先张法预应力玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯性能试验研究

飞 渭,李炳宏,江世永,胡显奇,石钱华,王兰民

(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)

先张法预应力玄武岩纤维增强塑料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,石钱华2,王兰民3

(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)

采用先张法工艺设计制作了1根全预应力玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP筋)混凝土梁,2根部分预应力BFRP筋混凝土梁和1根普通BFRP筋混凝土梁,对其进行三分点加载试验,主要测试了构件的开裂荷载、裂缝和挠度发展情况、屈服荷载和极限荷载等性能。结果表明,对BFRP筋施加预应力,可以提高梁的抗裂度,有效减小梁的挠度和裂缝宽度;非预应力钢筋的配筋率越大,梁的极限抗弯承载力越大,在BFRP筋配筋率相同的情况下,全预应力梁和非预应力梁的极限抗弯承载力相当;在预应力梁中采用非预应力钢筋,可以减小裂缝宽度间距,并且提高梁的延性;全预应力梁和非预应力梁在纯弯段上的裂缝数量和裂缝分布基本相同,部分预应力梁的裂缝数量明显多于全预应力梁和非预应力梁。

玄武岩纤维增强塑料;先张法;预应力混凝土梁;弯曲性能

0 前言

目前的混凝土结构都是以钢筋为增强材料,这种结构形式因其良好的受力性能而广泛应用。然而,普通的钢筋混凝土结构在一些特殊的使用环境或使用要求下存在一定的局限性,如在侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构极易发生钢筋锈蚀并最终导致混凝土构件破坏。此外,钢筋为金属材料,在某些特殊的建筑(如变电所基础、飞机跑道、医院以及有特殊要求的实验室等)中,钢筋混凝土结构中钢筋的存在对整个结构的电磁场会产生不利的影响,限制了钢筋混凝土结构的应用。因此,在一些特殊的场合,需要寻找一种能替代钢筋的增强材料。

BFRP筋是一种新型复合材料,具有耐酸、耐碱、强度高、电磁绝缘性好等特点[1-2],在一些对电磁环境要求较高的特殊建筑中以及易遭受腐蚀介质侵蚀的结构中,采用BFRP筋作为增强材料用于混凝土结构,其良好的耐腐蚀性能以及电磁绝缘性能具有普通钢筋混凝土结构不可比拟的优越性。本课题组对此已进行了大量的研究并在实际工程中得到了应用[3],取得了较好的效果。

然而,由于纤维增强塑料材料具有弹性模量较低等缺陷,若直接将纤维增强塑料筋用于混凝土结构中会导致构件裂缝较宽、挠度较大,使得纤维增强塑料筋混凝土梁正常使用的性能不佳。为解决此问题,通常在进行纤维增强塑料混凝土构件设计时,以构件的正常使用性能作为设计依据,但这样又会使构件中纤维增强塑料的配筋率大很多,且纤维增强塑料筋强度得不到发挥,导致材料浪费。同时纤维增强塑料筋的高强性能得不到充分利用,造成浪费。为解决上述问题,本文采用BFRP筋,并将其施加预应力后用于混凝土结构中作为增强筋,以充分发挥纤维增强塑料筋的优势,改善纤维增强塑料筋梁正常使用阶段的受力性能。

本文采用BFRP筋,通过先张法工艺,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,从而了解先张法预应力BFRP筋混凝土梁受弯工作的特点以及其与非预应力BFRP筋混凝土梁受弯性能的差异。

1 实验部分

1.1 BFRP筋材料

试验中采用的BFRP筋由浙江石金玄武岩纤维有限公司提供,它是以连续玄武岩纤维为增强材料,以乙烯基树脂及填料固化剂等为基体材料,通过拉挤工艺加工成型的。其表面变形的特征比较明显(见图1),具有良好的整体性能,并且与混凝土的黏结良好[4]。

图1 试验中采用的BFRP筋Fig.1 BFRP bars used in the tests

试验中采用的BFRP筋的名义直径为10 mm。BFRP筋力学性能试验表明,BFRP筋为线弹性的材料,其有关力学性能技术指标如表1所示。

表1 BFRP筋力学性能技术指标Tab.1 Mechanical properties of BFRP bars

1.2 梁式试验

梁式试验设计要点如下:

(1)所有梁均为简支梁形式,截面尺寸为200 mm×300 mm,梁全长3000 mm,净跨2100 mm。试验梁示意图如图2所示。

图2 试验梁加载示意图Fig.2 Schematic diagram of test beams

(2)梁底预应力BFRP筋和非预应力钢筋为单排布置,预应力BFRP筋布置在两端,非预应力钢筋布置在中间。

(3)根据试验需要,进行配筋及截面设计[5],按照“强剪弱弯”原则,将试件设计为发生受弯破坏,避免发生受剪破坏。构件的配筋情况见表2,配筋及截面设计示意图见图3。

表2 试验梁配筋情况一览Tab.2 Reinforcements details of test beams

图3 试验梁配筋及截面设计示意图Fig.3 Schematic diagram of reinforcements and cross-sectional details of test beams

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,加载程序参照《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—1992)的有关规定进行[6]。试验中所需测量的内容有: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、极限荷载等。

2 结果与讨论

2.1 破坏模式

试验梁的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种类型。其中,B1梁、YB0梁和 YB1梁的BFRP筋被拉断,YB2梁受压区混凝土被压碎。2种类型的破坏虽然都为脆性破坏,但相比之下,受压破坏的延性相对较好,构件的变形较小;而受拉破坏时由于BFRP筋断裂,破坏的发生非常突然,构件的变形也较大。

值得注意的是,发生受拉破坏的B1梁和 YB0梁,其破坏部位均在加载点附近(见图4),类似的情况在有关非预应力纤维增强塑料筋混凝土梁受弯性能的试验中也有发生[3,7]。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着关系[8]。

图4 试验梁的破坏模式Fig.4 Failure modes of test beams

2.2 受力过程

预应力BFRP筋混凝土梁的受力过程大致可以分为3个阶段:未裂阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。

(1)未裂阶段:混凝土开裂之前,BFRP筋和钢筋与混凝土的黏结完好,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。

(2)带裂缝工作阶段:混凝土开裂后,荷载 -挠度曲线发生转折。对于配置有非预应力钢筋的构件而言,当非预应力钢筋屈服时,荷载-挠度曲线再次发生转折,该阶段末期,梁上的裂缝基本出齐。

(3)破坏阶段:带裂缝工作阶段和破坏阶段没有明显的界限。对于受压破坏,构件进入破坏阶段的特征主要表现为受压区混凝土开始出现细小裂缝。对于受拉破坏,构件进入破坏阶段的特征主要表现为构件挠度急剧增大,裂缝宽度已经十分明显,甚至可以透过裂缝看到梁内的BFRP筋或钢筋。

2.3 开裂荷载

各试验梁的开裂荷载及其对比情况如表3所示。由表3可以看出,在对BFRP筋混凝土梁施加预应力后,其开裂荷载有很大程度的提高。3根预应力梁的开裂荷载基本相当,说明在BFRP筋配筋率和有效张拉应力相同的条件下,非预应力钢筋的配筋率不影响梁的开裂荷载。本文分析认为,BFRP筋有黏结预应力混凝土梁的开裂荷载取决于有效预应力和混凝土拉伸强度标准值。

表3 各试验梁的开裂弯矩Tab.3 Cracking loads of test beams

2.4 极限荷载

由表4可见,普通梁B1和全预应力梁YB0的极限抗弯承载力相差不大。YB0、YB1、YB2梁的抗弯承载力呈递增关系。由此可见,在BFRP筋配筋率相同的情况下,全预应力BFRP筋混凝土梁和非预应力BFRP筋混凝土梁的极限抗弯承载力相当,对BFRP筋施加预应力不会提高构件的极限抗弯承载力;非预应力钢筋配筋率越大,梁的极限抗弯承载力越大,增加非预应力钢筋能提高构件的极限抗弯承载力。

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

2.5 挠度发展情况

各试验梁在受力各阶段的挠度发展情况见表5。表5列出了与开裂弯矩Mcr、0.6Mu(对应于部分预应力梁的屈服弯矩)、极限弯矩Mu对应的跨中挠度值和挠跨比。

表5 各试验梁的跨中挠度和挠跨比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筋配筋率相同的情况下,对BFRP筋施加预应力能明显减小梁的挠度;在有效张拉应力和预应力BFRP筋配筋率相同的情况下,预应力梁的挠度随着非预应力钢筋配筋率的增加而增大;与非预应力钢筋屈服前一级荷载对应的构件挠跨比在1/500～1/1000,这是比较理想的挠跨比值,本文建议,对于预应力BFRP筋混凝土梁而言,可以把非预应力钢筋屈服时的荷载作为构件的正常使用极限荷载。

各试验梁的荷载-挠度关系曲线见图5,其中,f0、fl、fr分别为跨中、左加载点、右加载点的挠度值。

图5 各试验梁的荷载-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curves of the test beams

采用非预应力钢筋和预应力BFRP筋混合配筋的部分预应力梁的荷载 -挠度曲线和全部采用预应力BFRP筋配筋的全预应力梁的荷载 -挠度曲线是有所区别的。如图5(b)～(d)所示,部分预应力BFRP筋混凝土梁的荷载-挠度曲线呈3折线状,2个转折点分别对应混凝土开裂和非预应力钢筋屈服,3段直线分别反映开裂前弹性、开裂后弹性和塑性3个不同的工作阶段。而对于全预应力梁,由于全部采用预应力BFRP筋进行配筋,因而没有屈服点,其荷载 -挠度曲线由2段直线组成,如图5(b)所示,转折点即对应混凝土开裂,2段直线分别反映开裂前弹性、开裂后弹性2个不同的工作阶段。

非预应力梁的荷载-挠度曲线的形状与全预应力BFRP筋混凝土梁的相似。其区别在于,非预应力梁开裂前的弹性阶段很短,开裂荷载较小。而全预应力梁的开裂荷载明显提高,开裂前的弹性阶段较长,开裂后至构件破坏之间的阶段较短,其极限挠度明显小于非预应力梁。

2.6 裂缝发展情况

各试验梁纯弯段的平均裂缝宽度(ωm)和最大裂缝宽度(ωmax)如表6所示。

表6 各试验梁纯弯段的裂缝开展情况 mmTab.6 Cracks’widths and intervals of test beams mm

由表6可知,对BFRP筋施加预应力能有效减小构件的裂缝宽度,预应力梁的平均裂缝宽度明显小于非预应力梁;在预应力BFRP筋配筋率相同的情况下,非预应力钢筋的配筋率越大,平均裂缝宽度和平均裂缝间距越小。各试验梁的裂缝开展图如图6所示。

图6 各试验梁的裂缝开展图Fig.6 Skeleton of cracks on the test beams

由图6可见,非预应力梁的裂缝数量要多于全预应力梁,全预应力梁在剪弯段上的裂缝较少,两者在纯弯段上的裂缝数量和裂缝分布基本一致。部分预应力梁的裂缝数量明显多于全预应力梁和非预应力梁,随着非预应力钢筋配筋率的增加,构件上的裂缝随之增多,裂缝间距随之减小,构件的延性也随之提高。

3 结论

(1)对BFRP筋施加预应力,可以提高梁的抗裂度。在BFRP筋配筋率和有效张拉应力相同的条件下,非预应力钢筋的配筋率不影响梁的开裂荷载;

(2)对BFRP筋施加预应力,可以显著减小梁的挠度。在BFRP筋配筋率和有效张拉应力相同的条件下,预应力梁的挠度随着非预应力钢筋配筋率的增加而增大;

(3)对BFRP筋施加预应力,可以有效减小梁的裂缝宽度。在预应力梁中配置非预应力钢筋,可以减小裂缝宽度和间距,并且提高梁的延性。随着非预应力钢筋配筋率的提高,裂缝数量随之增加,平均裂缝宽度和平均裂缝间距随之减小;

(4)非预应力钢筋的配筋率越大,梁的极限抗弯承载力越大。在BFRP筋配筋率相同的情况下,全预应力梁和非预应力梁的抗弯承载力相当;

(5)全预应力梁和非预应力梁在纯弯段上的裂缝数量和裂缝分布基本相同,部分预应力梁的裂缝数量明显多于全预应力梁和非预应力梁。

[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,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] 李 新.玄武岩纤维增强塑料筋粘结性能试验研究[D].重庆:后勤工程学院,2008.

[5] 中华人民共和国建设部.GB50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[6] 中华人民共和国建设部.GB50152—1992混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,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,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 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

重庆市科技攻关项目(CSTC,2007AC7049)

联系人,pride-in-my-eye@163.com