有粘结预应力FRP筋混凝土梁抗裂计算方法

关于有粘结预应力FRP筋混凝土梁的抗裂度和裂缝宽度的计算问题,目前我国现行设计规范中尚无相关规定,ACI440.1R—06规范仅给出了非预应力FRP筋混凝土梁的最大裂缝宽度的计算方法。分别应用我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)和ACI318—05规范中适用于普通钢筋混凝土构件的抗裂度公式,计算了国内外30根有粘结预应力FRP筋混凝土梁试件的开裂弯矩。按我国《混凝土结构设计规范》计算的开裂弯矩值与试验结果吻合良好。考虑了FRP筋等效、FRP筋的粘结性能以及环氧涂层钢筋等的影响,对我国《混凝土结构设计规范》中有关受弯构件最大裂缝宽度的计算公式进行了修正。基于提出的修正公式和ACI440.1R—06规范对国内外24根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的试验结果进行计算对比。分析结果表明,文中的计算值与试验结果更为吻合。     

有粘结预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法

国内外已有试验研究表明,有粘结预应力FRP筋混凝土梁的破坏模式包括界限破坏、受压破坏与受拉破坏三种。在我国现行规范中尚无关于预应力FRP筋混凝土梁的设计规定,在ACI440.4R-04规范中虽有相关的规定,但其针对的是截面受拉区仅配置预应力FRP筋的混凝土梁。对截面受拉区同时配置预应力FRP筋和非预应力钢筋、预应力FRP筋和非预应力FRP筋这两种混合配筋形式下的有粘结预应力FRP筋混凝土梁的正截面抗弯承载力计算方法进行了研究。基于受弯截面的极限状态分析,分别提出了三种破坏模式下正截面抗弯承载力的计算公式。为了验证公式,进行了6根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的单调静力试验以及基于ANSYS软件的非线性有限元参数分析。应用建议公式对课题组及国外完成的48根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的试验结果和6根梁的参数分析结果进行了计算与对比,计算值与试验结果和参数分析结果吻合较好。     

碳纤维-棱柱体预应力混凝土复合筋混凝土梁挠度的试验研究及计算方法

对7根自行研制的碳纤维-棱柱体预应力混凝土复合筋(CFRP-PCPs复合筋)混凝土梁进行了关于挠度的试验研究。对比发现:CFRP-PCPs复合筋混凝土梁在各受力阶段的挠度均较普通预应力CFRP筋混凝土梁小;CFRP-PCPs复合筋混凝土梁的挠度与CFRP的张拉控制应力及复合筋的截面面积有关,随着复合筋预应力和面积的增大,构件的挠度有一定程度的减小。在考虑CFRP-PCPs复合筋等效原理的基础上,对我国现行《混凝土结构设计规范》中适用于预应力钢筋混凝土梁的短期刚度计算公式进行修正,提出了适合新型CFRP-PCPs混凝土梁的挠度建议计算公式,并应用建议公式对其中含CFRP-PCPs复合筋的5根试验梁的挠度进行计算。将计算值与试验值对比,结果吻合良好。     

FRP筋混凝土梁的刚度试验研究和理论计算

该文进行了6根简支梁的单调加载试验,试验梁的增强筋分别为普通钢筋、GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)筋和BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer)筋,每组2根梁。分析比较了FRP筋混凝土梁的抗弯刚度、裂缝分布形式等与普通钢筋梁的区别。对依据国内外规范给定的短期抗弯刚度计算公式计算得出的荷载-挠度曲线与试验曲线进行了比较。基于试验研究和机理分析,借助收集的国内外开展的31根FRP筋混凝土梁的试验数据,对现行GB 50608—2010中FRP筋混凝土梁的短期刚度计算公式Bs进行了修正,并对修正公式的适用性进行了校核。试验结果表明:在相近截面配筋率情况下,由于自身较低的弹性模量,FRP筋混凝土梁在开裂后的抗弯刚度要明显低于普通钢筋梁;FRP筋混凝土梁的裂缝间距要大于普通钢筋梁,裂缝显得疏而宽;现有规范大都高估了FPR筋梁的短期抗弯刚度;修正后的短期抗弯刚度计算公式具有很好的适用性,可作为后续规范修订的参考。     

预应力FRP筋混凝土梁受弯性能试验研究

对5根以FRP筋为有粘结预应力筋、以普通钢筋为非预应力筋的预应力混凝土梁受弯性能进行试验研究。根据试验结果对预应力FRP筋混凝土梁受力过程、破坏模式及裂缝情况进行了较为详细的研究。测定了梁的极限承载力、变形发展及裂缝分布等情况。试验研究结果表明：与预应钢绞线混凝土梁相比，预应力CFRP筋混凝土梁具有很好的变形能力而极限承载力相差不多，但是预应力AFRP筋混凝土梁承载力较低。通过计算得到的极限承载力、挠度与试验结果吻合较好。     

预应力CFRP筋混凝土梁受剪性能试验研究

FRP筋是一种新型预应力筋材,具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点,但是其横向剪切强度相对较低,这会影响预应力FRP筋混凝土梁的受剪承载力。通过27根混凝土梁的受剪试验,研究了预应力CFRP筋混凝土梁的剪切破坏形态,以及各种参数对其受剪承载力的影响,并与钢绞线预应力混凝土梁的受剪试验结果进行了比较。研究结果表明：预应力CFRP筋混凝土梁的剪切破坏形态有两种：斜压破坏和剪压破坏;剪跨比和配箍率是影响预应力CFRP筋混凝土梁受剪承载力的主要因素;有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受剪承载力比无粘结预应力CFRP筋混凝土梁要大15%左右;通过引入反映预应力筋种类和粘结条件的2个参数,提出了预应力FRP筋混凝土梁的简化受剪承载力计算式,计算结果与试验数据吻合较好。     

缓粘结部分预应力连续梁裂缝宽度计算修正浅析

在缓粘结部分预应力混凝土两跨连续梁受弯试验研究的基础上,分析了缓粘结预应力连续梁受力过程的破坏形态、缓粘结力筋与普通力筋粘结性能的差别、及其对梁的裂缝间距和钢筋应力的影响。在国家现行规范的基础上对裂缝公式进行了修正,提出了缓粘结部分预应力混凝土梁裂缝宽度的计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

纤维塑料筋(FRP筋)有粘结及无粘结部分预应力混凝土梁短期刚度试验研究

分别以碳纤维筋(CFRP筋)及芳纶纤维筋(AFRP筋)为无粘结及有粘结预应力筋,以环氧涂层钢筋为非预应力筋,进行了2组共17条梁的受弯试验。试验结果表明,纤维塑料筋(FRP筋)有粘结及无粘结部分预应力混凝土梁的弯矩与曲率(或弯矩与挠度)曲线接近为双折线,双折线的交点位于开裂弯矩Mcr处。基于双直线假设,利用实测试验梁的终点刚度折减系数β0.5,可求出1/β0.5对换算配筋率nfρ和预应力强度比λ的线性回归方程,并采用预应力筋粘结特征系数Ω对纤维塑料筋的面积进行折减,得到了能同时针对纤维塑料筋有粘结及无粘结部分预应力混凝土梁的统一的刚度计算公式。此外,对ACI440.4R-04提出的关于纤维塑料筋预应力混凝土梁的刚度计算公式,在有效惯性矩软化系数βd中引入预应力筋粘结特征系数Ω,从而使该刚度计算公式能够适用于纤维塑料筋无粘结及有粘结部分预应力混凝土梁的刚度计算,上述两种方法的计算结果与本文试验数据符合良好。     

重复荷载作用下无粘结部分预应力高强混凝土梁正常使用阶段性能研究

通过26根无粘结部分预应力高强混凝土梁,研究了影响裂缝宽度及裂缝闭合和变形的主要因素,将无粘结部分预应力高强混凝土梁在使用荷载作用下的受力状态转化为偏心受压构件的受力状态,求解非预应力筋的应力,然后采用现有规范裂缝宽度计算公式来求无粘结部分预应力高强混凝土梁的裂缝宽度,并建立了重复荷载作用下的无粘结部分预应力高强混凝土梁裂缝宽度计算公式;应用名义拉应力建立了闭合弯矩计算公式.将预应力筋和非预应力筋对无粘结梁跨中最大挠度的影响,用无粘结配筋指标和综合配筋指标之比η和换算配筋率αpρ这两个参数来反映,并且采用与国内有关规范相一致的直接双直线法,建立了任意荷载作用下的无粘结部分预应力高强混凝土梁变形计算公式.计算结果与试验结果吻合较好.     

基于遗传算法的FRP筋混凝土梁抗剪承载力优化分析

《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)建议的FRP筋混凝土梁受剪承载力计算公式分析收集到的209根FRP筋试验梁(包括无箍筋梁和有箍筋梁)的抗剪承载力,对比各梁抗剪承载力的理论值与试验值表明,规范推荐的方法过于保守。为此,采用灰度关联法分析了影响FRP筋梁受剪承载力的主要因素,结果表明梁横截面宽度对FRP筋混凝土梁受剪承载力影响最大,其次分别为剪跨比、混凝土轴心抗拉强度等。据此,分析了规范公式未考虑剪跨比的影响,在此基础上,采用遗传算法对规范公式进行了相应修正,并利用上述209根梁的试验数据验证了修正后的抗剪承载力计算公式的合理性。计算结果表明,对于无箍筋梁,修正前后的试验值与理论值之比的均值由4.42变为1.52,对于有箍筋梁则由2.18变为1.52。     

Deflection and crack-width prediction of concrete beams reinforced with glass FRP rods

Concrete beams reinforced with fiber reinforced polymer (FRP) bars exhibit large deflections and crack widths as compared to concrete beams reinforced with steel due to the low modulus of elasticity of FRP. Current design methods for predicting deflections at service load and crack widths developed in concrete structures reinforced with steel bars may not be used for concrete structures reinforced with FRP bars. Thus, the ACI 440 Committee has provided design guidelines for concrete beams reinforced with FRP bars. Verification of the ACI 440 methods for predicting deflections and crack widths for glass fiber reinforced polymer reinforced concrete beams are presented in this paper. In addition, improvement to the crack width equation was suggested to account for 2 layers of reinforcement. This study shows that ACI 440.1R-01 can be effectively used to predict deflections in concrete beams reinforced with FRP bars and crack width in beams with one-layer FRP bars. However, when FRP bars are placed in two layers, ACI 440.1R-01 can be used after some parameters are modified. Six full concrete beams reinforced with different GFRP reinforcement ratios were load tested and the measured deflections and crack widths were analyzed and compared with those predicted by the proposed models. The experimental results compared well with those proposed by the model.     

体外FRP筋的极限应力分析

为获得体外预应力混凝土梁的正截面抗弯强度、必须首先确定体外预应力筋的极限应力。在过去的半个多世纪中,许多学者对体外或体内无粘结预应力筋的极限应力进行了试验及分析研究,但这些研究主要以钢材、很少以纤维复合材料(FRP)作为研究对象。本文根据相关的试验研究数据,分析了以FRP为体外筋和以钢材为体外筋的情况下,等效塑性区长度与破坏截面中性轴比值的差异及变化。分析表明,对FRP体外预应力混凝土梁,这一比值比较稳定,并可取为常数。但该常数与以钢材为体外预应力筋的构件的有所不同。本文建立了分别以FRP和钢材为体外预应力时,构件的等效塑性区长度与破坏截面中性轴比值的转换关系式。在此基础上,建议了既适用于简支梁,亦适用于连续梁;既适用于常规的体外预应力钢筋,亦适用于非常规的体外预应力FRP筋的体外预应力筋极限应力计算方法。     

新型FRP筋粘结性能研究

基于33个拉拔试件和27个梁式试件的试验结果,对新型FRP筋与不同环境介质(包括混凝土C30、掺纤维与不掺纤维的混凝土C50、R42.5水泥浆以及环氧树脂等)之间的粘结性能进行了较为系统的研究。研究表明,新型FRP筋的粘结强度略低于钢筋;混凝土强度等级对FRP筋的粘结性能影响较大,但是否掺加聚丙烯纤维对其粘结性能影响较小;基于梁式试验的FRP筋粘结强度稍低于基于拉拔试验的FRP筋粘结强度。     

大直径喷砂FRP筋应力松弛试件锚固方法研究

纤维增强合聚物（FRP）筋具有设计性好,比强度高,不导电、磁和耐腐蚀性强的优点。FRP筋为非均质复合材料,强度高、弹性模量小,有尺寸效应,用于预应力结构是一种趋势,其应力松弛特性指标是一必要的设计参数。通过不同锚固方式的FRP筋应力松弛试验,研究测试大直径喷砂FRP筋应力松弛特性的试件锚固方法和量测方法。研究表明,改进的钢套筒灌胶锚固方法,可有效减少加载过后FRP筋杆体的滑移量,能满足杆体应力松弛实验要求;预置加载设施的混凝土构件模拟锚固法,可用于测试FRP筋锚杆结构的应力松弛综合性状;光纤光栅变形监测方法能用于应力松弛试验,所测应变数据可靠性高。     

芳纶纤维筋有黏结部分预应力混凝土梁受弯性能研究

对以芳纶纤维筋为有黏结预应力筋、环氧涂层钢筋为非预应力筋的部分预应力混凝土梁的受弯性能进行研究,共进行了10根梁从混凝土开裂、裂缝开展直至梁受弯破坏的全过程试验。测定了梁的开裂弯矩,梁截面应变分布,变形的发展,裂缝出现、发展及分布情况,提出区分芳纶纤维筋破断及混凝土压坏的界限等效配筋率或界限中和轴高度,推导出芳纶纤维筋拉断和混凝土压坏同时发生,混凝土压坏、芳纶纤维筋未拉断及芳纶纤维筋拉断、混凝土未压坏等情况的受弯承载力计算方法,并提出芳纶纤维筋有黏结部分预应力混凝土梁短期刚度及裂缝宽度的计算方法。     

玄武岩纤维增强聚合物筋钢纤维高强混凝土梁受弯试验及裂缝宽度计算方法研究

纤维增强聚合物(FRP)筋混凝土梁受弯挠度过大、裂缝过宽等缺陷严重影响其正常使用性能，为此，将具有优良抗裂与阻裂性能的钢纤维混凝土用于FRP筋混凝土梁，可以有效限制其挠度与裂缝的发展。通过12根玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋/钢筋钢纤维高强混凝土梁的受弯性能试验，研究了钢纤维体积率、受拉区钢纤维高强混凝土层厚度、BFRP筋配筋率对BFRP筋钢纤维高强混凝土梁裂缝分布与宽度的影响。结果表明，钢纤维的加入能够有效抑制BFRP筋高强混凝土梁的裂缝开展，减小裂缝间距、宽度和裂缝宽度差异性，当荷载为100 kN时，钢纤维体积率为0.5%~2.0%的钢纤维高强混凝土梁的裂缝宽度减小了25.22%~54.78%，裂缝宽度标准差减小了10.00%~68.18%；当受拉区钢纤维混凝土层厚度达到梁截面高度的57%时，其阻裂与限裂效果与全截面掺加钢纤维的效果接近，表明在受拉区中掺加钢纤维以限制BFRP筋混凝土梁裂缝的发展是经济可行的。基于试验和相关文献研究结果，提出了考虑钢纤维影响的BFRP筋钢纤维高强混凝土梁最大裂缝宽度的建议计算方法，该建议方法的计算值与试验值吻合良好。     

预应力混凝土钢管桁架叠合板施工阶段短期刚度研究

预应力混凝土钢管桁架叠合板是近几年出现的一种新型叠合板,叠合板在施工阶段的受力性能非常重要。设计了4个预应力混凝土钢管桁架叠合板试件,并对其进行受弯载荷试验。给出了4个试件的荷载-跨中挠度曲线。同时考虑钢管对混凝土的约束,按照等效截面刚度法推导出了施工阶段的短期刚度计算公式,计算了简支板的跨中挠度。在构件抗弯刚度未发生严重退化时,跨中挠度的计算结果与试验结果较为吻合。