无粘结预应力CFRP筋混凝土梁短期刚度研究.pdf

第 4 2卷 第 1期 2 0 1 1年 1月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r VO 1 4 2 No 1 J a n ， 2 0 1 1 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 8 0 0 3 无粘结预应力 C F R P筋混凝土梁短期刚度研究 薛 辉 ( 黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 工 程 学 院 ， 黑龙 江 大 庆 l 6 3 3 1 9) 摘 要 ： 以 C F RP筋 作 无 粘 结 预 应 力 筋 同 时配 置 一 定 数 量 的 非 预 应 力 钢 筋 ， 设 计 制 作 了 4根 无 粘 结预 应 力 C F RP 筋混凝 土简支梁， 通过静 载试验考察该类构件 的受弯性能 在对试验数 据进行 分析 的基础上 ， 根据 实测荷载 一 挠 度 曲线 并 结 合 基 于双 折 直 线 理 论 的 刚度 计 算 模 式 ， 提 出 了适 合 无粘 结预 应 力 CF RP筋 混 凝 梁 的 短 期 刚 度 计 算公 式 。 关 键 词 ： 无 粘 结预 应 力 ；C F RP筋 ；混 凝 土 梁 ；短 期 刚 度 中 图法 分 类 号 ：TU 3 7 8 2 文 献 标 志 码 ：A 钢 筋混凝 土结 构 常常会 因为钢 筋 的锈蚀 而影 响结 构 的使用性能和耐久性， 特别是在强腐蚀性介质和高 应 力 的共 同作 用 下 ， 会 使 钢 筋 生 锈 ， 混 凝 土保 护 层 剥 落 ， 导致 钢筋 混凝 土结构 提前 破坏 ， 若 发 现处理 不及 时 将 导致灾 难 的发生 。碳纤 维 增强 塑料 筋 ( C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c s ) 性 能优 异 ， 不仅 重 量 轻 、 比强度 大 、 弹性 模量 高 J ， 而且 耐 热 性 高 以及 化 学 性 能 稳 定 ， 是 替代 预应 力钢丝 、 钢绞 线 的理 想 材料 ， 尤 其 适 用 于环 境恶 劣 、 腐 蚀性 高 的工程 中。 本文 在对试 验数 据 进 行分 析 的基 础 上 ， 提 出 了这 类构 件在 荷 载 效 应 标 准 组 合 作 用 下 短 期 刚 度 计 算 公 式 。 1 锚具设计 1 1 C F R P筋锚具组装件试件 的制作 选 用 X M1 51夹 片锚 具 为 基 本 锚 具 ， 国产 光 圆 C F R P筋 为研 究 对 象 。C F R P筋 锚 具 组 装 件 试 件 共 制 作 2组 ， 这 2组 C F R P筋 的直 径 分别 为 8 ， 1 0 m m。半 圆钢管 与 C F R P筋之 间利用 环氧 树脂胶 填 充 。 环 氧树脂 胶粘 结强度 3 0 MP a ， 当环境 温度 为 7 0 1 O 0 时可在 4 h左 右达 到完全 固化 ， 2 5 时 4 8 h固 化 。 半 圆钢管材 质 为 不 锈钢 ， 可有 效 防止 锈蚀 。为保 证有 足够 的粘结 强 度 ， 半 圆 钢 管长 度 为 6 0 0 m m， 如 图 1所示 。C F R P筋 锚具 组装 件试 件参 数见 表 1 。 半圆钢管 C F R t 筋 x M l 5 锚具 6 0 0 图 1 C F RP筋 锚 具 组 装 件 ( 单 位 ： mm) 表 1 C F R P筋锚具试件 参数 1 2 C F R P筋力学性能测试方案及试验结果 C F R P筋锚具 组装 件 的试 验 在 穿 心式 千 斤 顶 中进 行 ， 利用端部的传感器控制并测量所加荷载 ， 采用分级 加 载 ， 每 级 1 0 k N 。加 载示 意 图如 图 2所示 。 图 2 C F R P筋锚具组装件加载示意 在所进行的 2组共 1 4个锚具组装件试验中， 发生 拉断 破 坏 的共 计 1 3根 。被 拉断 的 C F R P筋 破 坏 部位 有 两 大类 ： 一 类 是拉 断点位 于试 件 中部 ， 筋 中的纤 维 陆 收 稿 日期 ： 2 01 00 21 0 作者简介 ： 薛 辉， 男， 讲 师， 主要 从事土木工程方面的教 学与研 究工作。Em a i l ： x u e h u i 6 8 1 8 7 1 5 1 6 3 c o n l 第 1期 薛 辉 ： 无粘结预应力 C F R P筋混凝土梁短 期刚度研 究 8 1 续被 拉 断 ， 从 而导致 C F R P筋 被 拉断 ， 破 坏 断面 参 差不 齐 ， D 8组 中发 生 此类 破 坏 现 象 的 较 多 ； 另一 类 位 于夹 片的根部 ， C F R P筋被 拉 断 ， 破 坏断 面较 为平 整 ， DI O组 中发 生此类 破 坏现象 的较 多 。有 1根试 件发 生套筒 屈 服 、 C F R P筋 被 拨 出破 坏 ， C F R P筋 锚 具 组 装 件 实 测 结 果见 表 2 。 表 2锚具组装件实测结果 编 号 拉 堋 编 号拉 鬟 D 8一 I 1 4 3 2 8 6 0 筋被拉断 D 1 0 1 1 2 5 1 5 9 2 筋被拉断 D 8 2 1 4 7 2 9 4 0 筋被拉断 D 1 0 2 1 2 2 1 5 5 4 筋被拉断 D 8 3 1 5 1 3 0 2 0 筋被拉断 D 1 0 3 1 1 7 1 4 9 0 筋被拉断 D 8 4 1 4 4 2 8 8 0 筋被拉断 D 1 0 4 1 2 1 1 5 4 1 筋被拉颤 D 8 5 1 2 1 2 4 2 0 筋被拔出 D 1 0 5 1 3 2 1 6 8 2 筋被拉断 D 8 6 1 4 9 2 9 8 0 筋被拉断 D 1 0 6 1 2 4 1 5 8 0 筋被拉颤 D 8 7 1 3 8 2 7 6 0 筋被拉断 D 1 0 7 1 2 4 1 5 8 0 筋被拉断 平均值 1 4 5 2 9 0 6 平均值 1 2 3 6 1 5 7 4 标准差4 6 7 9 3 标准差4 2 4 5 4 依据 无粘结部分预应力混凝土结构技术规程 中的相关 规定 ， 第 1 组锚 具效 率 系数 为 0 9 6， 第 2组 锚具 效率 系数 叼 为 0 9 8 。 2 梁试件设计 2 1 截面及 配筋 本 试验 共设计 了 4根梁 分别 为 J L一1 ， J L一 2 ， J L一 3 ， J L一 4 ， 截 面及 配筋 见 图 3 。 2 2 材 料 指 标 4根 试 验 梁 综 合 配 筋 指 标 ( = ( A + f y a ) 6 )拟定 为 0 2 5 ， 0 3 0 ， 0 3 5 ， 0 4 。试 验梁 混 凝 土强度 等 级 C 4 0 ， 普 通 纵 向受 拉 钢 筋 为 HR B 3 3 5 ， 箍 筋 选用 H P B 2 3 5 。试 验 前 对 材 料 性 能 进 行 了测 试 ， 混 凝 土力学 性 能试验 结果 如表 3所示 。 表 3中， ，： 为混凝 土实测立方体抗压 强度平均 值 厂 ： 为混凝土轴心抗压强度平均值， E为混凝土弹性 模 量 ， 具 体参 数 的确 定 如下 ： 表 3混 凝 土 力 学 性 能 指 标 ( 1 )混凝土抗压强度平均值厂： 的确定 ： 本试验梁 制作过 程 中 ， 预 留混 凝 土标 准 试块 ( 1 5 0 mm x 1 5 0 m m 1 5 0 m m) ， 经 过 试验 测 得 混 凝 土 立 方体 试块 的抗 压 强度平 均值 为 4 9 8 N ra m ， 即厂： = 4 9 8 N m m 。 ( 2 )混凝土轴心抗压强度平均值，： 的确定 ： f o =f： 一1 6 4 5 o - ( 1 ) -厂 0 8 8 a k ( 2 ) 式 中 ， 为混 凝 土 立方 体 抗 压 强度 标 准 值 ， N m m。 ； 为标准差 ， 取 =6 N mm ； 。 为棱柱体强度与立方 体强度的比值 ， 取 O l =0 7 6 ； 为混凝土的脆性系数 ， 取 ，=1 0 。 经过 以上 计算 ， 可 得 到混 凝 土 轴 心抗 压强 度 平均 值 l厂：= 2 6 7 N ra m 。 ( 3 )混凝 土 弹性模 量 E 的确定 ： E 2 ，) 二 。 经过 计算 可 以得 到混 凝 土 的 弹性 模 量 E =3 2 6 X 1 0 N mm 。 钢筋 力学性 能指 标试 验结果 见表 4 。 表 4不 同直 径 、 型号 钢 筋 力学 性 能 指 标 型号 直径屈服强度极限强度 犁号 直径屈服强度极限强度 一 mm MP a MP a 一 mm MP a MP a HRB 3 3 5 2 0 3 9 l 5 9 6 HR B 3 3 5 1 4 4 0 2 6 1 2 1 8 3 8 2 5 8 7 1 2 4 0 6 5 9 3 1 6 3 8 7 5 7 2 HP B 2 3 5 8 3 0 6 4 1 6 预 应 力 筋 采 用 C F R P 筋 ， 直 径 8 m m， 弹 性 模 量 1 7 5l O N m m ， 极 限抗 拉 强度 2 l O 0 N m m 。 4根梁 C F R P筋 的有效 预 应 力水 平 为 极 限抗 拉 强 度 的 6 5 7 5 。 3 刚度的计算 L - l J I _2 I - I J L 一 3 图 3 梁 配筋 ( 单位 ： m m) 梁 开 裂 刚度 计 算 式 可 采用 公 式 ( 4 ) 进行计 算 。 ( 4) 式 中 ， E 为混凝 土 弹性模 量 ； ， 0 为 截 面换算惯性矩 ；M 为受弯构件正截 8 2 人 民 长 江 面开裂 弯 矩 ； M 为按 荷 载 效 应 的 标 准组 合 计 算 的 弯 矩 值 ； JB ， 为试 验 梁 受拉区混凝土达到开裂弯矩时的刚 度折 减系 数 ， 取 0 8 5 ； O l 为开 裂 弯 矩 盂 与刚度 的计算 终点 对应 的弯矩 比值 ， 可以利用 M t M：比值来确定 ； 为 试验梁开裂后刚度降低系数。 表 5 给 出了 4 根试 验梁 开裂弯 矩 实测值 与屈服弯矩实测值 M 的 比值。 取上 限值 ： M：0 4， 则 O ： 0 4。 为试 验梁 开裂 后 的刚 度降 低 童 系数 ， 因为前 面 已经确定 ：0 4 ， 所 以 JB 可 以表示 为 卢 ， 表 6给 出 了 4 根试验 梁 的 卢 。 ， a f p和 A的计 算值 ， 其 中 O t 为 C F R P筋 的弹 性模 量 与 混 凝土 弹性模量 的 比值 ： O l =E E 。 表5 gl, M： 计算值 梁编号 ， M： 梁编号 M J L 1 0 27 J L 一3 0 2 6 J L 2 0 2 9 J L一4 0 3 6 表 6 卢 。 ， ， A计算值 编 号 卢 (1 4 A 编号 卢 0 4 A 儿 一1 0 3 7 3 0 0 6 0 0 3 3 0 J L一3 0 4 3 4 0 0 9 1 0 2 6 9 J L 一2 0 41 4 0 0 7 0 0 31 3 J L一4 0 41 6 0 1 0 7 0 3 6 4 以 1 o l f p ， A为横 坐标 ， 以 1 。 为 纵坐 标 ， 可 以得 到如 图 4的关 系 平面 。 图 4 1 。 ， 1 o q p， A拟 合 曲 面 拟合后 ， 可 以得到 以 A和 1 fp为 自变量 的 l 的计算公式为： ： 1 2 9 5 9 7 8 A+ ( 5 ) p0 4 t P 将 ： 0 8 5及公式( 5 ) 代入到公式 ( 4 ) 中， 经过 图 5 挠 度 计 算 值 与 试 验 值 对 比 适 当变换 后 可 以得 到在 混凝 土 开裂 状 态 下 ， 无 粘结 预 应 力 C F R P筋混 凝 土简支 梁 的短期 刚度计 算公 式 ： 0 8 5E ， 日 可 6 ) k = M 。 Mk ( 7 ) =0 1 6 8+2 8 0 2 A+0 0 5 8 a l p ( 8 ) 式 中， 为 反映构 件 配筋及 截 面特 征 的综 合指标 ； p为 受弯构件截面纵向受拉筋配筋率 ， P=( A +A ) b h ； A 为无 粘结 C F R P筋 配筋指标 与综 合 配筋指 标 的 比值 ， A = b ( O r A f + L A ) ； O f 为无粘结预应力 C F R P 筋的弹 性模 量与 混凝 土弹性 模量 的 比值 ， O d =E E 利用 公式 ( 6 ) 、 ( 7 ) 、 ( 8 ) 对试 验 梁 的挠 度 进 行 校 核 ， 校 核结 果如 图 5所 示 。 4结 语 本 文通 过对 4根无 粘结 预应 力 C F R P筋混 凝 土简 支梁进 行 的两点 加载 的静 载试 验 ， 提 出 了无 粘 结预 应 力 C F R P筋混凝 土受 弯构 件短期 刚度 的计 算公 式 。结 果 表 明 ， 用本 文所 提 出 的短 期 刚度 计 算 公 式 计算 的挠 度值与试验值吻合较好。 参 考文 献 ： 1 Y u a n WS l e n d e r n e s s E f f e c t s i n F R PR e i n f o r c e d C o n c r e t e C o l u mn s D C i n c i n n a t i ， O h i o ： U n i v e r s i t y o f C i n c i n n a t i 2 0 0 2 2 沈蒲生 混凝土结构设计原理 M 北京 ： 高等教育出版社 ， 2 0 0 2 f 3 j G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝土结构设计规范 S 4 J G J 9 22 0 0 4无粘结预应 力混凝土结构技 术规程 S (编辑 ： 郑 毅 ) ( 下转第 8 6页 8 6 人 民 长 江 2 0 1 1丘 结力增 加 ， 从 而提 高土 的强度 。 该 反应 为一不 可逆 反应 ， 即 当土被 I S S处 理后 ， 土 粒将不会 恢 复到原 来 的 离子 不 平 衡 状态 ， 而且 处 理 后 的小粒子 会具 有磁 力而相 互 吸引形 成大粒 子 。经压 实 后 ， 从根本上将土内部毛细管水和结合水全部去掉 ， 这 些试 剂会 牢牢地 粘 附在 土 颗 粒 上 ， 能 永久 地 将 土 的 亲 水 性变 为疏水 性 ， 从 而减 小滑 动面 的距离 和 电位 ， 当两 个相 邻 的粘 土颗 粒靠 近 ( 小 于 2 5 n n 1 ) 时 ， 双 电层 重叠 ， 层 口 形成公共结合水膜 ， 阳离子与粘土颗粒表面负 电荷 共 同吸引产 生静 电力 ， 使土 易于 压实 ， 能有效 地提 高土 的抗 剪强度 、 密度 、 压 实度 ， 减小 土 的孔 隙 比 ， 而且 I S S加 固土 的 功效 随 着 时 间 的 推 移 逐 渐 增 强 ， 强 度 也 不断增 大 。 4结 论 ( 1 )离 子土 固化 剂 能够 降低 红 粘 土 的塑 性 指 数 ， 减 小 粘 土 的 结 合 水 膜 厚 度 。 当 I S S与 水 的 配 比 为 1 ： 2 0 0 时 ， 能够使 红粘 土 的塑性 指数 降至最 低 。与不 加 I S S的土相 比 ， 加 入 I S S后 ， 红 粘 土 的塑 性 指 数 最 低 可 以控制在 2 9 左右 ， 但并 不是 I S S加入越多越好 ， 相 反 ， 当 I S S浓 度较 大之 后 ， 红 色粘 土 的塑性 指 数 又有 所 增 加 。 ( 2 )原 状 红 色 粘 土 的 比表 面 积 为 4 0 6 5 7 2 2 1 1T I g ， 经 过 I S S处理 后 的红色 粘 土 ， 其 比表 面积 减小 到 3 5 1 8 1 9 1 6 I l l g ， 降 幅达 到 1 3 4 7 ， 这 说 明 了 I S S加 固红 色粘 土前 后 ， 其 土颗 粒 的大小发 生 了明显 变化 ， 经 I S S处 理后 的 土 颗 粒 粒 径 增 大 ， 导 致 了 土 粒 比表 面 积 减小 ， 对水 的 亲水性 也就 减弱 。 参考 文献 ： 1 陈彦生 ， 董建军 电离子土壤 强化荆( I S S ) 施工指南 M 武汉 ： 武 汉工业大学 出版社 ， 1 9 9 9 2 吴志广 ， 张政权 ， 童克强， 等 离子土壤强化荆( I S S ) 在 防洪堤 坝工 程 中应用( 上 、 下册 ) M 武汉： 武汉工业 大学出版社 ， 2 0 0 0 3 S L 2 3 71 9 9 9土工 试验规 程 S 北京 ： 中 国水利水 电 出版 社 ， 1 9 9 9 4 汪益敏 ， 贾娟 ， 张丽娟 ， 等 I S S加 固土的微观结构及强度 特征 J 华南理 工大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 2， 3 0 ( 9 ) ： 9 6 9 9 5 王尚， 张玉斌 ， 卓建平 I S S离子稳 固剂稳 定土反应机 理及其应 用 探讨 J 公路 ， 2 0 0 5 ， 7 ： 1 9 21 9 4 6 彭波， 原健安 ， 戴经粱 固化剂加 固土的研 究 J 西安公路 交通 大 学学报 ， 1 9 9 8 ， 1 8 ( 3 ) ： 2 2 92 3 4 7 方云， 林 彤 ， 谭 松 林 土 力 学 M 武汉 ： 中 国地质 大学 出版社 ， 2 0 0 3 ( 编 辑 ： 赵 风 超 ) Ex p e r i m e nt a l s t ud y o n s p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f r e d c l a y s t r e n g t he ne d by I S S L U Xu e s o n g 一 XI ANG W e i (1 Hu a n g g a n g N o r ma l U n i v e r s i t y ，Hu a n g g a n g 4 3 8 0 0 0，C h i n a； 2 F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y of G e o s c i e n c e ( Wu h a n) ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4，C h i n a ) Abs t r a c t： We us e I S S t o s t r e ng t h e n t h e r e d c l a y i n W u ha n Ci t y a n d t a ke s a mp l e s t o c o n du c t e x p e r i me n t a l s t ud y o n t he c ha n g e o f pl a s t i c i t y i nd e x，s p e c i fic s urfa c e a r e a a n d b o u nd wa t e r be t we e n c l a y e y p a r t i c l e s o f t he s t r e n g t h e n e d s o i l Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p l a s t i c i t y i nd e x e s o f t h e r e d c l a y e y s o i l mi x e d wi t h I S S d e c r e a s e i n v a r yi n g d e g r e e s ，a n d t h e l o we s t p l a s t i c i t y i nd e x c a n be c o n t r o l l e d t o a b o ut 29 ；t h e s p e c i f i c s urfa c e a r e a de c r e a s e a s we l l wi t h a mp l i t u de o f 1 3 4 7 We a n a l y z e t h e s t r e ng t h e ni n g me c h a n i s m o f I SS f r o m t h e i n flue nc e s o f I S S o n t he c l a y p a r t i c l e s s t r u c t ur e o f e l ec t r i c d o ub l e l a y e r Ke y wo r ds： I S S；r e d c l a y；s t a b i l i z i ng me c h a n i s m ；s pe c i fic s u rfa c e a r e a；e l e c t r i c d ou b l el a y e r ；bo un d wa t e r ， 一， 】一 ( 上接第 8 2页j 】， 】H 、 t S ho r t t e r m s t i f f n e s s s t ud i e s o f c o nc r e t e b e a m s p r e s t r e s s e d wi t h u nb o nd e d CFRP t e n do ns XUE Hu i ( C o l l e g e ofE n g i n e e r i n g， H e i l o n g fi a n g B a y i A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， D a q i n g 1 6 3 3 1 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： We d e s i g n e d 4 u n b o n d e d p r e s t r e s s e d C F R P ( C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c s )r e i n f o r c e d c o n c r e t e s i mp l e b e a ms ， whi c h we r e r e i n f o r c e d wi t h CFRP u n bo n d e d t e nd o n s a n d a c e r t a i n nu mbe r o f n o np r e s t r e s s i n g t e n do ns The f l e x u r a l p e rfo r ma nc e o f t h i s k i nd o f b e a ms wa s i n v e s t i g a t e d b y s t a t i c l o a d t e s t Ba s ed on a n a l y s i s o f t e s t da t a，a c c o r d i ng t o t h e me a s ur e d l o a dde fle c t i o n c u r v e a n d c o m b i n i ng wi t h t h e s t i f f ne s s c a l c ul a t i n g mo d e o n t h e b a s i s o f do u b l e f o l d l i n e t h e o r y，we p r e s e n t e d t he c a l c u l a t i n g f o r mul a o f s h 0 n t e r m s t i f f ne s s f o r c o nc r e t e b e a ms p r e s t r e s s e d wi t h u nb o n de d CFRP t e nd o n s Ke y wor ds： un b o nd e d pr e s t r e s s i n g； CFRP t e n do n s； c o n c r e t e b e a ms； s h o r tt e r m s t i f f n e s s