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

基金項目：[ZK(]國家自然科學基金項目（51308028）；北京建筑大學科學研究基金項目（00331613014）；北京工業(yè)大學工程抗震與結構診治北京市重點實驗室開放項目（2013）

摘要：為了研究無粘結預應力碳纖維增強復合材料（CFRP）筋錨具的錨固性能和無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的受力性能，進行了4根無粘結預應力CFRP筋混凝土梁和2根對比混凝土梁的抗彎試驗。結果表明：研發(fā)的預應力CFRP筋錨具具有很好的可靠性，無粘結預應力CFRP筋混凝土梁具有較好的受力性能和延性，非預應力鋼筋是影響預應力CFRP筋混凝土梁延性和極限荷載最重要的因素；推導的簡化公式可以準確地計算無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的極限荷載。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料筋；預應力混凝土梁；極限荷載；延性系數

中圖分類號：TU378.8文獻標志碼：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

纖維增強復合材料(FRP)筋是一種高強度線彈性材料，由于其優(yōu)異的抗腐蝕和耐疲勞性能，已逐漸被應用到預應力混凝土領域。相對于有粘結預應力FRP筋混凝土結構，[HJ]無粘結預應力FRP筋混凝土結構主要依靠錨具來提供預應力，對FRP筋錨具的要求更高。目前，各國關于有粘結預應力FRP筋混凝土結構的研究較多［19］，但是對于無粘結預應力FRP筋混凝土結構極限應力的計算還沒有形成統(tǒng)一的結論，有必要對無粘結預應力FRP筋混凝土結構的受力性能進行更深入的研究。本文中筆者采用預應力碳纖維增強復合材料（CFRP）筋夾片粘結式錨具，對無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的抗彎性能進行了研究。

1 CFRP筋錨具的研制

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



]圖1夾片粘結式錨具

Fig.1Wedgebond Anchorage

2 試驗梁的設計

2.1 試驗模型的設計

試驗共設計了6個試件，試驗梁的跨度為3.2 m，截面尺寸為200 mm×300 mm，跨高比為10。試驗參數主要有預應力筋的種類和初始張拉應力、非預應力鋼筋的配筋率和混凝土強度。所有試驗梁預應力CFRP筋均采用直線束型，預應力CFRP筋重心至梁底距離為60 mm，并按適筋梁進行設計。試驗梁的力學性能及配筋分別見表1和圖2。圖2中，P為荷載。試驗采用的混凝土及各種筋材的實測力學性能分別如表2，3所示。

有效預應力的大小是本次試驗研究的一個重要參數，所以預應力CFRP筋的張拉控制十分重要。試驗張拉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筋至控制應力的50%，然后再按相反的順序張拉到控制應力，這種張拉方法會減少由于張拉順序不同而引起的應力損失。在張拉過程中通過布置在錨具端的傳感器和CFRP筋上的應變片來控制張拉應力。

表1試驗梁的力學性能

Tab.1Mechanical Properties of Concrete Beams

梁編號 預應力筋種類 受拉鋼筋 初始張拉應力 張拉應力/kN 混凝土強度等級

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

PB1 高強鋼絲 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筋的極限應力。

]圖2試驗梁的配筋(單位:mm)

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

表2混凝土的力學性能

Tab.2Mechanical Properties of Concrete

混凝土強度等級 抗壓強度/MPa 彈性模量/GPa

C30 36.80 31.8

C40 36.61 34.0

表3各種筋材的力學性能

Tab.3Mechanical Properties of Reinforcements

筋材種類 直徑/mm 面積/mm2 極限強度/MPa 屈服強度/MPa

CFRP筋850 1 730

高強鋼絲738 1 720

普通鋼筋 [ZB(]

16 201575 368

14 154557 471

12 113491 340

850 473 331

2.2 試驗梁的加載及測試方案

試驗在500 t的試驗臺上進行，試驗梁均采用分配梁來進行三分點加載，加載點的距離為1 m，加載點距支座距離為900 mm，試驗加載方案見圖2。在試驗梁跨中位置的普通鋼筋、CFRP筋和混凝土均布置了應變片，以測量其在試驗過程中的應變變化。另外，還在試驗梁頂部跨中位置布置了位移計，加載千斤頂的端部連接了力傳感器，所有測點都連接到數據采集系統(tǒng)上進行采集，試驗梁測點布置如圖3所示。

圖3試驗梁測點布置

Fig.3Arrangement of Measuring Points of Test Beams

3 試驗結果分析

3.1 試驗現象

由于試驗梁預應力CFRP筋的種類不同，試驗現象和破壞形態(tài)也不相同。在混凝土梁開裂前，試驗現象基本相同，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，梁不斷出現新裂縫并且裂縫逐漸開展，預應力CFRP筋和非預應力鋼筋的應力逐漸增大。非預應力鋼筋屈服之后，混凝土梁的荷載位移曲線出現第2次偏折，在梁的純彎區(qū)段基本不再出現新裂縫，而已有的裂縫則不斷向上延伸并加寬，此時荷載增長緩慢，CFRP筋的應力增量較大，梁頂部混凝土的壓應變和跨中位移迅速增大，最后梁頂部混凝土壓應變增大至極限壓應變，為3×10-3~4×10-3，混凝土被壓碎，試件破壞。對于高強鋼絲預應力梁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。對于預應力CFRP筋混凝土梁，試驗過程中均沒有發(fā)生CFRP筋錨具滑移的現象，也沒有發(fā)生CFRP筋拉斷的現象，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 試驗結果

預應力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

試驗結果如表4所示。表4中的延性系數采用馮鵬等［15］提出的綜合指標系數，開裂荷載是通過試驗過程中觀測所得數據，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的撓度。

3.3 結果分析

3.3.1 開裂荷載

標準混凝土梁B0和預應力混凝土梁PB2，PB5只有預應力CFRP筋的初始張拉應力不同，配筋和混凝土強度完全一樣。圖6為初始張拉應力對混凝

表4試驗結果

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 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為初始張拉應力。由表4和圖6可以看出，預應力CFRP筋混凝土梁的開裂荷載主要與預應力的大小有關，而與混凝土強度和非預應力鋼筋的配筋關系不太大。

3.3.2 延性系數

圖7為初始張拉應力對延性系數的影響。由圖7可以看出，預應力混凝土梁的綜合延性系數要比對應標準混凝土梁的小。預應力混凝土梁PB5的初始張拉應力最大，其極限荷載和開裂荷載也最大，但是其綜合延性系數卻不是最大的，所以要提高預應力FRP筋混凝土梁的綜合延性系數還需綜合考慮其受力性能。

圖7初始張拉應力對延性系數的影響

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

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

圖8受拉區(qū)配筋率對延性系數的影響

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

圖9混凝土強度對延性系數的影響

Fig.9Influence of Concrete Strength on Ductility Factor

配筋率和混凝土強度對延性系數的影響較大，增加受拉區(qū)鋼筋的配筋率，可以增加預應力混凝土梁的延性。由于混凝土材料的離散性及梁PB3強度較低，混凝土強度對預應力CFRP筋混凝土梁延性系數的影響還需進一步研究。

3.3.3 極限荷載

圖10為初始張拉應力對極限承載力的影響。由圖10可以看出，初始張拉應力由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)配筋率和混凝土強度對極限荷載的影響。由圖11,12可以看出，混凝土強度對預應力CFRP筋混凝土梁極限荷載的影響不太明顯，而非預應力鋼筋對極限荷載的影響較大。

圖10初始張拉應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混凝土強度對極限荷載的影響

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

4 承載力計算

目前關于無粘結預應力FRP筋混凝土結構極限應力的計算還沒有形成統(tǒng)一的結論，筆者基于預應力FRP筋的應力增量與構件跨中撓度之間接近直線關系，推導了體內無粘結預應力FRP筋極限應力的簡化計算方法［16］，計算模型如圖13所示，其中，L為跨徑，ep為預應力FRP筋在跨中截面偏心距，Δ為跨中撓度，θ為角度。

圖13計算模型

Fig.13Calculation Model

無粘結預應力FRP筋的極限應力計算公式為

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為預應力FRP筋的彈性模量;fpe為有效預應力；hp為預應力FRP筋合力點至截面受壓邊緣的距離；εcu為混凝土極限抗壓應變，計算中取εcu=0.003；k為荷載形式及支座約束情況的系數，可以從設計手冊中查得，簡支梁三分點對稱加載取k=0.106 5，簡支梁跨中一點加載取[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分別為預應力CFRP筋和受拉鋼筋的面積；fy為受拉鋼筋的屈服強度；b為混凝土梁截面寬度；f′c為混凝土圓柱體的抗壓強度。

下面分別采用中國《無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 92—2004）公式［17］、美國規(guī)范ACI 440.4R04公式［18］和文獻［16］中的簡化公式對試驗梁的承載力進行計算，各公式計算結果的比較如表5所示。由表5可知，采用文獻［16］中的公式計算無粘結預應力CFRP筋混凝土梁極限荷載，其計算值與實測值比值的平均值為0.947，標準差為0.013，與實際結果較為接近。計算結果雖然沒有美國規(guī)范公式準確，但是計算過程卻更簡單。

表5各公式計算結果的比較

Tab.5Comparison of Different Calculation Formulae

梁編號 P1/kN

JGJ 92—2004公式結果 ACI 440.4R04公式結果 文獻［16］中的簡化公式結果

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

標準差 0.0220.0140.013

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

5 結語

通過4根無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的抗彎極限破壞試驗，驗證了研發(fā)的預應力CFRP筋錨具的可靠性。通過與非預應力鋼筋混凝土梁和鋼絞線預應力混凝土梁進行比較可知：預應力CFRP筋混凝土梁具有較好的受力性能和延性；非預應力鋼筋對預應力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［16］中推導的簡化公式可以準確地計算無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的極限荷載。目前關于體內無粘結預應力CFRP筋混凝土梁的試驗成果還較少，今后應該進行大量的試驗研究工作，采用不同的加載形式和截面形式，對文獻［16］中的簡化公式進行驗證。

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