低周反复荷载作用下CFRP-PCPs复合筋混凝土梁挠度和延性试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 6期 (总 第 2 9 6 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 6 0 0 3 低周反复荷载作用下 C F R P P C P s复合筋混凝土梁 挠度和延性试验研究 张鹏 ，钟卿瑜 ，邓宇 ，聂威 。刘闻冰 ，牟晓辉 ( 广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ) 摘要 ： 基于 5 根不同张拉控制应力和不同截面面积的 C F R P P e P s 复合筋的混凝土梁在低周反复荷载下的试验， 对 C F R P P e P s 复合筋混凝土梁挠度进行研究 ， 根据试验结果 ， 提出了 C F R P - P C P s 复合筋混凝土梁挠度计算方法 ， 对 比表明试验结果与计算值吻合 较好。 试验表明， C F R P P C P s 复合筋混凝土梁相比于预应力 C F R P筋混凝土梁 ， 有效改善了构件的受力性能和变形能力 。 关键词： C F R P P e P s 复合筋 ；混凝土梁 ；低周反复荷载；试验研究 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 0 9 0 4 E x p e r i me n t s t u d y o n de f l e c t i o n a n d d u cti l i t y o f c o n c r e t e b e a ms o f CF R P - P CP s c o mp o s i t e t e n d o n s u n d e r l o w c y c l i c I o a d i n g s Z HANGP e n g ， Z HONG Q i n g y u ， DE NG Yu ， NI E We i ， L I U We n b i n g， MOUXi a o h u i ( De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n dAr c h i t e c t u r e ， Gu a n g x i Un i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e d o n di ffe r e nt t e n s i o n c o nt r o l s t r e s s an d d i ffe r e n t c r o s s - s e c t i o n a l d i me n s i o n o f CFRP P CPs c omp os i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e be a ms c y c l i c l O a d i n g we r e t e s t e d o n fiv e c o nc r e t e b e am s De fle c t i o n of c o mp o s i t e r e i n for c e d c o n c r e t e b e a ms o f CF RP PePs i S i n v e s t i g a t e dAc c o r d i n g t o t h e e xp e rime n t a l r e s u l t s ， a d e fle c t i o n e x pr e s s i o n i s p u t f o r wa r d Co mp a ris o n wi t h e x pe r i me n tal r e s ul t s s h o we d r e a s o n a b l e ma t c hi n g t h e c a l c u l a t e d va l u e s Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w tha t c o mp are d wi th t he c o n c r e t e b e am s o f p r e s t r e s s e d CFRP t e n d o ns 。 the c o n c r e te be am s o f CF RP PCPs c o mp os i t e t e n d o ns e ffe c t i ve l y i mp r o v e s the s t r u c t u r e of the f o r c e pe r f o r man c e a n d d e f o rm a t i o n c a p a c i t y Ke y w o r d s ： C F RP P e P s c o mp o s i t e t e n d o n s ； c o n c r e t e b e am s ； l o w c y c l i c l o a d i n g s ； e x p e ri me n tal r e s e a r c h 0 引言 C F R P P C P s ( c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p r i s ms ) 复合筋是一种新型复合材料 ， 具有轻质 、 高 强 、 耐腐蚀等优点 ， 但其应力 一 应变本构关系为线弹性 ， 无 屈服点和屈服台阶 ， 经 C F R P筋代替普通钢筋的构件挠度偏 大 ， 延性降低 。 为了充分发挥 C F R P筋的材料特性 ， 本课 题组提 出了 C F R P预应力混凝土棱柱体( c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p r i s ms ， 简称 C F R P P e P s 复合筋) 的设计概念。 在考虑 C F R P P e P s 复合筋截面等效 原理的基础上， 提出了C F R P P e P s 复合筋混凝土梁在低周 反复荷载作用下挠度计算 方法 ， 并对建议公式的适用性进 行验证。 1试 验 设 计 1 1 CF RP P CP s 复合 筋 制作过程： 将 C F R P筋两端安装特制锚具 ， 灌浆养护 达到强度后置于张拉控制台上的 C F R P P e P s 复合筋模 具 中，校正对中后用先张法技术工艺在张拉控制 台上用 千斤顶进行分级张拉 ， 预应力 C F R P筋采用一端张拉工艺 。 待 预应力 C F R P筋张拉 稳定后 ， 用搅拌 好 的高性 能活性 粉末混凝土浇筑在模具 内， 振捣密实 。 将浇筑好 的棱柱体 正常养护 2 8 d 后放张， 完成将预应力施加在高性能活性粉 末混凝土棱柱体上 ， 即制作完成了 C F R P P C P s 复合筋。 试 验用 的高性 能活性粉末混凝土 和 C F R P筋的材料力学性 能分别见表 1 、 2 ， C F R P筋张拉过程 中的张拉 控制荷载见 表 3 。 C F R P P C P s 复合筋兼备 C F R P筋和高性能活性粉末 混凝土的优点 ， 具有耐腐蚀性好 、 抗剪 、 抗拉强度高 、 抗 压 、 抗弯折性能好等优点。 另此复合筋可批量化生产， 再输送工 地 ， 直接使用 ， 方便快捷 。 C F R P P e P s 复合筋成品见图 1 。 表 1 混凝土的力学性能指标 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 - 0 1 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 6 8 0 0 6 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 0 8 0 9 9 ) ； 广西 自然科学基金青年项 目( 2 叭2 G xN s F B AO 5 3 1 5 9 ) 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 变片 ， 用 以测量梁跨 中底部和顶部各贴 2 个 1 0 0 m inx 3 m i l l 应变片 ， 用 以测量梁跨 中底部和顶部表面混凝 土的应变 ， 验证构件的平截面假定 ； 在 C F R P P C P s 复合筋跨 中纯弯段 连续布置 5 个 1 0 0 min x 3 m n l 应变片， 以测量该复合筋在受 力过程 中的应变和大致开裂时问。 所有测量数据通过英 国 输力强数字采集仪采集， 并生成相应的曲线图。 2 试验结果分析 本试验中， 试件 C B 1 为普通钢筋混凝土对比梁 ， 试件 P B 0 后张法张拉 的普 通预应力 C F R P筋混 凝土梁 ，试件 P B 1 和 P B 2 对 比的是不同张拉控制应力对挠度的影响 ， 试 件 P B 1 和 P B 3 对比的是复合筋截面尺寸对挠度的影响。 试验的主要结果见表 6 。 表 6 各试件主要试验结果 5 个试件的破坏模式为 ： 试件 C B 1 混凝土被压酥 ； 试件 P B 0 预应力 C F R P筋脱锚 ， 混凝土被压酥 ； 试件 P B1 、 P B 2 和 P B 3 均为底部混凝土被压碎 ， 底部钢筋鼓 出 ， 复合筋发 生断裂 。 试件 C B 1 由于配筋率较高 ， 在加载后期， 极限阶段的 挠度较大但承 载力不下降 ， 且延性系数 比试件 P B 0 、 P B 1 、 P B 2 、 P B 3 的延性系数大， 表明预应力水平的增加使试件的 延性降低。 试件 P B 0 在屈服 阶段的挠度小 ， 正 向承载力 也 明显 偏低 ； 由于预应力 的作用 ， 试 件 P B 0在屈服 阶段正 向挠度 明显小于反向挠度， 但在加载后期预应力筋脱锚 ， 导致预 应力损失严重 ， 使得极 限阶段 的挠度过 大 ， 因此相 当于具 备了一定的延性； 该试件的耗能能力较其他试件明显降 低， 此外， 在同一量级的循环加载中， 其正向耗能大于反向 耗能。 对于 C F R P P C P s 复合筋混凝 土梁 ， C F R P P C P s 复合筋 混凝土梁在双向承载力和变形恢复能力上明显优于预应力 C F R P筋混凝土梁； 预应力 C F R P筋混凝 土梁和 C F R P P C P s 复合筋混凝土梁较普 通钢筋混凝土梁均有提高正 向开裂 荷载 的作用 ， 而 C F R P P C P s 复合筋混凝土 梁的反 向开裂 荷载值均高 于预应力 C F R P筋混凝土梁和普通钢筋混凝 土梁 ； 所有试件 的下部极限荷载大于上部极 限荷载 ， 这是 由于试件的 自重与上部的配筋较大引起的。 3 挠度 的计 算 3 1 国外 F R P筋混凝土梁的挠度计算方法 目前 ， 国外关于预应力 F R P筋混凝土梁的挠度计算方 法 ， A C I 4 4 0 4 I _ 0 4 ， J S C E和 C S A S 8 0 6 _ 0 2 规 范建议 可参 照普通钢筋混凝土梁 的方法进行计算。 试件开裂前处于弹 性受力阶段 ， 将 F R P筋面积按弹性模量 比折算成混凝土 的 面积， 得到换算截面惯性矩即可计算挠度值； 开裂后， 预应 力 F R P筋混凝土梁刚度 明显降低 ， 因此需要考虑裂缝对混 凝土梁截面惯性矩的影响 ， 而且裂缝之 间的混凝 土由于黏 结应力的存在还能承担一部分拉力， 所以在弯矩相等的纯 弯段上， 各截面刚度也不等， 裂缝截面处刚度最小。 因此， 计算挠度的关键在确定梁的抗弯刚度 。 A C I 4 4 0 1 I 0 1 规定 ， F R P筋? 昆 凝 土梁截 面开裂后 的有效惯性矩 厶可按式( 1 ) 、 ( 2 ) 计算 ： ， o l1_ ( =O b ( E f E + 1 ) ( 2 ) 式中 ： 刚度折减系数 ； E 、 E F R P筋和钢筋 的弹性模量 ； F R P筋黏结系数 ， 取为 0 5 ； ， 0 、 开裂前截面惯性矩和开裂截面惯性矩 ； 幄 开裂弯矩 ； 荷载作用下的计算截 面弯矩。 3 2 本文建议的挠度计算方法 试件在开裂前处于弹性受力阶段 ， 可参照结构力学的 虚功原理 ， 采用换算截面惯性矩来计算开裂前 C F R P P C P s 复合筋混凝土梁的挠度 。 C F R P P C P s 复合筋混凝土梁在开 裂后刚度明显降低， 此时， 挠度的计算需考虑开裂对混凝 土梁截 面惯性矩的影响 ， 即开裂软化效应。 本文在试验 的基 础上， 结合我国现有规范问 ， 对 C F R P P C P s 复合筋混凝土 梁在正常使 用极 限状 态下 的跨 中挠度进行研 究 ； 考 虑到 C F R P P C P s 复合筋混凝土梁 中有 C F R P筋 、 普通钢筋 、 高性 能活性粉末混凝土和普通混凝土 ， 针对 C F R P P C P s 复合筋 混凝土梁的特点及以上分析 ， 采用将 C F R P P C P s 复合筋换 算成普通钢筋 ， 对现行混凝土结构设计规范叫 适用于普通 钢筋混凝土受弯构件 的短期刚度 B s 计算公式进行修正 ： 曰 皇 ! ( 3 ) 1 1 5 0 + 0 2 + 1 + 3 5 y ； ： 1 1 0 6 5 ( 4 ) p0 广 s p 生 ( 5 ) A A。 也。 ( 6 ) ( 7 ) 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中： p _一普通纵向钢筋的配筋率， p c = A ( b h 。 ) ； P 广tF R P筋等效为普通钢筋后的配筋率， m= w A ( b h 0 ) ； 广预应力 C F R P 筋等效系数 ， 佤 ； p 高 性能活性粉末混凝土等效为普通钢筋后的 配筋率 ， A ( b h 。 ) ； 高性能活性粉末混凝土等效系数， = 佤 ； 广钢筋与混凝土 、 C F R P筋与混凝土 、高性能活 性粉末混凝土与混凝土的弹性模量比值的平 均值 ； E 。 ， ， ， E 一 普通钢筋 、 C F R P筋 、 混凝土 、 高性能 活性粉末混凝土的弹性模量 ； A s _ 正后的复合筋面积 A 。 与受拉 区普通纵 向钢筋之和 ； 。 。 c F R P筋等效为普通钢筋后 的面积 ； A 一高性能混凝土等效成普通钢筋后的面积。 其他符号意义同现行 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 混凝土结构 设计规范 。 3 3 计算值与实测值的对比 采用上述公式 ， 运用结构力学 的力法求得各试件跨 中 挠度计算值 咖和实测值 。 叮 对比见表 7 。 应用本文建议公 式对各 C F R P P C P s 复合筋混凝土梁跨 中正常使用极 限状 态下 的挠度值进行计算 ， 采用建议 公式计算的挠度值 与试 验值具有 良好 的吻合度 ， 其 中梁试件挠度 的计算值要略低 于试验值 。 4结 论 总的来说 ，与普 通预 应力 C F R P筋混凝 土梁 相 比， C F R P P C P s 复合筋混凝土梁在正向荷载作用下各受力阶 段挠度较大 ， 这主要是 由于加载装置和分 配梁的 自重 引起 的， 其在反向荷载作用下各受力阶段挠度较小 ； C F R P P C P s 复合筋混凝土梁的挠度与 C F R P筋的张拉控制应力及复 合 筋的截面 面积有关 ， 随着 复合筋 张拉 控制预应 力和截 面面积 的增大 ， 构件 的挠 度有 一定程 度 的增大 。 各 试件 在 正 常使用 极限状 态下 的跨 中挠 度 的计 算值 与实 测值 上接第 8页 【 1 2 】 邢德山， 阎维平 用压汞法分析工业半焦的孔隙结构特征【 J 】 华 北电力大学学报， 2 0 0 7 ， 3 4 ( 5 ) ： 5 7 6 3 【 1 3 K YO J I T， K I YO F UMI K De v e l o p me n t o f t e c h n i q u e f o r o b s e r v i n g p o r e s i n h a r d e n e d c e m e n t p a s t e J C e me n t a n d Co n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 1 4 3 5 1 4 4 1 1 4 1 沈业青， 邓敏， 莫立武 孔结构测试技术及其在硬化水泥浆体结 构表征中的应用 J 】 _硅酸盐通报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 1 9 1 1 1 9 6 1 5 1 3 JJ v 3 、 平， 石玉江， 姜英昆 复杂孔隙结构储层含气饱和度评价方 法 天然气工业 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 4 1 4 4 【 1 6 朱明华仪器分析 M E 京 ： 高等教育出版社， 2 0 0 0 1 7 G O R C E J P ， MI L E S T O N E N B P ro b i n g t h e m i c r o s t r u c t u r e and w a t e r p h a s e i n c o m p o s i t e c e m e n t b l e n d s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 3 ) ： 1 6 7 3 1 6 7 5 1 8 L E V E N T I S A ， V E R G A N E L A K I S D A， H A L S E M R ， e t a 1 C a p i l l a r y 1 2 表 7 试件跨中挠度计算值与实测值对比 对比表明， 提出的基于我国规范的修正公式具有较好的 适 用性 。 为 C F R P P C P s 复合 筋的研究 和投入实 际工 程提 供参考 。 提高复合筋 的张拉控制应力和增大复合 筋的截面尺 寸均能有效提高构件的变形能力 ， 且增大复合筋的截 面尺 寸 比提高复合筋的张拉控制应力更能有利于提高构件 的 变形能力； 增大复合筋的截面尺寸和 C F R P筋张拉预应力 的提高会对试件 的延性性能产生不利影 响。 参考文献： 1 陈立军 混凝土孔径尺寸对其使用寿命的影响 J 】 _武汉理工大学 学报， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 0 5 【 2 】 张鹏， 邓朗妮， 邓宇 F R P筋混凝土梁的挠度计算方法 J 】 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 4 1 6 3 3 薛伟辰 ， 郑乔文 ， 杨雨纤维塑料筋混凝土梁挠度的计算方法f J 】 水利学报， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 8 8 3 8 8 8 【 4 】 邓朗妮， 张鹏， 燕柳斌， 等预应力C F R P板加固钢筋混凝土梁的 延性设计方法 J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 2 5 2 7 【 5 】A CI 4 4 0 1 R _ 2 0 0 1 ， G u i d e f o r t h e d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e r e i n f o r c e d w i t h F R P b a r s S 【 6 】G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 E 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 作者简介 ： 联系地址： 联系电话 ： 张鹏( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 博士， 教授， 研究： 主要从事结构工 程研究。 广西柳州市东环大道2 6 8 号 广西科技大学土木建筑 工程学院( 5 4 5 o 0 6 ) 1 3 3 0 7 72 0 31 8 i mb i b i t i o n and p o r e c h ara c t e r i z a t i o n i n c e me n t p a s t e 【 J 】 T r a n s p o r t i n P o r o u s M e d i a ， 2 0 0 0 ( 3 9 ) ： 5 7 1 4 3 【 l 9 】 杜国浩， 陈荣昌， 谢红兰， 等 同步辐射在显微 c T中的应用【 J J 生 物医学工程学进展， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 4 ) ： 2 2 6 2 3 1 【 2 O l 黄新， 袁润章， 龙世宗。 等 水泥粒径分布对水泥石孔结构与强 度的影fl J 1 硅酸盐学报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 7 ) ： 8 8 8 8 9 1 【 2 q 张士萍， 邓敏， 吴建华， 等 孔结构对混凝土抗冻性的影B r J 1 武 汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 6 ) ： 5 6 5 9 作者简介： 联系地址： 联系电话 ： 陆安群( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士， 工程师， 研究方向： 水泥混 凝土。 江苏省南京市江宁区醴泉路 1 1 8号( 2 1 1 1 0 3 ) 1 3 77 O 8 51 49 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m