后張無黏結(jié)預應力BFRP筋混凝土梁受彎性能試驗研究

飛 渭,李炳宏,江世永,胡顯奇,王蘭民,石錢華

(1.解放軍后勤工程學院建筑工程系,重慶401311;2.浙江石金玄武巖纖維有限公司,浙江橫店322118;3.甘肅省地震局,甘肅蘭州 730000)

后張無黏結(jié)預應力BFRP筋混凝土梁受彎性能試驗研究

飛 渭1,李炳宏1,江世永1,胡顯奇2,王蘭民3,石錢華2

(1.解放軍后勤工程學院建筑工程系,重慶401311;2.浙江石金玄武巖纖維有限公司,浙江橫店322118;3.甘肅省地震局,甘肅蘭州 730000)

采用后張法,制作了玄武巖纖維增強塑料筋(BFRP筋)無黏結(jié)部分預應力混凝土梁、BFRP筋無黏結(jié)全預應力梁以及對比用BFRP筋非預應力梁,對其受彎性能進行對比試驗,并對BFRP筋無黏結(jié)部分預應力梁中非預應力鋼筋的配筋率對受彎性能的影響進行了研究。結(jié)果表明,對BFRP筋施加預應力,可以明顯提高梁的抗裂度,有效減小梁的撓度和裂縫寬度,改善BFRP筋混凝土梁的正常使用性能;與全預應力梁相比,配置有非預應力鋼筋的部分預應力BFRP筋梁的延性更好;且隨著非預應力鋼筋配筋率的增加,梁的屈服荷載和極限荷載隨之提高,裂縫間距、極限裂縫寬度則隨之減小。

玄武巖纖維增強塑料筋;混凝土梁;無黏結(jié);全預應力;部分預應力;后張法;受彎性能

0 前言

我國有大量工程處于高溫、高寒、高鹽霧等惡劣的環(huán)境之中,如港口、碼頭、橋梁以及化工廠廠房等,若采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體內(nèi)鋼筋極易銹蝕,嚴重影響工程的耐久性和可靠性,另一方面,對有些對電磁環(huán)境要求嚴格的建筑物,如地震觀測站、飛機跑道、醫(yī)院以及有特殊要求的實驗室等使用傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),因結(jié)構(gòu)中鋼筋的存在,無法滿足功能設備的電磁環(huán)境要求。纖維增強復合材料(FRP)是一種輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞、非磁性等優(yōu)良的新型建筑材料。將FRP纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)應用于上述工程項目中,一方面可解決位于惡劣環(huán)境下建筑工程的鋼筋銹蝕問題,保證建筑工程安全、正常使用,同時可以節(jié)省大量的后期維護、加固甚至重建費用。另一方面可徹底解決部分對電磁干擾有特殊要求的建筑工程的功能需求[1-3]。

為了更加充分發(fā)揮FRP筋混凝土梁中的高強度優(yōu)勢,改善FRP筋梁正常使用階段的受力性能[4-5],可采用預應力結(jié)構(gòu)[6-7]。同時,由于 FRP筋耐腐蝕特性,使其可以應用于無黏結(jié)預應力混凝土領域而不用擔心銹蝕問題。本文在前期采用BFRP筋進行的非預應力BFRP筋梁研究[3]及有黏結(jié)預應力BFRP筋梁研究[8]的基礎上,采用后張法,將BFRP筋施加預應力后用于混凝土結(jié)構(gòu)中作為增強筋。制作了 1根全預應力BFRP筋混凝土梁和2根部分預應力BFRP筋混凝土梁,同時制作了1根普通BFRP筋混凝土梁,對其進行三分點加載試驗,從而了解無黏結(jié)預應力BFRP筋混凝土梁受彎工作的特點,及其與非預應力BFRP筋混凝土梁受彎性能的差異。

1 實驗部分

1.1 主要原料

BFRP筋,直徑10 mm,浙江石金玄武巖纖維有限公司。

在進行BFRP筋混凝土梁試驗前,進行了BFRP筋材料性能試驗及BFRP筋與混凝土黏結(jié)性能研究[9],材料性能試驗結(jié)果表明,BFRP筋為完全線彈性的材料,極限抗拉力(Fpu)為73.8 kN,極限抗拉強度(ffu)為940.1 MPa,極限延伸率為2.19%,抗拉彈性模量(Ef)為40.2 GPa;黏結(jié)性能研究結(jié)果表明BFRP筋與混凝土的黏結(jié)良好。

1.2 主要設備及儀器

數(shù)字測力計,AMPV-WB1,成都新普傳感器有限公司;

智能數(shù)字應變儀,ZSY-16,自制。

1.3 試件設計

為對比無黏結(jié)預應力和非預應力、全預應力和部分預應力、非預應力鋼筋配筋率等參數(shù)對BFRP筋混凝土受彎構(gòu)件性能的影響,共設計4根試驗梁,如表1所示;

表1 試驗梁方案設計Tab.1 Design details of the test beams

參照國內(nèi)外相關文獻[9-10],本次試驗張拉控制應力取為0.50ffu;

試驗梁均采用簡支梁形式,預應力BFRP筋采用直線束型,配筋及截面設計示意圖如圖1所示,梁全長3000 mm,凈跨 2100 mm,橫截面為矩形,寬度為200 mm,高度為300 mm。

圖1 試驗梁配筋及截面設計示意圖Fig.1 Reinforcements and cross-sectional details of the test beams

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

試驗在門式反力架上進行,利用分配梁采用三分點加載方式進行加載,采用手動液壓千斤頂施加豎向荷載,加載程序按 GB 50152—1992進行,測試試件的開裂荷載、各級荷載作用下的裂縫寬度、各級荷載作用下的撓度、屈服荷載和極限荷載,各級荷載下BFRP筋及鋼筋的應變等。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞現(xiàn)象

圖2 各試驗梁的破壞狀態(tài)Fig.2 Failure modes of the test beams

各試驗梁加載至破壞時的圖片如圖2所示。從破壞特征上看,非預應力梁B1破壞形式為BFRP筋破斷,而3根BFRP筋無黏結(jié)預應力梁破壞形式均為梁頂純彎段混凝土壓碎。從破壞現(xiàn)象上看,全預應力梁是在開裂荷載作用下持荷過程中破壞,具有“一裂就壞”的特性,破壞帶有明顯的突然性。非預應力梁雖破壞前變形已經(jīng)很大,出現(xiàn)明顯的破壞征兆,但破壞后就立刻斷裂。部分預應力梁破壞前撓度和裂縫寬度已經(jīng)較大,有明顯的征兆,且破壞后不至于立即喪失承載能力。因此,相比之下BFRP筋無黏結(jié)部分預應力梁破壞特征較為理想。

值得注意的是,非預應力梁的破壞部位均在加載點附近,類似的情況在有關FRP筋混凝土梁受彎性能的試驗中也有發(fā)生[3]。這種破壞情況有別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁,BFRP筋混凝土梁的這種特殊破壞形式,在很大程度上與BFRP筋的材料特征和材料特性有關[11]。

2.2 試驗梁受力過程

(1)全預應力筋梁受力過程

UB0梁僅配置2根無黏結(jié)預應力BFRP筋,混凝土開裂前剛度較大,撓度及纖維筋應變變化緩慢、均勻。由于無黏結(jié)預應力筋應變增量沿筋全長平均分布,2根BFRP筋錨固端拉壓傳感器讀值增長極為緩慢。當加載至70 kN持荷過程中,梁上突然出現(xiàn)豎直裂縫,其延伸高度約達到梁高 2/3處,跨中撓度和BFRP筋應變也突然增大。持荷期間,裂縫寬度及梁撓度迅速增大,最后純彎段內(nèi)梁頂混凝土被壓碎,試件發(fā)生受壓破壞。可見,全預應力梁在開裂荷載持荷期間破壞,具有“一裂就壞”的特點。

(2)部分預應力梁受力過程

由于非預應力鋼筋的存在,部分預應力梁(UB1、UB2)受力過程與全預應力梁明顯不同,最大的區(qū)別是UB1、UB2梁具有明顯的屈服階段。部分預應力梁(UB1、UB2)受彎工作可分為未裂階段、帶裂縫工作、破壞階段3個受力階段,下面以UB1梁為例說明。

未裂階段:梁在開裂前剛度較大,構(gòu)件變形和材料應變發(fā)展緩慢,構(gòu)件作為一個完整的共同工作的整體,基本上處于彈性工作狀態(tài)。

帶裂縫工作階段:由于非預應力鋼筋的作用,開裂后百分表與拉壓傳感器的讀數(shù)變化不如UB0梁明顯,且裂縫較B1梁及UB0梁開展緩慢。隨著荷載繼續(xù)增加,梁的撓度發(fā)展明顯變快,荷載-撓度發(fā)展趨勢出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。繼續(xù)加載,鋼筋應變突增,表明鋼筋屈服,此時可以明顯觀察到百分表和拉壓傳感器讀值突然增大。該階段末期,裂縫基本出齊。

破壞階段:鋼筋屈服后,構(gòu)件進入破壞階段。鋼筋屈服后撓度發(fā)展比屈服前變快,荷載-撓度發(fā)展趨勢再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。與全預應力梁相比,部分預應力梁的變形、殘余變形和殘余應力均較大。最后純彎段內(nèi)梁頂混凝土被壓碎,試件發(fā)生受壓破壞。

2.3 開裂荷載

由于試驗時難以精確獲取梁第一條裂縫出現(xiàn)時的荷載值,表2僅給出了實測開裂荷載等級。由表2可看出,(1)預應力BFRP筋梁的開裂荷載比非預應力對比梁的開裂荷載提高了至少一倍,這表明,施加預應力能有效提高構(gòu)件的抗裂能力;(2)3根預應力試驗梁開裂荷載基本一致,這表明在BFRP筋配筋率及有效預應力一定的情況下,開裂荷載與非預應力鋼筋配筋率關系不大。

表2 試驗梁的開裂荷載Tab.2 Cracking resistance loads of the test beams

2.4 非預應力鋼筋屈服荷載

梁UB1和UB2受拉區(qū)非預應力鋼筋屈服點荷載等級如表3所示。屈服荷載是指部分預應力BFRP梁中非預應力鋼筋的屈服荷載,是BFRP筋無黏結(jié)部分預應力混凝土梁的一個重要參數(shù),是構(gòu)件剛度變化的第二個轉(zhuǎn)折點。試驗表明,在其他參數(shù)均一樣的情況下,BFRP筋無黏結(jié)部分預應力混凝土梁中非預應力鋼筋屈服荷載與非預應力筋配筋率有關,在一定范圍內(nèi),提高非預應力鋼筋配筋率可以有效提高屈服點荷載。

表3 試驗梁非預應力鋼筋屈服荷載Tab.3 Yield loads of steel bars in the test beams

2.5 極限荷載

由表4可知,全預應力無黏結(jié)梁UB0的極限荷載遠小于部分預應力梁和非預應力梁。這是由于UB0梁只配置了2根無黏結(jié)BFRP預應力筋,開裂后中性軸快速上移,造成梁頂局部壓應力集中,最終導致開裂后即壓碎破壞,所以該梁極限承載力遠小于其他幾根試驗梁。另外,對比3根預應力梁的極限荷載,在一定范圍內(nèi),提高非預應力鋼筋的配筋率能有效提高構(gòu)件的極限承載力。

表4 試驗梁的極限荷載Tab.4 Ultimate loads of the test beams

2.6 試驗梁的荷載-撓度曲線

由表5及圖3可知,無黏結(jié)預應力梁極限變形僅為非預應力梁的32.5%～59.2%,說明施加預應力能有效提高梁的整體剛度,限制變形的發(fā)展,明顯改善了BFRP梁撓度過大的缺陷。

表5 BFRP筋混凝土梁的跨中極限撓度Tab.5 Ultimate deflections at mid-span of the test beams

由圖3可看出,試驗梁的荷載-變形曲線有以下特點:

(1)各試驗梁開裂之前,基本上處于彈性工作狀態(tài),因而其荷載-變形關系呈線性發(fā)展,由于開裂前梁剛度較大,因此構(gòu)件撓度發(fā)展十分緩慢;

圖3 試驗梁荷載-變形曲線Fig.3 Load-deflection curves of the test beams

(2)非預應力梁B1及全預應力無黏結(jié)梁UB0的荷載-變形關系曲線呈現(xiàn)雙直線特征,轉(zhuǎn)折點對應混凝土開裂。構(gòu)件開裂后剛度明顯降低,曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折且撓度發(fā)展明顯加快。由于BFRP筋線彈性的材料特性,構(gòu)件開裂后,其荷載-變形關系基本上仍然是呈線性發(fā)展的。UB0梁在開裂荷載作用下持荷破壞,該梁開裂后荷載-變形曲線基本呈水平線狀態(tài);

(3)部分預應力梁UB1、UB2的荷載-變形關系曲線呈現(xiàn)三直線特征,2個轉(zhuǎn)折點分別對應混凝土開裂和非預應力筋屈服。由于梁UB1非預應力鋼筋配筋率較低,開裂后至鋼筋屈服階段明顯短于非預應力鋼筋配筋率高的梁UB2,說明提高非預應力鋼筋配筋率能有效限制梁剛度的衰減。非預應力鋼筋屈服后,荷載主要由BFRP筋承擔,由于BFRP筋彈性模量較低,因此梁剛度衰減加快,荷載-變形曲線斜率明顯變小;

(4)由卸載曲線可見,全預應力混凝土梁UB0殘余變形很小,部分預應力混凝土梁卸載完成后殘余變形較大,且非預應力配筋較多的梁UB2殘余變形明顯大于鋼筋配置較少的梁UB1。

2.7 裂縫發(fā)展情況

圖4中,橫線上數(shù)字為觀測到裂縫出現(xiàn)時的豎向荷載值,單位為kN;橫線下為極限狀態(tài)下裂縫寬度,單位為mm;梁下方數(shù)字為裂縫間距,單位為mm。由圖4、5可知,試驗梁裂縫開展有以下特點:

(1)在相同的荷載級別下,預應力梁的平均裂縫寬度遠小于非預應力梁,表明預應力可以有效抑制梁裂縫的開展;

(2)全預應力無黏結(jié)混凝土梁裂縫數(shù)量最少,只有1條,且極限狀態(tài)下裂縫寬度最大,部分預應力梁極限裂縫寬度小于非預應力梁。無黏結(jié)預應力混凝土梁裂縫數(shù)量隨著非預應力鋼筋配筋量的增加而增加,而裂縫間距、極限狀態(tài)下裂縫寬度隨著非預應力鋼筋配筋量的增加而減小;

圖4 各試驗梁裂縫開展圖Fig.4 Schematic of cracks on the surfaces of the test beams

(3)非預應力梁裂縫在達到梁的極限彎矩的0.5倍時就已出齊,且出現(xiàn)很多水平裂縫。而無黏結(jié)部分預應力梁在彎矩達到極限彎矩的0.7～0.8倍時裂縫才出齊,且剛開裂時預應力梁裂縫延伸高度也低于非預應力梁。這表明,混凝土預壓應力不僅可以提高粱開裂荷載,而且可以有效抑制裂縫的發(fā)展。

2.8 BFRP筋及非預應力鋼筋應變變化情況

從圖6可明顯看出,由于預應力的存在,開始受力時UB0、UB1、UB2梁中的BFRP筋即有較大的應變,提前參與了工作,而當試驗梁達到極限狀態(tài)時,UB1、UB2梁中的BFRP筋的應變遠大于非預應力梁中的BFRP筋的應變,表明由于施加預應力的結(jié)果,可以使BFRP筋提前參與工作并充分發(fā)揮其高強度特性。

圖6 各試驗梁加載過程中BFRP筋應變變化情況Fig.6 Strains of BFRP tendons at different load stages

從各試驗梁BFRP筋應變變化曲線可看出,加載過程中非預應力梁B1及全預應力梁UB0的BFRP筋應變變化只有2個階段,即開裂前階段和開裂后階段。而部分預應力梁又在鋼筋屈服點處發(fā)生轉(zhuǎn)折,又增加鋼筋屈服前及屈服后階段。

各梁的BFRP筋應變值在梁開裂前后均呈線性增長,開裂后B1梁及 UB0梁BFRP筋應變急劇變化,斜率明顯變小,UB0更是呈水平線狀態(tài)發(fā)展。而部分預應力梁 UB1、UB2,由于非預應力鋼筋的存在,BFRP筋應變雖然增長加快,但斜率變化明顯比B1梁及UB0梁小得多,應變增量仍然不大。同時,無黏結(jié)預應力梁預應力BFRP筋極限應變隨著非預應力鋼筋配筋量的提高而降低。

3 結(jié)論

(1)相比普通非預應力BFRP筋混凝土梁,采用預應力BFRP筋混凝土梁可以有效地提高梁的開裂荷載,減小裂縫寬度以及撓度,明顯改善了梁在正常使用階段的受力性能;同時,由于預應力的存在,使得預應力BFRP筋混凝土梁中的BFRP筋可以提前參與工作,充分發(fā)揮其高強度的特點,使材料性能得到充分利用;

(2)全預應力梁為開裂即破壞的脆性破壞,而采用以BFRP筋為預應力筋,以鋼筋為非預應力筋的部分預應力梁破壞征兆明顯,且破壞后不至于立即喪失承載能力;因此,相比全預應力BFRP筋混凝土梁,配有非預應力鋼筋的部分預應力BFRP筋梁受彎性能較為理想;

(3)當預應力BFRP筋配置相同時,各無黏結(jié)預應力BFRP筋梁的開裂荷載相差不大,但隨著非預應力鋼筋配筋率的增加,梁的屈服荷載以及極限承載力隨之提高;同時,梁的裂縫數(shù)量增多,裂縫間距、極限狀態(tài)下裂縫寬度減小,部分預應力梁極限裂縫寬度明顯小于非預應力梁和全預應力梁;

(4)無黏結(jié)預應力梁極限變形僅為非預應力梁的32.5%～59.2%,明顯減小;但相對于全預應力梁在變形很小的情況下就脆性破壞的特點而言,配置了非預應力鋼筋的試驗梁在非預應力鋼筋屈服后仍有一定變形,且極限變形隨著非預應力鋼筋配筋率的增加而增大。

[1] American Concrete Institute.Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars(ACI 440.1R-06)[R].Michigan:American Concrete Institute Committee 440,2003:6-13.

[2] Nanni A.North American Design Guidelines for Concrete Reinforcement and Strengthening Using FRP:Principles,Applications and Unresolved Issues[J].Construction and Building Materials,2003,(17):439-446.

[3] 李炳宏,江世永,飛 渭.玄武巖纖維增強塑料筋混凝土梁受彎性能研究[J].中國塑料,2009,23(7):69-72.

[4] 江世永,飛 渭,胡顯奇.玄武巖纖維筋混凝土梁撓度計算方法[C]//第九屆全國建筑物鑒定與加固改造論文集.北京:中國建材工業(yè)出版社,2008:469-475.

[5] Nanni A.Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars(ACI 440.1R-03)[EB/OL].2010-10-18.http://rb2c.mst.edu/documents/MP-1.pdf.1-6.

[6] 孫朋永,江世永,飛 渭.玄武巖纖維筋混凝土梁非線性有限元分析[J].混凝土,2008,(9):33-35.

[7] American Concrete Institute.Prestressing Concrete Structures with FRP Tendons(ACI 440.4R-04)[R].Michigan:American Concrete Institute Committee 440,2004:2-6.

[8] 飛 渭,李炳宏,江世永,先張法預應力玄武巖纖維筋混凝土梁受彎性能試驗研究[J].中國塑料,2011,25(3):65-69.

[9] James Andrew Gilliland.Truss Model for Predicting Tendon Stress at Ultimate in Unbonded Partially Prestressed Concrete Beams[D].Kingston:Department of Civil Engineering,Queen’s University,1994.

[10] Rashid M A,Mansur M A,Paramasivam P.Behavior of Aramid Fiber-reinforced Polymer Reinforced High Strength Concrete Beams under Bending[J].Journal of Composites for Construction,2005,9(2):117-127.

[11] 李炳宏,江世永,飛 渭.玄武巖纖維增強塑料筋混凝土梁受彎破壞形態(tài)有限元分析[J].中國塑料,2010,24(4):70-75.

Experimental Study on Flexural Behavior of Post-tensioned Method Unbonded Prestressed Concrete Beams Reinforced with BFRP Tendons

FEI Wei1,LI Binghong1,J IAN G Shiyong1,HU Xianqi2,WAN G Lanmin3,SHI Qianhua2
(1.Department of Architecture Engineering,Military Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China;2.Zhejiang GBF Basalt Fiber Co,Ltd,Hengdian 322118,China;3.Seismological Bureau of Gansu Province,Lanzhou 730000,China)

BFRP tendon reinforced unbonded fullly post-tensioned and partially post-tensioned concrete beams were prepared,the differences in the flexural behavior of the concrete beams was studied with non-prestressed bars as references.The influence of reinforcement ratios of non-prestressed steel bars on the flexural behavior of unbonded partially post-tensioned concrete beams was analyzed.It showed that,the cracking resistance,crack width,and deflections of concrete beams were greatly improved by BFRP tendons,resulting in better serviceability.The ductility of partially post-tensioned concrete beams was better than that of fullly post-tensioned beams,and the yield loads and ultimate loads was enhanced as the reinforcement ratios of non-prestressed steel bars increased,whereas the crack intervals and ultimate crack width were decreased.

basalt fiber reinforced plastical bar;concrete beam;unbondedness;full post-tension;partial post-tension;post-tensioned method;flexural behavior

TQ327

B

1001-9278(2011)05-0079-06

2010-12-30

重慶市科技攻關項目(CSTC,2007AC7049)

聯(lián)系人,13618354110@163.com