预应力CFRP筋混凝土T梁受力性能试验研究_方志

第26卷第5期2005年10月

文章编号:1000-6869(2005)05-0066-08

建 筑 结 构 学 报JournalofBuildingStructures

Vol.26,No.5Oct12005

预应力CFRP筋混凝土T梁受力性能试验研究

方 志,杨 剑

(湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082)

摘要:本文对配置部分粘结和完全粘结预应力CFRP筋的部分预应力混凝土T梁进行了受力性能试验研究。根据试验结果对预应力CFRP筋混凝土T梁的受力过程、破坏模式、部分粘结筋应力增量以及裂缝分布等进行了较为详细的研究,对基于能量耗散的观点引入的延性指标进行了探讨,提出承载力计算公式,并对预应力CFRP筋混凝土梁的破坏模式、开裂弯矩、极限弯矩以及部分粘结筋的应力进行了预测。试验研究结果表明:部分粘结预应力CFRP筋混凝土梁与完全粘结预应力CFRP筋混凝土梁相比,前者具有更好的变形能力和延性性能而两者的极限承载能力相差较小;为避免CFRP配筋结构由于CFRP筋拉断而发生灾难性的破坏,CFRP配筋梁期望发生混凝土压碎破坏;采用本文方法计算得到预应力CFRP筋混凝土梁的破坏模式、开裂弯矩、极限弯矩以及CFRP筋的极限应力与试验结果吻合较好,计算结果具有较高的精度。

关键词:CFRP;预应力;混凝土;梁

中图分类号:TU37719 TU31711 文献标识码:A

ExperimentalstudyonbehaviorofconcreteTbeamprestressedwithCFRPtendons

FANGZhi,YANGJian

(SchoolofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:BasedonthetestedvaluesofT-beamsprestressedwithCFRPtendons,thedetailedstudiesontheflexuralbehavior,failuremodes,stressincrementinpartiallybondedtendonaswellasthecrackdistributionareconducted.Theductilityindexbasedonanenergyconceptisdiscussedandthecorrespondingformulasforpredictingfailuremodes,crackmoment,ultimatemomentofbeamsandthestressinpartiallybondedtendonareproposed.Itisshownfromthetestedvaluesthatpartiallybonded,partiallyprestressedconcretebeamshavebetterdeformationcapabilityandductilitythanthoseoffullybonded,partiallyprestressedconcretebeams,whiletheirdifferenceinultimatecapacityisquitesmall.ForconcretestructureprestressedbyCFRPtendons,itisexpectedthefailuremodetobeconcretecrushinginsteadofthecatastrophicruinduetofractureofCFRPtendons.Thepredictedvaluesofthefailuremode,thecrackmoment,ultimatemomentofbeamsandtheultimatestressinCFRPtendonareingoodagreementwiththeexperimentalresults.Itverifiesthatthecomputedvaluesareveryprecise.

Keywords:CFRP;prestress;concrete;beam

因素导致的结构耐久性问题甚至由此导致的结构失

1 概述

传统的配筋混凝土结构普遍面临由于钢筋锈蚀等

效,处于恶劣环境下的混凝土桥梁结构更是如此。减轻结构自重、增强结构的耐久性是目前配筋混凝土结构发展所面临的主要问题。早在20世纪60年代,人们就已开始寻求保护钢筋的办法,但并没有从根本上解决问题,如采用电镀保护膜和环氧树脂涂层[1],由于钢筋与保护膜之间的电解降低了抗腐蚀作用,这种方法很快失去了作用。直到纤维增强聚合物FRP(FiberReinforcedPolymer)的出现为从根本上解决由钢筋腐蚀

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478502),教育部优秀青年教师资助计划项目。

作者简介:方志(1963- ),男,湖北黄冈人,工学博士,教授。收稿日期:2005年4月

引起的结构耐久性问题提供了一条新的途径。纤维增强聚合物如碳纤维CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)等具有许多优异的性能,如比强度(强度/容重)大、耐腐蚀、抗疲劳性能好以及低松弛等[2],成为目前解决钢筋混凝土结构耐久性问题最具潜力的选材之一。

20世纪80年代开始,国际上对于FRP材料在土木工程中的应用研究趋于活跃。北美、日本、欧洲等地正积极开展用纤维增强聚合物取代钢筋用于增强混凝土的研究,取得了大量的研究成果并有部分已应用于实际工程,且编制了相应的规范[3~5]。

我国在20世纪90年代开始关注FRP材料在土木工程结构中的研究与应用,在FRP加固结构的基础理论方面取得了大量研究成果,5碳纤维片材加固混凝土结构技术规程6(CECS146:2003)已颁布,其它相关规范也即将问世。然而,关于FRP筋增强混凝土结构特别是预应力混凝土结构的受力性能的研究在国内才刚起步。薛伟辰等对FRP配筋的预应力混凝土矩形截面梁进行了试验研究,但所使用的预应力FRP筋的强度等级较低(抗拉强度仅为52512MPa),试验所用混凝土立方体抗压强度为3916MPa[6];高丹盈等对GFRP筋配筋混凝土结构受力性能进行了系统研究;茅卫兵等进行了配置GFRP筋普通混凝土矩形截面梁的试验研究,其GFRP弹性模量较低(41GPa),极限抗拉强度只有50412MPa,试验所用混凝土立方体强度仅为2412MPa;东南大学的吕志涛院士等也正对体外预应力AFRP筋混凝土梁及FRP筋锚具开展研究[9],并开始应用于实际工程[10]。

针对国内FRP筋增强混凝土结构研究中采用的FRP筋抗拉强度及混凝土强度较低的现状,本文对配置高强预应力CFRP筋的高强混凝土T梁进行了受力性能试验研究,这对于克服钢筋锈蚀的缺陷实现混凝土结构的高耐久性以及减轻配筋混凝土结构的自重以提高结构抵抗使用荷载的有效性、增大结构的跨越能力均具有重要的现实意义。

研究表明:仅配有全预应力CFRP筋的混凝土结构由于CFRP筋有限的极限应变使得其变形能力较差[11];而预应力CFRP筋和非预应力钢筋混合配筋的部分预应力结构具有良好的变形能力及较好的裂缝分布形态。完全粘结预应力CFRP筋结构虽具有较高的承载能力,但其变形性能较差;而完全无粘结CFRP

[12][8]

[7]

筋结构能保证梁具有很好的转动能力和承载能力,但其端部锚固区的抗疲劳性能较差[13]。因此为了在基本不影响预应力CFRP筋混凝土结构承载能力的前提下改善结构的变形和延性性能,提出了部分粘结、部分预应力CFRP筋混凝土梁这种新型结构形式[14]。基于上述FRP配筋混凝土结构的受力特点,本文对配置部分粘结与完全粘结预应力CFRP筋的部分预应力混凝土梁进行了弯曲受力性能试验研究。

2 试验简介

试验梁为4根具有相同截面尺寸并配置预应力CFRP筋的混凝土简支T梁,其截面见图1。其中完全粘结的部分预应力梁2根,另2根为预应力CFRP筋在跨中部分无粘结(无粘结长度2800mm)的部分粘结、部分预应力梁。试验梁长4200mm,跨径3900mm

。

图1 T梁截面配筋图Fig11 CrosssectionofTbeams

211 材料特性

采用标准试验方法测量混凝土强度:放松预应力

时混凝土抗压强度为40~5819MPa;加载试验时混凝土抗压强度为4912~6515MPa、抗拉强度为2159~2172MPa。由厂家给出的CFRP筋抗拉强度和弹性模量分别为2550MPa和147GPa。而实测的CFRP筋抗拉强度为2850MPa、弹性模量在15019~16013GPa之间变化。试验梁的材料力学性能指标见表1。

212 试件制作及加载

预应力筋为直径10mm的CFRP筋。采用先张法工艺,预应力张拉装置如图2所示,图中预应力CFRP筋锚具为夹片式锚具。预应力由两个千斤顶施加并通过力传感器测量力的大小,同时测量粘贴于CFRP筋表

表1 材料的力学性能指标

Table1 Mechanicalbehaviorofmaterials

梁编号FB-50-50FB-45-50PB-45-80PB-45-50

Rcon/ff%50454545

PPR%01656017480169901699

Ef/GPa15019161131551815513

CFRP筋

fe/MPa114315106413107714112218

fsy/MPa372383383383

钢筋

Es/GPa18118188131881318813

fc/MPa4918521465154912

混凝土

Ec/GPa3415341936153414

注:11梁编号中,FB、PB分别表示CFRP筋与混凝土之间完全粘结与部分粘结;前2个数字表示张拉控制应力Rcon与CFRP筋的给定抗拉强度ff的百

分比值;后2个数字表示混凝土的设计强度。

21fc为混凝土立方体抗压强度,PPR为预应力度,即PPR=Afff/(Afff+Asfs),Af和As分别为CFRP筋和钢筋的面积,ff和fs分别为厂家给定的CFRP筋抗拉强度和钢筋屈服强度,fe为有效预应力,Ef、Es和Ec分别为CFRP筋、

钢筋和混凝土的弹性模量。

图2 CFRP筋张拉装置及锚具图

Fig12 Schemeoftheprestressingse-tupand

anchorage

图3 试验加载图Fig13 Testse-tup

面应变片的应变,计算出CFRP筋的弹性模量。当预制梁混凝土强度达到设计强度的75%后,放松预应力CFRP筋。放松时测量CFRP筋应变的变化得到预应力损失值,并用百分表测量预应力作用下梁的反拱值。

试验主要测定试件的荷载-挠度曲线、CFRP筋应变增量、截面应变状态以及裂缝宽度,其测点布置见图3。试验荷载采用千斤顶加载,由力传感器测定其荷载值,位移传感器和百分表测定试验梁的变形,裂缝放大镜观测裂缝发展情况。荷载-挠度曲线由DH-5935应变测试系统采集,CFRP筋及混凝土应变由TDS-602应变仪采集。

试验采用三分点加载,见图3,混凝土开裂前,荷载采用每10kN分级单调加载直至混凝土开裂;混凝土开裂后采用循环加、卸载直至梁破坏,循环次数为3次。

的变化情况,开始24h内每1h观测一次,以后每12h

观测一次,测量结果见图4。由于CFRP筋的热膨胀系数比钢材小,在大气温差作用下曲线从AyByC发生了波动,后期锯齿状曲线也是由温差影响造成的。B点时,其松弛率为114%,24h(C点)时的松弛率为111%。除去温差的影响,从图4可以看出CFRP筋的松弛在48h内基本完成,松弛率约为119%

。

312 荷载-挠度关系

试验梁跨中截面的荷载-挠度(P-f)曲线见图5。文中的极限荷载和极限位移系指荷载最大值及相应此时的位移。试验梁的荷载-挠度曲线呈三个阶段变化,其包络线呈近似的三折线。混凝土开裂前,荷载-挠度关系呈线性变化且挠度增加相对较小;开裂后至非预

3 试验结果

311 CFRP预应力筋的松弛

为了测量CFRP筋的松弛,对张拉完毕后的CFRP

筋连续观测288h。初张应力为CFRP筋抗拉强度的45%,通过钢梁实现稳载并由振弦式力传感器测量力图4 CFRP筋松弛观测结果Fig14 Testvaluesofrelaxation

因此,从梁的破坏模式及荷载-挠度关系可以看出:对于预应力CFRP筋混凝土结构,期望发生的破坏模式是混凝土被压碎或CFRP筋滑移破坏而不是CFRP筋拉断破坏,这样能保证结构在破坏时不会由于坍塌而完全丧失承载能力。

313 跨中截面预应力CFRP筋应力增量图6为跨中截面预应力CFRP筋实测应力增量$R,预应力CFRP筋的应力增量以有效预应力为基点。混凝土开裂和非预应力钢筋屈服时,CFRP筋的应力增量曲线均呈现转折(由于梁FB-50-50发生粘结破坏,CFRP筋在加载过程中发生滑移,导致实测应力增量较小)。从图6可以看出CFRP筋应力增量-荷载曲线也基本呈三折线的形状,在相同的荷载作用下完全粘结梁FB-45-50内CFRP筋的应力增量大于部分粘结梁PB-45-80和PB-45-50内CFRP筋的应力增量,这是由于无粘

应力钢筋屈服前,随着梁刚度的降低,挠度增幅较大,但此阶段梁的荷载-挠度曲线仍接近线性,由于此阶段非预应力钢筋和CFRP筋均保持线弹性,因此卸载后

梁的残余变形较小,仅为梁极限挠度的5%。第二阶段进入第三阶段是由于有粘结的非预应力钢筋屈服引起的,非预应力钢筋屈服后,梁的挠度增幅较大。

由于CFRP筋的滑移,梁FB-50-50发生粘结破坏,图5a中梁FB-50-50的荷载-挠度曲线呈现锯齿状。这是由于该梁CFRP筋的保护层较薄(CFRP筋到混凝土最外边缘只有20mm),CFRP筋与混凝土之间缺乏足够的粘结强度导致的。破坏后的梁仍具有较高的承载能力(图5a中B点),其残余荷载为极限荷载的62%,继续对梁施加荷载,荷载变化较小,而位移却增长很快。梁FB-45-50和梁PB-45-80的荷载-挠度曲线分别见图5b、5c。梁破坏模式均为顶部受压区混凝土压碎。由于混凝土被压碎,引起荷载-挠度曲线在破坏点发生转折,挠度增加,荷载减小但其残余荷载值较大(图5b、5c中B点),分别约为极限荷载的80%(梁FB-45-50)和66%(梁PB-45-80)。

梁PB-45-50的荷载-挠度曲线见图5d。其破坏模式为受压区混凝土压碎、CFRP筋随之发生脆断。由于CFRP筋断裂,梁的挠度增加很快,荷载下降至0,梁完全失去承载能力。

图6 荷载-CFRP筋应力增量Fig16 Load-stressincrementinCFRPtendons

图5 梁的实测荷载-挠度曲线(实线为包络图)

Fig15 Testload-deflectioncurvesforbeams(solidlinesaretheenvelopelines)

结筋内应力的增量由整个无粘结长度段共同承担,部

分粘结梁内CFRP筋的部分无粘结减缓了CFRP筋应力的增长。梁FB-45-50的三段折线斜率分别为:11157、01286、01062;梁PB-45-80为:11417、01450、01051;梁PB-45-50为:11455,01404,01049。梁开裂前CFRP筋应力增长缓慢,曲线斜率较大;开裂后曲线斜率变小,表明CFRP筋应力增长较快;非预应力钢筋屈服后曲线趋近水平,CFRP筋应力增长最快。非预应力钢筋屈服后CFRP筋的应力增量分别占总应力增量的5813%(梁FB-45-50),6719%(梁PB-45-80)和5614%(梁PB-45-50)

。

各试验梁的荷载-CFRP筋应力增量(P-$R)曲线(图6)与跨中荷载-挠度(P-f)曲线的包络线(图5)的

形状十分相似,表明CFRP筋的应力增长与挠度发展之间密切相关。图7是梁跨中挠度-CFRP筋应力增量(f-$R)曲线。从图7可以看出,在相同的应力增量下,部分粘结梁比完全粘结梁具有更大的变形,这是由于部分粘结梁内CFRP筋的部分无粘结使梁的转动能力增大,从而增大了梁的挠度。部分粘结梁内CFRP筋应力增量与跨中截面挠度近似成二次抛物线关系,而完全粘结梁内CFRP筋应力增量与跨中截面挠度近

似成线性关系。

图7 挠度-CFRP筋应力增量

Fig17 Deformation-stressincrementinCFRPtendons

图8 梁破坏形态Fig18 Failuremodes

314 梁破坏特征

试验中观测到三种破坏模式:CFRP筋与混凝土之间的粘结破坏(梁FB-50-50);梁顶部受压区混凝土被压碎(梁FB-45-50和梁PB-45-80);和梁顶部受压区混凝土被压碎,CFRP筋随之发生脆断(梁PB-45-50)。滑移破坏模式时,CFRP筋位置有一条贯穿梁长的水平裂缝出现。后两种破坏模式时,梁顶部受压区混凝土被压碎破坏,顶部钢筋屈曲、箍筋暴露。梁的破坏形态见图8。试验梁测试结果见表2。

从表2可以看出:破坏模式相同时,部分粘结、部分预应力混凝土梁与完全粘结、部分预应力混凝土梁相比,二者的极限荷载相差较小,最大仅为10%。分别比较梁FB-50-50和梁PB-45-50,以及梁FB-45-50和梁PB-45-80的挠度,可以看出在有效预

应力大致相同时

部分粘结、部分预应力混凝土梁的极限挠度均要高于完全粘结、部分预应力混凝土梁的极限挠度,表明相同条件下部分粘结同完全粘结梁相比,前者具有较好的变形能力,这是由于部分粘结梁内CFRP筋的部分无粘结使梁的转动能力增大,从而增大了梁的挠度。315 梁裂缝统计

梁的裂缝统计见表3,裂缝稳定后纯弯段内裂缝数目统计见图9,梁裂缝分布如图10所示。裂缝稳定时CFRP筋的应变增量较小,小于01002,且部分粘结CFRP筋内CFRP应变增量要小于完全粘结CFRP筋内CFRP筋的应变增量。从表3和图9可以看出,与纯无粘结预应力钢筋混凝土梁只出现一条或少数几条裂缝相比

[15]

,预应力CFRP筋混凝土梁内配置有粘结的非

表2 试验梁试验结果

Table2 Resultsofload-carryingcapacitiesandfailuremodes

梁号FB-50-50FB-45-50PB-45-80PB-45-50

开裂荷载/kN

6718681369127011

开裂挠度/mm

4145318941284134

非预应力钢筋屈服荷载/kN

16313178161901018018

非预应力钢筋屈服挠度/mm

18136181091913920145

极限荷载/kN

19313225132291620416

极限挠度/mm

30156391914418737132

破坏模式

SCCC/R

注:破坏模式S表示CFRP筋滑移破坏,C表示顶部混凝土被压碎,C/R表示顶部混凝土被压碎伴随CFRP筋拉断。