后张无黏结预应力BFRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

飞 渭,李炳宏,江世永,胡显奇,王兰民,石钱华

(1.解放军后勤工程学院建筑工程系,重庆401311;2.浙江石金玄武岩纤维有限公司,浙江横店322118;3.甘肃省地震局,甘肃兰州 730000)

后张无黏结预应力BFRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

飞 渭1,李炳宏1,江世永1,胡显奇2,王兰民3,石钱华2

(1.解放军后勤工程学院建筑工程系,重庆401311;2.浙江石金玄武岩纤维有限公司,浙江横店322118;3.甘肃省地震局,甘肃兰州 730000)

采用后张法,制作了玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP筋)无黏结部分预应力混凝土梁、BFRP筋无黏结全预应力梁以及对比用BFRP筋非预应力梁,对其受弯性能进行对比试验,并对BFRP筋无黏结部分预应力梁中非预应力钢筋的配筋率对受弯性能的影响进行了研究。结果表明,对BFRP筋施加预应力,可以明显提高梁的抗裂度,有效减小梁的挠度和裂缝宽度,改善BFRP筋混凝土梁的正常使用性能;与全预应力梁相比,配置有非预应力钢筋的部分预应力BFRP筋梁的延性更好;且随着非预应力钢筋配筋率的增加,梁的屈服荷载和极限荷载随之提高,裂缝间距、极限裂缝宽度则随之减小。

玄武岩纤维增强塑料筋;混凝土梁;无黏结;全预应力;部分预应力;后张法;受弯性能

0 前言

我国有大量工程处于高温、高寒、高盐雾等恶劣的环境之中,如港口、码头、桥梁以及化工厂厂房等,若采用传统的钢筋混凝土结构,结构体内钢筋极易锈蚀,严重影响工程的耐久性和可靠性,另一方面,对有些对电磁环境要求严格的建筑物,如地震观测站、飞机跑道、医院以及有特殊要求的实验室等使用传统钢筋混凝土结构,因结构中钢筋的存在,无法满足功能设备的电磁环境要求。纤维增强复合材料(FRP)是一种轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等优良的新型建筑材料。将FRP纤维筋混凝土结构应用于上述工程项目中,一方面可解决位于恶劣环境下建筑工程的钢筋锈蚀问题,保证建筑工程安全、正常使用,同时可以节省大量的后期维护、加固甚至重建费用。另一方面可彻底解决部分对电磁干扰有特殊要求的建筑工程的功能需求[1-3]。

为了更加充分发挥FRP筋混凝土梁中的高强度优势,改善FRP筋梁正常使用阶段的受力性能[4-5],可采用预应力结构[6-7]。同时,由于 FRP筋耐腐蚀特性,使其可以应用于无黏结预应力混凝土领域而不用担心锈蚀问题。本文在前期采用BFRP筋进行的非预应力BFRP筋梁研究[3]及有黏结预应力BFRP筋梁研究[8]的基础上,采用后张法,将BFRP筋施加预应力后用于混凝土结构中作为增强筋。制作了 1根全预应力BFRP筋混凝土梁和2根部分预应力BFRP筋混凝土梁,同时制作了1根普通BFRP筋混凝土梁,对其进行三分点加载试验,从而了解无黏结预应力BFRP筋混凝土梁受弯工作的特点,及其与非预应力BFRP筋混凝土梁受弯性能的差异。

1 实验部分

1.1 主要原料

BFRP筋,直径10 mm,浙江石金玄武岩纤维有限公司。

在进行BFRP筋混凝土梁试验前,进行了BFRP筋材料性能试验及BFRP筋与混凝土黏结性能研究[9],材料性能试验结果表明,BFRP筋为完全线弹性的材料,极限抗拉力(Fpu)为73.8 kN,极限抗拉强度(ffu)为940.1 MPa,极限延伸率为2.19%,抗拉弹性模量(Ef)为40.2 GPa;黏结性能研究结果表明BFRP筋与混凝土的黏结良好。

1.2 主要设备及仪器

数字测力计,AMPV-WB1,成都新普传感器有限公司;

智能数字应变仪,ZSY-16,自制。

1.3 试件设计

为对比无黏结预应力和非预应力、全预应力和部分预应力、非预应力钢筋配筋率等参数对BFRP筋混凝土受弯构件性能的影响,共设计4根试验梁,如表1所示;

表1 试验梁方案设计Tab.1 Design details of the test beams

参照国内外相关文献[9-10],本次试验张拉控制应力取为0.50ffu;

试验梁均采用简支梁形式,预应力BFRP筋采用直线束型,配筋及截面设计示意图如图1所示,梁全长3000 mm,净跨 2100 mm,横截面为矩形,宽度为200 mm,高度为300 mm。

图1 试验梁配筋及截面设计示意图Fig.1 Reinforcements and cross-sectional details of the test beams

1.4 性能测试与结构表征

试验在门式反力架上进行,利用分配梁采用三分点加载方式进行加载,采用手动液压千斤顶施加竖向荷载,加载程序按 GB 50152—1992进行,测试试件的开裂荷载、各级荷载作用下的裂缝宽度、各级荷载作用下的挠度、屈服荷载和极限荷载,各级荷载下BFRP筋及钢筋的应变等。

2 结果与讨论

2.1 破坏现象

图2 各试验梁的破坏状态Fig.2 Failure modes of the test beams

各试验梁加载至破坏时的图片如图2所示。从破坏特征上看,非预应力梁B1破坏形式为BFRP筋破断,而3根BFRP筋无黏结预应力梁破坏形式均为梁顶纯弯段混凝土压碎。从破坏现象上看,全预应力梁是在开裂荷载作用下持荷过程中破坏,具有“一裂就坏”的特性,破坏带有明显的突然性。非预应力梁虽破坏前变形已经很大,出现明显的破坏征兆,但破坏后就立刻断裂。部分预应力梁破坏前挠度和裂缝宽度已经较大,有明显的征兆,且破坏后不至于立即丧失承载能力。因此,相比之下BFRP筋无黏结部分预应力梁破坏特征较为理想。

值得注意的是,非预应力梁的破坏部位均在加载点附近,类似的情况在有关FRP筋混凝土梁受弯性能的试验中也有发生[3]。这种破坏情况有别于传统的钢筋混凝土梁,BFRP筋混凝土梁的这种特殊破坏形式,在很大程度上与BFRP筋的材料特征和材料特性有关[11]。

2.2 试验梁受力过程

(1)全预应力筋梁受力过程

UB0梁仅配置2根无黏结预应力BFRP筋,混凝土开裂前刚度较大,挠度及纤维筋应变变化缓慢、均匀。由于无黏结预应力筋应变增量沿筋全长平均分布,2根BFRP筋锚固端拉压传感器读值增长极为缓慢。当加载至70 kN持荷过程中,梁上突然出现竖直裂缝,其延伸高度约达到梁高 2/3处,跨中挠度和BFRP筋应变也突然增大。持荷期间,裂缝宽度及梁挠度迅速增大,最后纯弯段内梁顶混凝土被压碎,试件发生受压破坏。可见,全预应力梁在开裂荷载持荷期间破坏,具有“一裂就坏”的特点。

(2)部分预应力梁受力过程

由于非预应力钢筋的存在,部分预应力梁(UB1、UB2)受力过程与全预应力梁明显不同,最大的区别是UB1、UB2梁具有明显的屈服阶段。部分预应力梁(UB1、UB2)受弯工作可分为未裂阶段、带裂缝工作、破坏阶段3个受力阶段,下面以UB1梁为例说明。

未裂阶段:梁在开裂前刚度较大,构件变形和材料应变发展缓慢,构件作为一个完整的共同工作的整体,基本上处于弹性工作状态。

带裂缝工作阶段:由于非预应力钢筋的作用,开裂后百分表与拉压传感器的读数变化不如UB0梁明显,且裂缝较B1梁及UB0梁开展缓慢。随着荷载继续增加,梁的挠度发展明显变快,荷载-挠度发展趋势出现转折。继续加载,钢筋应变突增,表明钢筋屈服,此时可以明显观察到百分表和拉压传感器读值突然增大。该阶段末期,裂缝基本出齐。

破坏阶段:钢筋屈服后,构件进入破坏阶段。钢筋屈服后挠度发展比屈服前变快,荷载-挠度发展趋势再次出现转折。与全预应力梁相比,部分预应力梁的变形、残余变形和残余应力均较大。最后纯弯段内梁顶混凝土被压碎,试件发生受压破坏。

2.3 开裂荷载

由于试验时难以精确获取梁第一条裂缝出现时的荷载值,表2仅给出了实测开裂荷载等级。由表2可看出,(1)预应力BFRP筋梁的开裂荷载比非预应力对比梁的开裂荷载提高了至少一倍,这表明,施加预应力能有效提高构件的抗裂能力;(2)3根预应力试验梁开裂荷载基本一致,这表明在BFRP筋配筋率及有效预应力一定的情况下,开裂荷载与非预应力钢筋配筋率关系不大。

表2 试验梁的开裂荷载Tab.2 Cracking resistance loads of the test beams

2.4 非预应力钢筋屈服荷载

梁UB1和UB2受拉区非预应力钢筋屈服点荷载等级如表3所示。屈服荷载是指部分预应力BFRP梁中非预应力钢筋的屈服荷载,是BFRP筋无黏结部分预应力混凝土梁的一个重要参数,是构件刚度变化的第二个转折点。试验表明,在其他参数均一样的情况下,BFRP筋无黏结部分预应力混凝土梁中非预应力钢筋屈服荷载与非预应力筋配筋率有关,在一定范围内,提高非预应力钢筋配筋率可以有效提高屈服点荷载。

表3 试验梁非预应力钢筋屈服荷载Tab.3 Yield loads of steel bars in the test beams

2.5 极限荷载

由表4可知,全预应力无黏结梁UB0的极限荷载远小于部分预应力梁和非预应力梁。这是由于UB0梁只配置了2根无黏结BFRP预应力筋,开裂后中性轴快速上移,造成梁顶局部压应力集中,最终导致开裂后即压碎破坏,所以该梁极限承载力远小于其他几根试验梁。另外,对比3根预应力梁的极限荷载,在一定范围内,提高非预应力钢筋的配筋率能有效提高构件的极限承载力。

表4 试验梁的极限荷载Tab.4 Ultimate loads of the test beams

2.6 试验梁的荷载-挠度曲线

由表5及图3可知,无黏结预应力梁极限变形仅为非预应力梁的32.5%～59.2%,说明施加预应力能有效提高梁的整体刚度,限制变形的发展,明显改善了BFRP梁挠度过大的缺陷。

表5 BFRP筋混凝土梁的跨中极限挠度Tab.5 Ultimate deflections at mid-span of the test beams

由图3可看出,试验梁的荷载-变形曲线有以下特点:

(1)各试验梁开裂之前,基本上处于弹性工作状态,因而其荷载-变形关系呈线性发展,由于开裂前梁刚度较大,因此构件挠度发展十分缓慢;

图3 试验梁荷载-变形曲线Fig.3 Load-deflection curves of the test beams

(2)非预应力梁B1及全预应力无黏结梁UB0的荷载-变形关系曲线呈现双直线特征,转折点对应混凝土开裂。构件开裂后刚度明显降低,曲线发生转折且挠度发展明显加快。由于BFRP筋线弹性的材料特性,构件开裂后,其荷载-变形关系基本上仍然是呈线性发展的。UB0梁在开裂荷载作用下持荷破坏,该梁开裂后荷载-变形曲线基本呈水平线状态;

(3)部分预应力梁UB1、UB2的荷载-变形关系曲线呈现三直线特征,2个转折点分别对应混凝土开裂和非预应力筋屈服。由于梁UB1非预应力钢筋配筋率较低,开裂后至钢筋屈服阶段明显短于非预应力钢筋配筋率高的梁UB2,说明提高非预应力钢筋配筋率能有效限制梁刚度的衰减。非预应力钢筋屈服后,荷载主要由BFRP筋承担,由于BFRP筋弹性模量较低,因此梁刚度衰减加快,荷载-变形曲线斜率明显变小;

(4)由卸载曲线可见,全预应力混凝土梁UB0残余变形很小,部分预应力混凝土梁卸载完成后残余变形较大,且非预应力配筋较多的梁UB2残余变形明显大于钢筋配置较少的梁UB1。

2.7 裂缝发展情况

图4中,横线上数字为观测到裂缝出现时的竖向荷载值,单位为kN;横线下为极限状态下裂缝宽度,单位为mm;梁下方数字为裂缝间距,单位为mm。由图4、5可知,试验梁裂缝开展有以下特点:

(1)在相同的荷载级别下,预应力梁的平均裂缝宽度远小于非预应力梁,表明预应力可以有效抑制梁裂缝的开展;

(2)全预应力无黏结混凝土梁裂缝数量最少,只有1条,且极限状态下裂缝宽度最大,部分预应力梁极限裂缝宽度小于非预应力梁。无黏结预应力混凝土梁裂缝数量随着非预应力钢筋配筋量的增加而增加,而裂缝间距、极限状态下裂缝宽度随着非预应力钢筋配筋量的增加而减小;

图4 各试验梁裂缝开展图Fig.4 Schematic of cracks on the surfaces of the test beams

(3)非预应力梁裂缝在达到梁的极限弯矩的0.5倍时就已出齐,且出现很多水平裂缝。而无黏结部分预应力梁在弯矩达到极限弯矩的0.7～0.8倍时裂缝才出齐,且刚开裂时预应力梁裂缝延伸高度也低于非预应力梁。这表明,混凝土预压应力不仅可以提高粱开裂荷载,而且可以有效抑制裂缝的发展。

2.8 BFRP筋及非预应力钢筋应变变化情况

从图6可明显看出,由于预应力的存在,开始受力时UB0、UB1、UB2梁中的BFRP筋即有较大的应变,提前参与了工作,而当试验梁达到极限状态时,UB1、UB2梁中的BFRP筋的应变远大于非预应力梁中的BFRP筋的应变,表明由于施加预应力的结果,可以使BFRP筋提前参与工作并充分发挥其高强度特性。

图6 各试验梁加载过程中BFRP筋应变变化情况Fig.6 Strains of BFRP tendons at different load stages

从各试验梁BFRP筋应变变化曲线可看出,加载过程中非预应力梁B1及全预应力梁UB0的BFRP筋应变变化只有2个阶段,即开裂前阶段和开裂后阶段。而部分预应力梁又在钢筋屈服点处发生转折,又增加钢筋屈服前及屈服后阶段。

各梁的BFRP筋应变值在梁开裂前后均呈线性增长,开裂后B1梁及 UB0梁BFRP筋应变急剧变化,斜率明显变小,UB0更是呈水平线状态发展。而部分预应力梁 UB1、UB2,由于非预应力钢筋的存在,BFRP筋应变虽然增长加快,但斜率变化明显比B1梁及UB0梁小得多,应变增量仍然不大。同时,无黏结预应力梁预应力BFRP筋极限应变随着非预应力钢筋配筋量的提高而降低。

3 结论

(1)相比普通非预应力BFRP筋混凝土梁,采用预应力BFRP筋混凝土梁可以有效地提高梁的开裂荷载,减小裂缝宽度以及挠度,明显改善了梁在正常使用阶段的受力性能;同时,由于预应力的存在,使得预应力BFRP筋混凝土梁中的BFRP筋可以提前参与工作,充分发挥其高强度的特点,使材料性能得到充分利用;

(2)全预应力梁为开裂即破坏的脆性破坏,而采用以BFRP筋为预应力筋,以钢筋为非预应力筋的部分预应力梁破坏征兆明显,且破坏后不至于立即丧失承载能力;因此,相比全预应力BFRP筋混凝土梁,配有非预应力钢筋的部分预应力BFRP筋梁受弯性能较为理想;

(3)当预应力BFRP筋配置相同时,各无黏结预应力BFRP筋梁的开裂荷载相差不大,但随着非预应力钢筋配筋率的增加,梁的屈服荷载以及极限承载力随之提高;同时,梁的裂缝数量增多,裂缝间距、极限状态下裂缝宽度减小,部分预应力梁极限裂缝宽度明显小于非预应力梁和全预应力梁;

(4)无黏结预应力梁极限变形仅为非预应力梁的32.5%～59.2%,明显减小;但相对于全预应力梁在变形很小的情况下就脆性破坏的特点而言,配置了非预应力钢筋的试验梁在非预应力钢筋屈服后仍有一定变形,且极限变形随着非预应力钢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,飞 渭.玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯性能研究[J].中国塑料,2009,23(7):69-72.

[4] 江世永,飞 渭,胡显奇.玄武岩纤维筋混凝土梁挠度计算方法[C]//第九届全国建筑物鉴定与加固改造论文集.北京:中国建材工业出版社,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] 孙朋永,江世永,飞 渭.玄武岩纤维筋混凝土梁非线性有限元分析[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.

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[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,飞 渭.玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯破坏形态有限元分析[J].中国塑料,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

重庆市科技攻关项目(CSTC,2007AC7049)

联系人,13618354110@163.com