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。     

有粘结预应力FRP筋混凝土梁挠度的计算方法

与预应力钢筋相比,FRP筋的弹性模量较低、粘结性能稍差,因此有粘结预应力FRP筋混凝土梁的挠度比相应的预应力钢筋混凝土梁的大。在考虑预应力FRP筋等效的基础上,对我国现行《混凝土结构设计规范》中适用于普通预应力钢筋混凝土梁短期刚度的计算公式进行了修正。应用该修正公式和ACI 440.4R—04规范中的计算公式对国内外31根有粘结预应力FRP筋混凝土梁试件与6根参数分析试件的挠度进行了计算。对比表明,按修正公式计算的挠度值与试验结果和参数分析结果吻合更好。     

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。     

FRP筋混凝土梁正截面极限抗弯承载力的性能研究

利用FRP筋混凝土粱截面的平衡条件和变形协调条件．给出梁的平衡配筋率;分析FRP筋混凝土梁三种破坏模式,即受压破坏、受拉破坏和平衡破坏的特性;研究FRP筋混凝土梁配筋率对其正截面极限抗弯承载力的影响,并给出其影响系数。研究表明：配筋率在一定范围内,抗弯承载力随着配筋率的增大而增大;根据配筋率的不同,探讨FRP筋混凝土梁正截面极限抗弯承栽力的计算方法,建立与之相应的计算公式,并将计算结果与国内外文献中的部分试验结果相比较,且两者吻合较好。     

FRP筋混凝土受弯构件双筋截面承载力的计算方法

FRP筋混凝土受弯构件的破坏模式包括混凝土压碎和FRP筋断裂两种模式,FRP筋混凝土受弯构件双筋截面承载力应根据破坏模式进行计算。现有设计规范的截面承载力计算方法均未考虑受压区配置FRP筋的作用。为此,根据混凝土本构模型,利用受压区混凝土抛物线-矩形应力图,推导了FRP筋混凝土受弯构件双筋矩形截面的抗弯承载力计算公式,给出了FRP筋拉断破坏时不需迭代求解的简化计算公式,并将单筋方法计算结果、双筋方法计算结果与其他文献给出的试验结果进行了对比。结果表明,对于混凝土压碎破坏模式,当配筋率较大时,按单筋方法计算的结果与试验值之间误差较大,应考虑受压区FRP筋的贡献。用已有文献提供的6个双筋截面梁的抗弯承载力试验值验证了建议方法预测值的准确性,该计算方法能够满足FRP筋混凝土受弯构件双筋截面承载力的设计要求。     

体外预应力筋极限应力增量的理论分析与试验研究

为研究体外预应力梁受弯破坏过程的力学性能及体外预应力筋极限应力增量,对比分析了各国规范关于体外预应力筋应力增量的计算方法,设计并完成了2根体外预应力波形钢腹板简支组合梁的抗弯承载力试验,编制了非线性全过程分析程序对2根梁进行了分析;以跨高比为主要变量,考虑混凝土强度、截面配筋状况、体外预应力筋有效预应力等因素,以平截面假定为基础,根据极限状态时梁截面内力平衡条件,通过增大受压区混凝土面积建立了体外预应力筋极限应力增量的简化计算公式,并用搜集到的19根试验梁数据对该计算公式加以验证。结果表明:体外预应力组合梁受弯破坏全过程与体内预应力梁基本类似,但是梁破坏时体外预应力筋还未进入屈服阶段,利用各规范公式计算的体外预应力筋极限应力增量比试验值小很多,与试验梁普通受拉钢筋屈服时的体外预应力筋应力增量相当;体外预应力筋的极限应力增量与跨中挠度近似呈直线关系;计算结果与试验结果吻合良好,该公式具有一定的参考价值。     

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。     

配置600MPa钢筋有粘结部分预应力混凝土梁抗弯性能研究

对5根配置600MPa钢筋有粘结部分预应力混凝土梁进行静力加载试验,对试验梁的受弯承载力、混凝土应变、裂缝分布及延性等进行了分析,研究了混凝土强度及非预应力钢筋配筋率对试验梁抗弯性能的影响。结果表明:试验梁达到受弯极限状态时,尽管钢绞线未屈服,但600MPa钢筋可屈服,且梁的破坏仍具有一定的延性;试验梁跨中截面混凝土应变基本符合平截面假定,极限承载力可按照桥涵设计规范中抗弯理论公式计算;提出600MPa钢筋在预应力混凝土梁中抗拉强度设计值取500MPa,为600MPa钢筋在预应力混凝土结构中的应用提供参考依据。     

配置HRB600非预应力钢筋的有粘结预应力混凝土梁受弯试验研究

通过配置HRB600非预应力钢筋的有粘结预应力混凝土梁受弯试验,分析了试验梁的受弯性能和裂缝开展规律、HRB600钢筋应变和混凝土应变,讨论了现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中抗弯承载力计算公式的适用性。试验结果表明:配置HRB600非预应力钢筋的有粘结预应力混凝土梁受力性能良好,可以按照现行规范计算抗弯承载力,且具有足够的安全储备。HRB600钢筋与预应力钢绞线能够协同工作,有效提高试验梁的抗弯承载力。     

配置600MPa钢筋的无黏结部分预应力梁受弯性能试验研究

对5根无黏结部分预应力混凝土梁进行受弯性能试验,研究配置600 MPa钢筋的无黏结部分预应力梁的受弯性能。分析非预应力筋配筋率及混凝土强度等级对试验梁挠度、极限应力增量及抗弯承载力的影响。研究结果表明:增大非预应力筋配筋率可以提高无黏结部分预应力混凝土梁的抗弯承载力;配置600 MPa钢筋的无黏结部分预应力混凝土梁的极限承载力仍可用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中推荐的算式进行计算;600 MPa钢筋的屈服强度设计值取520 MPa具有足够的安全储备。     

预应力CFRP筋混凝土T梁受力性能试验研究

本文对配置部分粘结和完全粘结预应力CFRP筋的部分预应力混凝土T梁进行了受力性能试验研究。根据试验结果对预应力CFRP筋混凝土T梁的受力过程、破坏模式、部分粘结筋应力增量以及裂缝分布等进行了较为详细的研究,对基于能量耗散的观点引入的延性指标进行了探讨,提出承载力计算公式,并对预应力CFRP筋混凝土梁的破坏模式、开裂弯矩、极限弯矩以及部分粘结筋的应力进行了预测。试验研究结果表明:部分粘结预应力CFRP筋混凝土梁与完全粘结预应力CFRP筋混凝土梁相比,前者具有更好的变形能力和延性性能而两者的极限承载能力相差较小;为避免CFRP配筋结构由于CFRP筋拉断而发生灾难性的破坏,CFRP配筋梁期望发生混凝土压碎破坏;采用本文方法计算得到预应力CFRP筋混凝土梁的破坏模式、开裂弯矩、极限弯矩以及CFRP筋的极限应力与试验结果吻合较好,计算结果具有较高的精度。     

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。     

在使用荷载下出现裂缝的部分预应力砼梁裂缝宽度的计算

本文在分析65根部分预应力砼梁试验资料的基础上,研究了部分预应力砼梁裂缝开展规律及影响裂缝宽度的主要参数,并提出了有粘结和无粘结部分预应力砼梁裂缝宽度的计算模式和公式。通过建议公式的计算结果与试验结果比较,两者符合较好。     

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。     

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。     

与有粘结相协调的无粘结预应力混凝土梁刚度及裂缝宽度计算方法

由于无粘结筋相对于其周围混凝土可发生纵向相对滑动,因此受弯构件中的无粘结筋对构件抗弯刚度的贡献及其对裂缝开展的抑制作用小于有粘结预应力筋。为了实现无粘结与有粘结预应力混凝土受弯构件刚度及裂缝宽度计算方法的协调和统一,提出了受弯构件中无粘结筋等效折减系数的概念,通过对无粘结预应力混凝土受弯构件的变形试验数据和按已有公式对设计试件的变形试算数据进行分析,得出了无粘结筋等效折减系数的建议取值(α=0.23)。用等效纵向受拉钢筋配筋率代替有粘结预应力混凝土受弯构件刚度计算公式中纵向受拉钢筋配筋率,用等效纵向受拉钢筋面积代替用于计算有粘结预应力混凝土受弯构件裂缝宽度的纵向受拉钢筋等效应力计算公式中的纵向受拉钢筋面积,就可分别得到与有粘结相协调的无粘结预应力混凝土受弯构件刚度及裂缝宽度计算公式,两公式计算结果与试验结果均吻合良好,可用于工程设计。     

预应力碳/玻混杂纤维筋混凝土梁受弯性能研究

针对单一纤维的FRP筋延性较差的缺点,在采用碳/玻混杂纤维复合材料(C/G-HFRP)筋的同时,引进预应力技术。通过对2根预应力HFRP筋混凝土梁、1根普通钢筋混凝土梁和1根普通HFRP筋混凝土梁的受弯性能试验研究,分析预应力HFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力和变形等,提出了等效抗弯刚度的计算模型,为HFRP筋的工程应用提供了依据。