先張法預應力玄武巖纖維增強塑料筋混凝土梁受彎性能試驗研究

飛 渭,李炳宏,江世永,胡顯奇,石錢華,王蘭民

(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)

先張法預應力玄武巖纖維增強塑料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,石錢華2,王蘭民3

(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)

采用先張法工藝設計制作了1根全預應力玄武巖纖維增強塑料筋(BFRP筋)混凝土梁,2根部分預應力BFRP筋混凝土梁和1根普通BFRP筋混凝土梁,對其進行三分點加載試驗,主要測試了構件的開裂荷載、裂縫和撓度發展情況、屈服荷載和極限荷載等性能。結果表明,對BFRP筋施加預應力,可以提高梁的抗裂度,有效減小梁的撓度和裂縫寬度;非預應力鋼筋的配筋率越大,梁的極限抗彎承載力越大,在BFRP筋配筋率相同的情況下,全預應力梁和非預應力梁的極限抗彎承載力相當;在預應力梁中采用非預應力鋼筋,可以減小裂縫寬度間距,并且提高梁的延性;全預應力梁和非預應力梁在純彎段上的裂縫數量和裂縫分布基本相同,部分預應力梁的裂縫數量明顯多于全預應力梁和非預應力梁。

玄武巖纖維增強塑料;先張法;預應力混凝土梁;彎曲性能

0 前言

目前的混凝土結構都是以鋼筋為增強材料,這種結構形式因其良好的受力性能而廣泛應用。然而,普通的鋼筋混凝土結構在一些特殊的使用環境或使用要求下存在一定的局限性,如在侵蝕性環境下的鋼筋混凝土結構極易發生鋼筋銹蝕并最終導致混凝土構件破壞。此外,鋼筋為金屬材料,在某些特殊的建筑(如變電所基礎、飛機跑道、醫院以及有特殊要求的實驗室等)中,鋼筋混凝土結構中鋼筋的存在對整個結構的電磁場會產生不利的影響,限制了鋼筋混凝土結構的應用。因此,在一些特殊的場合,需要尋找一種能替代鋼筋的增強材料。

BFRP筋是一種新型復合材料,具有耐酸、耐堿、強度高、電磁絕緣性好等特點[1-2],在一些對電磁環境要求較高的特殊建筑中以及易遭受腐蝕介質侵蝕的結構中,采用BFRP筋作為增強材料用于混凝土結構,其良好的耐腐蝕性能以及電磁絕緣性能具有普通鋼筋混凝土結構不可比擬的優越性。本課題組對此已進行了大量的研究并在實際工程中得到了應用[3],取得了較好的效果。

然而,由于纖維增強塑料材料具有彈性模量較低等缺陷,若直接將纖維增強塑料筋用于混凝土結構中會導致構件裂縫較寬、撓度較大,使得纖維增強塑料筋混凝土梁正常使用的性能不佳。為解決此問題,通常在進行纖維增強塑料混凝土構件設計時,以構件的正常使用性能作為設計依據,但這樣又會使構件中纖維增強塑料的配筋率大很多,且纖維增強塑料筋強度得不到發揮,導致材料浪費。同時纖維增強塑料筋的高強性能得不到充分利用,造成浪費。為解決上述問題,本文采用BFRP筋,并將其施加預應力后用于混凝土結構中作為增強筋,以充分發揮纖維增強塑料筋的優勢,改善纖維增強塑料筋梁正常使用階段的受力性能。

本文采用BFRP筋,通過先張法工藝,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,從而了解先張法預應力BFRP筋混凝土梁受彎工作的特點以及其與非預應力BFRP筋混凝土梁受彎性能的差異。

1 實驗部分

1.1 BFRP筋材料

試驗中采用的BFRP筋由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供,它是以連續玄武巖纖維為增強材料,以乙烯基樹脂及填料固化劑等為基體材料,通過拉擠工藝加工成型的。其表面變形的特征比較明顯(見圖1),具有良好的整體性能,并且與混凝土的黏結良好[4]。

圖1 試驗中采用的BFRP筋Fig.1 BFRP bars used in the tests

試驗中采用的BFRP筋的名義直徑為10 mm。BFRP筋力學性能試驗表明,BFRP筋為線彈性的材料,其有關力學性能技術指標如表1所示。

表1 BFRP筋力學性能技術指標Tab.1 Mechanical properties of BFRP bars

1.2 梁式試驗

梁式試驗設計要點如下:

(1)所有梁均為簡支梁形式,截面尺寸為200 mm×300 mm,梁全長3000 mm,凈跨2100 mm。試驗梁示意圖如圖2所示。

圖2 試驗梁加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of test beams

(2)梁底預應力BFRP筋和非預應力鋼筋為單排布置,預應力BFRP筋布置在兩端,非預應力鋼筋布置在中間。

(3)根據試驗需要,進行配筋及截面設計[5],按照“強剪弱彎”原則,將試件設計為發生受彎破壞,避免發生受剪破壞。構件的配筋情況見表2,配筋及截面設計示意圖見圖3。

表2 試驗梁配筋情況一覽Tab.2 Reinforcements details of test beams

圖3 試驗梁配筋及截面設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of reinforcements and cross-sectional details of test beams

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,加載程序參照《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—1992)的有關規定進行[6]。試驗中所需測量的內容有: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、極限荷載等。

2 結果與討論

2.1 破壞模式

試驗梁的破壞模式分為受拉破壞和受壓破壞2種類型。其中,B1梁、YB0梁和 YB1梁的BFRP筋被拉斷,YB2梁受壓區混凝土被壓碎。2種類型的破壞雖然都為脆性破壞,但相比之下,受壓破壞的延性相對較好,構件的變形較小;而受拉破壞時由于BFRP筋斷裂,破壞的發生非常突然,構件的變形也較大。

值得注意的是,發生受拉破壞的B1梁和 YB0梁,其破壞部位均在加載點附近(見圖4),類似的情況在有關非預應力纖維增強塑料筋混凝土梁受彎性能的試驗中也有發生[3,7]。這種破壞情況有別于傳統的鋼筋混凝土梁,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著關系[8]。

圖4 試驗梁的破壞模式Fig.4 Failure modes of test beams

2.2 受力過程

預應力BFRP筋混凝土梁的受力過程大致可以分為3個階段:未裂階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。

(1)未裂階段:混凝土開裂之前,BFRP筋和鋼筋與混凝土的黏結完好,構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。

(2)帶裂縫工作階段:混凝土開裂后,荷載 -撓度曲線發生轉折。對于配置有非預應力鋼筋的構件而言,當非預應力鋼筋屈服時,荷載-撓度曲線再次發生轉折,該階段末期,梁上的裂縫基本出齊。

(3)破壞階段:帶裂縫工作階段和破壞階段沒有明顯的界限。對于受壓破壞,構件進入破壞階段的特征主要表現為受壓區混凝土開始出現細小裂縫。對于受拉破壞,構件進入破壞階段的特征主要表現為構件撓度急劇增大,裂縫寬度已經十分明顯,甚至可以透過裂縫看到梁內的BFRP筋或鋼筋。

2.3 開裂荷載

各試驗梁的開裂荷載及其對比情況如表3所示。由表3可以看出,在對BFRP筋混凝土梁施加預應力后,其開裂荷載有很大程度的提高。3根預應力梁的開裂荷載基本相當,說明在BFRP筋配筋率和有效張拉應力相同的條件下,非預應力鋼筋的配筋率不影響梁的開裂荷載。本文分析認為,BFRP筋有黏結預應力混凝土梁的開裂荷載取決于有效預應力和混凝土拉伸強度標準值。

表3 各試驗梁的開裂彎矩Tab.3 Cracking loads of test beams

2.4 極限荷載

由表4可見,普通梁B1和全預應力梁YB0的極限抗彎承載力相差不大。YB0、YB1、YB2梁的抗彎承載力呈遞增關系。由此可見,在BFRP筋配筋率相同的情況下,全預應力BFRP筋混凝土梁和非預應力BFRP筋混凝土梁的極限抗彎承載力相當,對BFRP筋施加預應力不會提高構件的極限抗彎承載力;非預應力鋼筋配筋率越大,梁的極限抗彎承載力越大,增加非預應力鋼筋能提高構件的極限抗彎承載力。

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

2.5 撓度發展情況

各試驗梁在受力各階段的撓度發展情況見表5。表5列出了與開裂彎矩Mcr、0.6Mu(對應于部分預應力梁的屈服彎矩)、極限彎矩Mu對應的跨中撓度值和撓跨比。

表5 各試驗梁的跨中撓度和撓跨比Tab.5 Deflections and deflection to span ratios of the test beams at the center of the span

由表5可知,在BFRP筋配筋率相同的情況下,對BFRP筋施加預應力能明顯減小梁的撓度;在有效張拉應力和預應力BFRP筋配筋率相同的情況下,預應力梁的撓度隨著非預應力鋼筋配筋率的增加而增大;與非預應力鋼筋屈服前一級荷載對應的構件撓跨比在1/500～1/1000,這是比較理想的撓跨比值,本文建議,對于預應力BFRP筋混凝土梁而言,可以把非預應力鋼筋屈服時的荷載作為構件的正常使用極限荷載。

各試驗梁的荷載-撓度關系曲線見圖5,其中,f0、fl、fr分別為跨中、左加載點、右加載點的撓度值。

圖5 各試驗梁的荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of the test beams

采用非預應力鋼筋和預應力BFRP筋混合配筋的部分預應力梁的荷載 -撓度曲線和全部采用預應力BFRP筋配筋的全預應力梁的荷載 -撓度曲線是有所區別的。如圖5(b)～(d)所示,部分預應力BFRP筋混凝土梁的荷載-撓度曲線呈3折線狀,2個轉折點分別對應混凝土開裂和非預應力鋼筋屈服,3段直線分別反映開裂前彈性、開裂后彈性和塑性3個不同的工作階段。而對于全預應力梁,由于全部采用預應力BFRP筋進行配筋,因而沒有屈服點,其荷載 -撓度曲線由2段直線組成,如圖5(b)所示,轉折點即對應混凝土開裂,2段直線分別反映開裂前彈性、開裂后彈性2個不同的工作階段。

非預應力梁的荷載-撓度曲線的形狀與全預應力BFRP筋混凝土梁的相似。其區別在于,非預應力梁開裂前的彈性階段很短,開裂荷載較小。而全預應力梁的開裂荷載明顯提高,開裂前的彈性階段較長,開裂后至構件破壞之間的階段較短,其極限撓度明顯小于非預應力梁。

2.6 裂縫發展情況

各試驗梁純彎段的平均裂縫寬度(ωm)和最大裂縫寬度(ωmax)如表6所示。

表6 各試驗梁純彎段的裂縫開展情況 mmTab.6 Cracks’widths and intervals of test beams mm

由表6可知,對BFRP筋施加預應力能有效減小構件的裂縫寬度,預應力梁的平均裂縫寬度明顯小于非預應力梁;在預應力BFRP筋配筋率相同的情況下,非預應力鋼筋的配筋率越大,平均裂縫寬度和平均裂縫間距越小。各試驗梁的裂縫開展圖如圖6所示。

圖6 各試驗梁的裂縫開展圖Fig.6 Skeleton of cracks on the test beams

由圖6可見,非預應力梁的裂縫數量要多于全預應力梁,全預應力梁在剪彎段上的裂縫較少,兩者在純彎段上的裂縫數量和裂縫分布基本一致。部分預應力梁的裂縫數量明顯多于全預應力梁和非預應力梁,隨著非預應力鋼筋配筋率的增加,構件上的裂縫隨之增多,裂縫間距隨之減小,構件的延性也隨之提高。

3 結論

(1)對BFRP筋施加預應力,可以提高梁的抗裂度。在BFRP筋配筋率和有效張拉應力相同的條件下,非預應力鋼筋的配筋率不影響梁的開裂荷載;

(2)對BFRP筋施加預應力,可以顯著減小梁的撓度。在BFRP筋配筋率和有效張拉應力相同的條件下,預應力梁的撓度隨著非預應力鋼筋配筋率的增加而增大;

(3)對BFRP筋施加預應力,可以有效減小梁的裂縫寬度。在預應力梁中配置非預應力鋼筋,可以減小裂縫寬度和間距,并且提高梁的延性。隨著非預應力鋼筋配筋率的提高,裂縫數量隨之增加,平均裂縫寬度和平均裂縫間距隨之減小;

(4)非預應力鋼筋的配筋率越大,梁的極限抗彎承載力越大。在BFRP筋配筋率相同的情況下,全預應力梁和非預應力梁的抗彎承載力相當;

(5)全預應力梁和非預應力梁在純彎段上的裂縫數量和裂縫分布基本相同,部分預應力梁的裂縫數量明顯多于全預應力梁和非預應力梁。

[1] American Concrete Institute.Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars(ACI 440.1R-06)[R].Farmington Hills:American Concrete Institute Committee 440,2006.

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

[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] 李 新.玄武巖纖維增強塑料筋粘結性能試驗研究[D].重慶:后勤工程學院,2008.

[5] 中華人民共和國建設部.GB50010—2002混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[6] 中華人民共和國建設部.GB50152—1992混凝土結構試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業出版社,1992.

[7] 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.

[8] 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有限元分析[J].中國塑料,2010,24(4):70-75.

Experimental Study on Flexural Behavior of Pre-stressed Concrete Beams Reinforced with BFRP Tendons

FEI Wei1,LI Binghong1,J IAN G Shiyong1,HU Xianqi2,SHI Qianhua2,WANG Lanmin3
(1.Department of Military Architecture Engineering,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)

T o investigate the flexural behavior of BFRP tendon reinforced concrete beams,one full prestressed concrete beam and two partially pre-stressed BFRP tendon reinforced concrete beams,and one BFRP bar reinforced concrete beam were tested.The cracking,yield,failure load,and the development of the deflection and the cracks were tested.It showed that the cracking resistance capacity of the beams was enhanced through using BFRP tendons,and the width of deflection and cracks were better controlled.The failure load of the beams was enhanced as the reinforcement ratio of steel bars increased,the failure loads of the full pre-stressed beam and the non pre-stressed beam were basically unchanged.By using steel bars,the width and the interval of cracks were decreased,and the ductility was improved.The distribution and quantity cracks in the full pre-stressed and the non pre-stressed beams were basically the same.The cracks in the partially pre-stressed concrete beams were much more than the full pre-stressed and the non prestressed beams.

basalt fiber reinforced plastics;pre-tension method;pre-stressed concrete beam;flexural behavior

TQ327

B

1001-9278(2011)03-0065-05

2010-11-08

重慶市科技攻關項目(CSTC,2007AC7049)

聯系人,pride-in-my-eye@163.com