Progress in Studies on Flexural Behaviors of Concrete Beams Prestressed with FRP Tendons

Abstract

Studies on concrete structures prestressed with FRP tendons have been emphasized in engineering structure field. This paper briefly introduces the main progress in the studies on flexural behaviors of internal bonded, internally unbonded and externally unbonded prestressed concrete beams with FRP tendons. Finally, advices for advanced research are proposed.

Content

《1 前言》

1 前言

通常情况下, 钢筋混凝土结构具有承载力大、受力性能良好、造价低廉等优点。但当应用于桥梁、路面、水工结构、港口结构以及其他具有侵蚀性或暴露性的环境时, 由于钢筋的锈蚀而导致结构破坏的后果将是非常严重的;特别是钢筋腐蚀后, 对预应力结构造成的危害更大。资料表明, 现在美国近50万座桥梁中, 有1/4因钢筋锈蚀而严重损坏, 进行修补至少需要400亿美元;欧洲每年因钢筋锈蚀而引起的经济损失达15亿美元左右。为解决上述问题, 自20世纪80年代中期以来, 欧美及日本等国开始采用纤维塑料筋 (FRP) 代替钢筋。

FRP材料的主要特点有:抗拉强度高, 与高强钢丝不相上下;抗腐蚀性能和抗疲劳性能优良;容重小, 仅为钢材的25%左右; FRP筋的热膨胀系数与混凝土相近;弹性模量小, 约为普通钢筋的25%~70%。FRP逐渐应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构中。在非预应力FRP混凝土梁中, 由于FRP筋弹性模量较低, 在正常使用荷载下梁的挠度和裂缝宽度过大, FRP的高强度优势不能充分发挥出来;另外FRP筋是线弹性材料, 结构的延性较差, 影响了结构的抗震性能。一种有效的解决办法是将FRP筋用作预应力筋, 这样既能增加结构的受压区高度, 改善结构延性, 又能利用FRP高强的特点。国外对FRP筋预应力混凝土结构的研究较早, 应用实例增多, 但仍未形成统一的设计规范;我国的研究刚起步。为了加快推广FRP在预应力混凝土结构中的应用, 为设计提供参考, 对FRP筋预应力混凝土梁的抗弯性能进行深入研究, 是一项十分重要的工作。本文综述了FRP预应力混凝土结构的最新研究成果, 对国内开展研究和工程应用具有一定的参考价值。

《2 FRP筋预应力混凝土梁的抗弯性能》

2 FRP筋预应力混凝土梁的抗弯性能

FRP材料的抗拉强度高, 但抗剪强度较低, 故FRP筋一般作为梁的受拉纵筋。混凝土梁的抗弯性能主要包括梁的荷载-挠度曲线, 抗弯极限承载力, 最大裂缝宽度、挠度和延性等。目前关于FRP筋预应力混凝土梁的抗弯性能的研究, 既有理论分析又有试验研究, 下面分别从体内有粘结、体内无粘结和体外无粘结预应力混凝土结构介绍国内外的主要研究成果。

《2.1体内有粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能》

2.1体内有粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能

国内外学者对体内有粘结FRP筋预应力混凝土梁的抗弯性能进行了大量的研究工作。韩小雷等对AFRP筋预应力高强混凝土梁的弯曲特性进行了试验研究 ^[1], 试验变化参数有预应力筋的种类、混凝土强度和加载历史, 得到的主要结论有AFRP筋预应力混凝土梁的荷载-挠度曲线在开裂前呈线性关系, 开裂后呈双线性关系, 但梁刚度要降低;高强混凝土使预应力梁的开裂弯矩有所增大, 但对极限抗弯强度影响甚微;AFRP筋预应力梁破坏时的挠度比相应钢筋混凝土梁要小, 且极限状态下的挠度随混凝土强度的提高而减小;AFRP预应力混凝土梁的延性指标应同时考虑强度和能量等因素。

薛伟辰和张雷忠分别对新型FRP筋和GFRP筋预应力混凝土梁的受弯性能进行了研究 ^[2,3], 通过改变预应力筋的数量和受拉区非预应力筋的种类来对预应力梁的破坏过程进行研究。试验结果表明:体内有粘结FRP筋预应力混凝土梁的有效预应力、正截面抗裂度和极限承载力的试验值与按现行有粘结钢筋预应力混凝土规范计算值吻合较好, 可以按现行设计规范计算, 但需研究截面界限受压区高度ξ_b的正确取值问题.

国外, 1992年Luc R等开始探讨GFRP筋用于预应力混凝土结构的可行性 ^[4], 并对3根2 m的GFRP筋预应力混凝土梁和1根足尺寸的20 m预应力梁进行了试验研究, 试验证明GFRP筋用于预应力混凝土结构是可行的, 且与预测的性能吻合较好。1995年加拿大首次将FRP筋用于预应力混凝土结构, Abdelrahman等对FRP预应力混凝土桥梁进行了研究 ^[5], 试验共设计了4根CFRP筋预应力混凝土梁, 变化参数是CFRP筋的种类和加载方式, 结论有CFRP筋预应力混凝土梁在破坏前表现出双线弹性, 卸载后残余变形较小;预应力梁在破坏前有明显的破坏征兆, 裂缝条数较多, 裂缝扩展和挠度较大。Frederic等通过改变混凝土强度和预应力水平来对CFRP筋预应力混凝土梁进行了试验研究 ^[6], 结果表明最终的破坏是由CFRP预应力筋的断裂引起;预应力梁破坏前均有明显的预兆, 表现出良好的延性, 试验结果与预先估计十分接近。

Patrick对FRP筋预应力混凝土梁的抗弯变形能力进行了较为深入的研究 ^[7], 并分析和比较了各种延性指标用于FRP预应力混凝土结构的准确性。试验共对23根预应力混凝土梁进行了研究, 试验的主要变化参数有:混凝土强度、预应力水平、预应力筋种类以及加载过程。试验结果表明:传统的钢筋混凝土结构的延性指标不再适合于FRP混凝土结构;AFRP, CFRP预应力梁破坏前最大的挠度可达到跨度的1/60, 裂缝间距、高度和最大裂缝宽度均较大, 破坏前有明显征兆;FRP筋预应力混凝土梁破坏前主要是弹性变形, 约占60%以上, 塑性变形较小, 若用能量延性指标μ=0.5 (E_tol/E_ela+1) 来衡量延性, 那么在不同的变形时期, 延性指标也不会变化;通过试验结果的分析比较, 该文提出的延性指标Z= (Δ_uM_u) / (Δ_crM_cr) 能全面地反映预应力梁的延性, 既适合于钢筋预应力梁又适合于FRP筋预应力梁。式中E_tol指预应力梁消耗的总能量, E_ela指消耗的弹性能量, Δ_u和Δ_cr分别指极限状态下和开裂荷载下梁跨中的挠度, M_u和M_cr分别指梁的极限弯矩和开裂弯矩。

Chad等对FRP筋预应力梁的承载力进行了理论分析和试验研究 ^[8], 首先从截面的应变关系和受力平衡角度出发, 提出了FRP平衡配筋率ρ_b的概念, 并推导出了不同配筋率预应力梁的承载力设计值M_n, 计算式分别如下:

平衡配筋率:

$ρ_{b} = 0.85 β_{1} \frac{f^{'}_{c}}{f_{f u}} \frac{ε_{c u}}{f_{f u} ε_{c u} + ε_{f u} - ε_{p i}} (1)$ $ρ_{b} = 0.85 β_{1} \frac{f^{'}_{c}}{f_{f u}} \frac{ε_{c u}}{f_{f u} ε_{c u} + ε_{f u} - ε_{p i}} (1)$

FRP筋预应力混凝土梁的承载力设计值M_n:

若梁的FRP筋配筋率ρ小于平衡配筋率ρ_b,

当ρ<0.5ρ_b时:

$Μ_{n} = ρ b d^{2} f_{f u} (1 - k / 3) (少筋梁) (2)$ $Μ_{n} = ρ b d^{2} f_{f u} (1 - k / 3) (少筋梁) (2)$

其中 $k = \sqrt{(ρ n)^{2} + 2 ρ n} - ρ n$ $k = \sqrt{(ρ n)^{2} + 2 ρ n} - ρ n$ ;

当0.5ρ_b<ρ<ρ_b时:

$Μ_{n} = ρ b d f_{f u} (d - a / 2) (适筋梁) (3)$ $Μ_{n} = ρ b d f_{f u} (d - a / 2) (适筋梁) (3)$

若梁的FRP筋配筋率ρ大于平衡配筋率ρ_b:

$\begin{array}{l} Μ_{n} = 0.85 f^{'}_{c} b β_{1} k_{u} d^{2} \cdot \\ (1 - \frac{β_{1} k_{u}}{2}) (超筋梁) (4) \\ 其中 k_{u} = \sqrt{ρ λ + [\frac{ρ λ}{2} (1 - \frac{ε_{p i}}{ε_{c u}})]^{2}} - \\ \frac{ρ λ}{2} (1 - \frac{ε_{p i}}{ε_{c u}}), λ = \frac{E_{f} ε_{c u}}{0.85 f^{'}_{c} β_{1}} \end{array}$ $\begin{array}{l} Μ_{n} = 0.85 f^{'}_{c} b β_{1} k_{u} d^{2} \cdot \\ (1 - \frac{β_{1} k_{u}}{2}) (超筋梁) (4) \\ 其中 k_{u} = \sqrt{ρ λ + [\frac{ρ λ}{2} (1 - \frac{ε_{p i}}{ε_{c u}})]^{2}} - \\ \frac{ρ λ}{2} (1 - \frac{ε_{p i}}{ε_{c u}}), λ = \frac{E_{f} ε_{c u}}{0.85 f^{'}_{c} β_{1}} \end{array}$

式 (1) ~式 (4) 中:β₁—将截面受压区混凝土转化为等效矩形的高度系数, f ′_c—混凝土受压强度, f_fu—FRP筋极限抗拉强度, ε_cu—混凝土极限受压应变, ε_fu—FRP筋的极限抗拉应变, ε_pi—预应力筋的初始张拉应变, b—受压区宽度, d—预应力筋中心到受压区边缘的距离, n—FRP弹性模量与混凝土弹性模量的比值, a—截面受压区混凝土等效矩形截面的高度。Chad等还通过5根FRP筋预应力梁的试验和其他8位研究者的试验结果对以上计算公式进行了检验, 结果吻合较好;建议使用FRP筋的设计强度作为预应梁的设计依据, CFRP和AFRP预应力混凝土结构的设计强度降低系数分别取0.85和0.70。

《2.2体内无粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能》

2.2体内无粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能

FRP筋与普通钢筋有很大区别, FRP筋是线弹性材料, 无塑性屈服过程, 若FRP筋与混凝土之间是完全粘结的, 则FRP筋会在最大弯矩截面处发生滑移或者断裂, 梁的变形能力较差。为了解决此问题, 研究人员对无粘结或者部分粘接FRP筋预应力混凝土结构进行了大量的研究。

薛伟辰通过改变受拉区非预应力筋的种类研究了体内无粘结FRP筋预应力混凝土梁的受力过程 ^[2], 结果表明无粘结预应力 FRP筋的有效预应力以及无粘结预应力FRP筋混凝土梁的正截面抗裂度可按现行设计规范计算, 但正截面承载力按现行规范计算有一定的误差。张鹏和戴绍斌等人对体内无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的预应力损失和受力过程进行了研究 ^[9,10], 研究表明:在无粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受拉区加入少量非预应力钢筋, 可以提高梁的承载力和延性, 更充分地利用碳纤维筋的高强度;按照现行后张无粘结预应力混凝土梁的设计规范来设计后张无粘结预应力碳纤维筋混凝土梁是可行的。以上两文献关于FRP筋预应力混凝土梁的承载力是否可套用现行规范有不同的看法, 可能是由于所选的FRP筋材的性能不同所致, 其机理有待进一步研究。

Mohamed等通过改变预应力筋的粘结方式分别研究了有粘结、无粘结和部分粘结预应力梁的抗弯性能 ^[11,12]。研究表明:无粘结AFRP筋预应力混凝土梁的极限抗弯承载力比相同条件下的有粘结预应力梁低10%~20%, 但极限变形能力能提高约150%;有粘结AFRP筋预应力混凝土梁脆性破坏的缺点可以通过无粘结预应力、部分粘结预应力或者无粘结预应力和有粘结非预应力相结合的方式来弥补, 其中后两种方式能显著增加梁的延性, 减少弯曲裂缝的条数。

Janet和Chris对部分粘接FRP筋预应力混凝土梁进行了试验研究和理论分析 ^[13,14], 通过改变AFRP筋的种类和预应力筋的粘结方式 (有粘结、无粘结和部分粘接) 对15根预应力梁进行了试验。试验结果为:通常粘结的预应力梁有相对较大的极限承载力, 破坏是由于AFRP筋的断裂引起, 破坏前梁的截面转动能力较小;无粘结预应力梁相对有较大的转动能力, 破坏是由混凝土压碎所引起, 极限承载力大约是有粘结预应力梁的25%;部分粘结接预应力梁表现出较高的承载力和较好的截面转动能力。除了试验研究, Janet等还通过受力平衡和变形协调对部分粘接预应力梁的开裂过程和变形特点进行了理论分析, 与试验结果吻合较好, 可用于估计FRP筋部分预应力混凝土梁的开裂位置、极限荷载和转角。

Tim等从理论方面分析了FRP筋预应力混凝土梁的受力过程 ^[15], 根据非预应力梁、体内有粘结预应力梁和无粘结预应力梁的受力特点, 采取了不同的变形协调条件和假设, 据平衡条件编制了电算程序, 比较了电算结果、美国ACI-318规范计算值和试验实测数据, 结果表明电算结果与实测值更为接近, 这为FRP筋预应力混凝土梁提供了一种电算方法。

Zhi Fang等对FRP筋部分预应力混凝土梁提供了两种分析方法 ^[16]:一般的分析方法是将梁沿轴向分成n个截面, 每个截面再分成m层, 通过混凝土与无粘结FRP筋在整个无粘结区的变形协调来计算FRP筋的应力增量, 通过计算机计算得出整个受力过程的荷载-挠度曲线;简化方法是假定FRP筋预应力梁的弯矩-曲率曲线呈三折线, 简化计算得出预应力筋的应力增量Δε_f, 预应力梁开裂时的跨中挠度D_c, 拉区非预应力钢筋屈服时的跨中挠度D_s和极限状态的跨中挠度D_u。与试验结果进行比较, 两种分析方法的结果均吻合较好, 而简化方法更为简单、有效。

《2.3体外无粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能》

2.3体外无粘结FRP筋预应力混凝土梁抗弯性能

目前我国还没有体外无粘结预应力钢筋混凝土的规范, 国内外大多数体外预应力混凝土受弯构件的设计均按照体内无粘结预应力混凝土的设计方法进行 ^[17], 但由于二次弯矩影响的存在, 使得这种设计方法的计算结果与实际情况偏差较大。体外预应力被认为是最有效的加固结构的方法之一, 且由于FRP材料轻质、高强、抗腐的特点, 国内外工程界越来越重视对体外无粘结FRP筋预应力混凝土的研究和开发。

东南大学的朱虹等对体外预应力AFRP筋梁的性能进行了试验研究 ^[18], 试验结果表明采用体外预应力AFRP筋对钢筋混凝土梁进行加固, 可明显提高结构的抗弯承载力, 减小挠度和裂缝宽度;受拉钢筋配筋率对体外预应力钢筋混凝土梁的受力性能影响较大;还对体外预应力AFRP筋混凝土梁提出了设计方法。

Robert等研究了预应力CFRP筋加固连续梁的效果 ^[19], 试验共设计了3根2跨的连续梁, 变化参数是局部加固的位置不同。研究结果有:在连续梁负弯矩处进行局部加固, 能显著改善梁极限状态下的受力性能, 预应力筋的加固效率比在正弯矩处加固和正、负弯矩都加固率要高;连续梁体外CFRP筋预应力加固的受弯性能与体外钢筋预应力加固相似, 因此建议将体外预应力钢筋混凝土的设计方法用于FRP筋预应力梁。

A.Ghallab等对体外FRP筋预应力加固预应力混凝土梁进行了研究 ^[20], 试验中3根梁加固的时期不同。试验结果表明:采用AFRP筋预应力加固梁的极限承载力与加固的时期无关, 主要取决于混凝土强度、体内和体外预应力值的大小;预应力加固后, 裂缝完全闭合, 可采用全截面进行挠度计算;加固梁在外荷载下, 开裂荷载、挠度和极限承载力都能改善, 且不减弱梁的延性。

Raafat等研究了各种因素对体外CFRP筋预应力加固效果的影响 ^[21], 试验研究的主要因素是跨高比S/d_ps和体内有粘结预应力筋的预应力度PPR, 通过对3组共12根梁的试验表明, 体外预应力CFRP加固梁是一种有效的加固方法, 抗弯承载力最大可提高70%;当体内有粘结预应力筋的预应力度PPR相同, 跨高比S/d_ps越大, 加固后梁的承载力提高越大;当跨高比S/d_ps相同, 预应力度PPR越小, 加固效果越明显;最后还根据变形关系, 推导出了体外预应力筋的应力增量计算式, 与试验结果吻合较好。

Kiang等对体外预应力局部加固混凝土梁进行了研究 ^[22], 在理论分析基础上编程计算局部加固的长度, 并且根据粘结折减系数Ω推导出了局部加固梁的承载力设计值, 用试验验证了理论分析的正确性和局部加固的可行性。试验的主要变化参数是体外预应力筋的种类、局部加固的长度和转向快的影响。研究结果表明:如果实际加固长度满足需要加固的长度, 则局部加固是一种有效的加固方法;需加固的锚固点到支座的距离a_c主要受荷载形式和设计承载力的影响;如果能保证局部有效加固长度, 相对于通长加固梁, 局部加固梁的极限荷载、最大挠度和最大裂缝宽度都能取得满意的结果, 并且优于通长加固梁;理论计算与试验结果吻合较好, 误差不超过6% 。

A.Ghallab等全面地分析了各种因素对体外预应力加固梁挠度的影响 ^[23], 试验参数有:预应力水平、转向块的个数、体外预应力筋的高度、加固前梁的加载史、混凝土强度和梁的跨高比。试验结果表明:体外预应力能有效控制裂缝扩展和使用荷载产生的挠度;随着预应力水平的提高, 加固梁在使用荷载下的挠度减小, 但延性降低;2个转向块的加固效果比1个的好;随着预应力筋偏心距的增加, 加固梁的挠度减小;加固前的受荷历史和混凝土强度对加固后梁的受弯性能影响不大。除了试验研究外, 还比较分析了各种计算混凝土梁挠度的公式, 并根据试验结果对各种公式进行了延伸。

综上所述, 根据FRP筋在混凝土梁中的位置不同, 梁的受力机理和受力性能也有较大的区别。体内有粘结FRP筋预应力混凝土梁主要靠FRP筋与混凝土的粘结提供预应力, 它的抗弯力学分析, 可根据预应力钢筋混凝土梁的截面分析方法进行计算, 但ξ_b取值、最大挠度、最大裂缝宽度和延性指标等还需研究。体内无粘结FRP筋和体外FRP筋预应力混凝土梁, 都主要靠FRP筋两端的锚具来提供预应力, 锚具研发的质量对无粘结FRP筋预应力混凝土梁的受力性能有较大的影响。无粘结FRP筋与梁体混凝土可产生自由的相对运动, 与混凝土截面之间的变形不再协调, 因此预应力FRP筋混凝上梁的极限状态不能通过控制截面平面变形分析的方法计算, 预应力筋的应力增量 (Δf_pe) 只能通过结构的总体变形求得。与体内无粘结FRP筋预应力相比, 体外预应力FRP筋混凝土梁会由于梁体受弯变形后产生的挠度会使FRP筋的有效偏心距减小, 降低体外筋的作用, 即产生二次影响。但体外预应力可以通过设置转向块来改善混凝土梁的受力性能, 而且便于施工、监测和更换, 是一种更有效的加固方法。转向块处FRP筋的转角不能太大, 防止被剪断, 而且理论方面的研究和分析有待于进一步完善。

《3 结语》

3 结语

FRP筋在某些特殊的条件下能够取代钢筋用于预应力混凝土结构。为了更好地发挥FRP材料的特点和推广应用FRP, 根据国内外的研究现状, 拟对RRP预应力混凝土梁的抗弯性能进行深入研究。

1) 从理论上和机理上分析FRP筋预应力混凝土梁的受力过程、裂缝扩展和失效机制过程, 形成统一的计算公式, 供设计参考;

2) 对FRP筋预应力混凝土梁的动载性能进行研究;

3) 研究不同工况对FRP筋预应力损失的影响和FRP预应力混凝土结构的耐久性等。

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