎn)),荷載降為0。全預(yù)應(yīng)力梁表現(xiàn)出少筋梁的破壞特征,破壞模式為梁體沿主裂縫發(fā)生梁體斷裂破壞[圖6(a)],裂縫較為集中且發(fā)展速度快,破壞時(shí)梁跨中截面頂緣實(shí)測(cè)壓應(yīng)變?yōu)? 313 με,遠(yuǎn)未達(dá)到RPC的極限壓應(yīng)變(約為4 500 με)。
圖5 梁跨中受力-變形曲線
圖6 試件破壞形態(tài)
體內(nèi)外混合配筋的部分預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P71,其受力過(guò)程經(jīng)歷了RPC開(kāi)裂、體內(nèi)受拉鋼筋屈服和受壓邊緣RPC壓碎[圖6(b)],荷載/彎矩-撓度曲線近似呈三折線,表現(xiàn)出延性破壞特征,破壞時(shí)跨中截面頂緣壓應(yīng)變達(dá)到4 825 με。由于體內(nèi)鋼筋的抗拉作用遠(yuǎn)較RPC中的鋼纖維強(qiáng),使得基體開(kāi)裂后的截面剛度降低不太明顯,并掩蓋了鋼纖維抗拉作用退出后的反映。與全預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P100相比,部分預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P71的荷載-撓度曲線在基體開(kāi)裂前基本與全預(yù)應(yīng)力梁重合,但在開(kāi)裂后則表現(xiàn)出不同的受力現(xiàn)象,其裂縫數(shù)目明顯增多,分布范圍更大,極限荷載和極限撓度分別提高了88.7%和18.1%??梢?jiàn),僅摻入鋼纖維的全預(yù)應(yīng)力梁仍表現(xiàn)出少筋特征的脆性斷裂破壞,而配置了非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力梁不僅承載能力及變形能力明顯提高,且裂縫分布形態(tài)得以有效改善,發(fā)生延性破壞,為期望的破壞模式。因此,體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋RPC梁中,鋼纖維的摻入不能完全替代普通鋼筋的作用。
體外CFRP預(yù)應(yīng)力增量隨撓度的變化規(guī)律如圖7所示,應(yīng)力增量以有效預(yù)應(yīng)力為基點(diǎn)。
圖7 體外預(yù)應(yīng)力增量-跨中撓度曲線
由圖7可見(jiàn):加載前期由于預(yù)應(yīng)力施加引起梁體反拱,CFRP預(yù)應(yīng)力筋與跨中轉(zhuǎn)向器未接觸,致使體外預(yù)應(yīng)力增量隨跨中撓度變化較小。當(dāng)加載至CFRP預(yù)應(yīng)力筋與轉(zhuǎn)向器接觸后,體外預(yù)應(yīng)力增量與跨中撓度接近線性增長(zhǎng)關(guān)系。
全預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P100、部分預(yù)應(yīng)力梁EB-C55-P71極限狀態(tài)時(shí)體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量分別為415.3、503.3 MPa,部分預(yù)應(yīng)力梁較全預(yù)應(yīng)力梁增大了21.2%,這是因?yàn)椴糠诸A(yù)應(yīng)力梁破壞時(shí)具有更大的撓度。可見(jiàn),非預(yù)應(yīng)力鋼筋在改善體外預(yù)應(yīng)力梁變形能力的同時(shí),可提高體外CFRP筋的極限應(yīng)力增量,發(fā)揮CFRP筋的高強(qiáng)特性。
為了更好地研究體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋部分預(yù)應(yīng)力RPC梁的抗彎性能,通過(guò)編制非線性分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值參數(shù)分析。
分析過(guò)程中采用如下的基本假定:
(1) 結(jié)構(gòu)在變形后,截面應(yīng)變符合平截面假定(體外預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)變除外)。
(2) 體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋在轉(zhuǎn)向器處可以自由滑動(dòng),忽略摩擦產(chǎn)生的影響。
(3) CFRP筋為理想的線彈性材料,鋼筋為理想的彈塑性材料;RPC的本構(gòu)關(guān)系參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。
根據(jù)體外CFRP筋與跨中轉(zhuǎn)向器接觸點(diǎn)豎向變形協(xié)調(diào),可將試驗(yàn)梁簡(jiǎn)化為如圖8所示的計(jì)算模型,由幾何關(guān)系可求解體外預(yù)應(yīng)力增量。
圖8 計(jì)算模型
如圖8所示,據(jù)幾何關(guān)系可由式(1)、(2)分別近似計(jì)算梁端轉(zhuǎn)角θ和體外預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)量Δp:
(1)
(2)
則體外預(yù)應(yīng)力增量為:
(3)
式中:hp為跨中截面體外預(yù)應(yīng)力筋有效高度;c為跨中截面受壓區(qū)高度;δ為跨中截面撓度;Ep和Lp分別為體外預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量和錨固點(diǎn)間長(zhǎng)度。
試驗(yàn)梁的數(shù)值分析是基于梁截面的彎矩-曲率關(guān)系進(jìn)行的,分析時(shí)首先根據(jù)截面幾何條件、物理?xiàng)l件及內(nèi)力平衡條件,采用條帶分層法得到梁的全過(guò)程彎矩-曲率關(guān)系,然后由彎矩-曲率關(guān)系采用共軛梁法求解梁的荷載-撓度曲線關(guān)系,其中體外預(yù)應(yīng)力增量需按式(3)通過(guò)迭代計(jì)算求得。程序框架如圖9所示。
圖9 全過(guò)程分析流程圖
試驗(yàn)梁EB-C55-P71計(jì)算值與試驗(yàn)值比較如圖10所示。由圖10可見(jiàn):計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合,可以較好地描繪部分預(yù)應(yīng)力梁的加載過(guò)程。
數(shù)值分析選取的參數(shù)為有效預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力度、混凝土材性。參數(shù)分析時(shí)以梁EB-C55-P71為基準(zhǔn),若某一參數(shù)被選中,只改變選擇分析的參數(shù)取值,其余參數(shù)均與梁EB-C55-P71保持一致。
4.4.1 有效預(yù)應(yīng)力的影響
圖11反映了有效預(yù)應(yīng)力大小對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力RPC梁極限荷載、極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量的影響,橫坐標(biāo)表示預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力與CFRP筋抗拉強(qiáng)度的比值(RSFO),縱坐標(biāo)為模型梁的極限荷載(LOAD)、極限變形(DEF)和極限預(yù)應(yīng)力增量(STRE)與RSFO=0.05時(shí)的相應(yīng)值之比。
圖10 梁EB-C55-P71計(jì)算值與試驗(yàn)值比較
圖11 有效預(yù)應(yīng)力的影響
由圖11可以看出:隨著有效預(yù)應(yīng)力的增大,梁的極限荷載接近線性增加,而梁的極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量則線性減小,但變化幅度不同。當(dāng)RSFO從0.05增加至0.65,梁的極限荷載增大約27.6%,而極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量分別減小60.8%、65.9%。表明有效預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)梁極限變形和預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量的影響較極限荷載更為顯著。
4.4.2 預(yù)應(yīng)力度的影響
圖12反映了不同預(yù)應(yīng)力度對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力RPC梁極限荷載、極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量的影響,預(yù)應(yīng)力度的改變通過(guò)體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋面積的改變來(lái)實(shí)現(xiàn),保持預(yù)應(yīng)力筋不變。橫坐標(biāo)為預(yù)應(yīng)力度(PPR),縱坐標(biāo)為模型梁的極限荷載(LOAD)、極限變形(DEF)和極限預(yù)應(yīng)力增量(STRE)與PPR=0.5時(shí)的相應(yīng)值之比。
圖12 預(yù)應(yīng)力度的影響
由圖12可以看出:隨著預(yù)應(yīng)力度的增大,梁的極限荷載近似線性減小,而極限撓度和極限預(yù)應(yīng)力增量則線性增大,且變化幅度不同。當(dāng)預(yù)應(yīng)力度由0.5增大到0.9時(shí),梁的極限荷載減小約42.6%,而極限變形和極限預(yù)應(yīng)力增量分別增大232.1%、315.5%。可見(jiàn),預(yù)應(yīng)力度的改變對(duì)梁極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量的影響較極限荷載更加明顯,合適的預(yù)應(yīng)力度可保證梁在較高承載能力的前提下,具有較好的變形能力。
4.4.3 混凝土材性的影響
圖13為不同混凝土材性在不同預(yù)應(yīng)力度下對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力梁極限荷載、極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量的影響。“BC”表示普通混凝土梁,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80,其參數(shù)取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[11];“BR”表示RPC梁。圖中橫坐標(biāo)為預(yù)應(yīng)力度PPR,縱坐標(biāo)為極限荷載(LOAD)、極限變形(DEF)及極限預(yù)應(yīng)力增量(STRE)與PPR=0.5時(shí)“BR”梁的相應(yīng)值之比。
圖13 混凝土材性的影響
不同PPR下,所有體外CFRP預(yù)應(yīng)力模型梁均發(fā)生混凝土壓碎破壞,但普通混凝土梁均為超筋結(jié)構(gòu),破壞時(shí)體內(nèi)受拉鋼筋仍未屈服,而RPC梁均屬適筋結(jié)構(gòu)。
由圖13可見(jiàn):隨著PPR的增大,普通混凝土梁和RPC梁的極限荷載均在減小、極限變形和極限預(yù)應(yīng)力增量在增大,但變化幅度不同,且預(yù)應(yīng)力度的改變對(duì)RPC梁極限荷載、極限變形和極限預(yù)應(yīng)力增量的影響較普通混凝土梁更顯著。在PPR=0.5時(shí),RPC梁的極限荷載、極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量分別是普通混凝土梁的170.6%、182.7%、450.5%,而在PPR=0.9時(shí),相應(yīng)值分別為142.1%、366.1%、489.6%??梢?jiàn),RPC梁的承載能力和極限變形均較普通混凝土梁大幅提高,使得RPC梁中CFRP筋的高強(qiáng)特性更能有效發(fā)揮,這主要得益于RPC的高強(qiáng)(抗壓強(qiáng)度約為普通混凝土的3.2倍)及高極限壓應(yīng)變(約為普通混凝土的1.3倍)。
(1) 體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋全預(yù)應(yīng)力RPC梁發(fā)生少筋特征的脆性斷裂破壞,RPC中鋼纖維的摻入,雖然可使RPC基體開(kāi)裂后梁的承載能力和變形有所增加,但增加的幅度極為有限,且基本不改變梁的裂縫分布,不能改變梁體的脆性破壞特征。
(2) 體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋部分預(yù)應(yīng)力RPC梁,梁內(nèi)非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋的配置在改善裂縫分布形態(tài)的同時(shí),可使其獲得期望的延性破壞模式。RPC中鋼纖維的摻入對(duì)全預(yù)應(yīng)力梁正截面的抗彎性能改善作用極為有限,而體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力筋的相應(yīng)作用明顯,因此實(shí)際工程中的體外預(yù)應(yīng)力梁,不宜過(guò)高估計(jì)鋼纖維的作用而取消體內(nèi)非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置。
(3) 非線性數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,參數(shù)分析結(jié)果表明:對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),采用RPC比采用普通混凝土更能發(fā)揮CFRP筋的高強(qiáng)特性;相比于對(duì)極限荷載的影響,有效預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力度的改變對(duì)體外CFRP預(yù)應(yīng)力筋部分預(yù)應(yīng)力RPC梁極限變形及極限預(yù)應(yīng)力增量的影響更顯著。