有内部预应力无粘结碳纤维增强复合材料筋混凝土梁抗弯性能

1、有内部预应力无粘结碳纤维增强复合材料筋混凝土梁的抗弯性能S. Heo1 ， S. Shin2 ， ; C. Lee3摘要：本研究的目的是实验研究的预应力钢筋配筋率，应力幅值，加载类型和无粘结预应力梁的抗弯性能的截面形状内部碳纤维增强复合材料（ CFRP）筋的影响。四个长方形试件和三个T梁试件被用来实验。实验结果表明无粘结CFRP筋可以缓解筋沿梁跨度的应力和延迟CFRP筋的断裂，尽管无粘结预应力率小于相应等量的有粘合预应力。当与有粘结CFRP筋预应力混凝土梁相比，矩形预应力无粘结CFRP筋梁和非预应力辅助粘钢条有着延性的提升。DOI： 10.1061 / （ASCE） CC.1943 5614.

2、0000306 。 2013年美国土木工程师学会。CE数据库主题词：纤维增强复合材料;抗弯强度;后张；预应力混凝土；实验；混凝土梁；粘结；关键词：碳纤维增强复合材料（ CFRP）；纤维增强聚合物；挠曲强度；实验；无粘结预应力混凝土；导论：纤维增强聚合物（ FRP）不腐蚀，有很高的抗拉强度，这甚至超过钢材。另外，它们比钢材更轻，这使得它们更易于搬运和减轻结构自重。所以，纤维增强聚合物材料在预应力混凝土结构中似乎是钢筋的替代品（伯戈因1993年Maissen迪斯梅特1995年）。然而，FRP筋也有缺点：包括有线性弹性但无屈服断裂和弱抗剪性。由于FRP筋没屈服点。根据ACI规范（ACI 440.4R

3、 -04 ACI委员会440（2004年）;伯戈因2001）认为：有FRP筋的预应力混凝土梁设计配的抗弯钢筋率要比均衡的比率。这保证了混凝土梁压碎而不是FRP拉断，控制了最终的弯曲极限状态。然而，过度增强的需要不利于不腐蚀的FRP材料的利用，而且也使它不经济。已经认识到，需要适当的措施来增加延性。为了克服延性的问题，研究人员尝试了不同方法。典型的方法来提高FRP预应力混凝土梁延性包括无粘结的FRP筋（伯戈因1993年，加藤和林田1993），钢纤维增强的混凝土（乃缦和郑某1995年；郑某1994年），和有着间距很小的FRP筋或钢箍筋的混凝土限制在压缩区（Taniguchi等人，1993）。由于筋

4、无粘结，筋弯曲应力的增加是不依赖横截面，而是取决于主要构件的变形（乃缦和Alkhairi1991a ，B ，杜等人。 2008年）。因此，关键截面的无粘结筋的拉力得到缓解，沿梁长方向均匀分布。这意味着，即使采用无粘结FRP筋的预应力混凝土梁的预应力配筋率比相应的有粘结预应力配筋率少，混凝土破碎压缩可能会在极限状态下的FRP筋的拉伸断裂之前。因此，无粘结FRP筋不仅有利于改善梁的延展性，而且有利于克服与有粘结的一般钢筋相比FRP筋不经济的问题。虽然已经进行了大量的实验研究，表明带粘结的FRP预应力筋混凝土梁有抗弯性能（米仓等人，1993 ;乃缦等人，1993 ; Ehsani等。 1997年，伯

5、克和杜兰2001年，杜兰和Swanson ， 2002 ），而无粘结FRP预应力混凝土梁研究报告的数量相对有限（加藤和林田1993年Maissen和迪斯梅特， 1995年，宏力等。 2006年， 2008年）。在他们做实验观察带碳纤维增强复合材料（ CFRP）筋无粘结预应力混凝土矩形梁后，加藤和林田（1993）得出的结论：失效发生在混凝土压碎和最终变形；当使用传统的钢筋延展性可提高了大致相同的程度。 Maissen和德迪斯梅特（ 1995）总结出他们的实验结果得出带无粘结CFRP筋预应力T梁与粘钢筋梁相比可以承受较高的抗弯强度，但与有粘结CFEP筋梁相比抗弯强度较低，有较少弯曲裂纹。格雷斯等（

6、2006年，2008年）测试采用粘结钢筋预应力箱形梁和外部中空部分桥面板采用无粘结CFRP筋。他们得出的结论是预应力主梁采用预拉伸，无粘结后张筋能显着增加其承载能力（宏力等，2006 ）。此外，在无粘结筋束加力不影响初始后张力，即使彻底压溃筋束仍然完整（宏力等，2008 ）。即使有以前的观察结果，为了更好地了解内部采用无粘结FRP筋的预应力混凝土梁的抗弯性能，需要进行更多的实验调查关于预应力比率的影响，附属粘结筋（钢与FRP材料） ，装载类型（三点相对于四点加载），以及梁截面形状（矩形与T-截面）。这些影响在过去只有部分进行了考虑，而在次实验研究中将考虑这些。实验梁构件一共有七个混凝土简支梁，

7、后张无粘结直CFRP筋进行了测试。主要的参数为无粘结预应力配筋率CFRP筋;初始预应力的幅度;加载类型（三点或四点加载）;和剖形状（矩形或T形截面） 。在测试中所有梁都在附属粘结的最小截面积梁的底部加固。非预应力粘结加固梁最小面积是符合ACI规范ACI 318-11（ 2011年ACI 318委员会），在这最小区域具有计算为，当At=在部分横截面的弯曲张力面和总截面的重心中心之间。实验计划包括三套横梁。图1和表1列出了实验梁试件详细信息。第一组包含三个长方形的混凝土梁试件宽150毫米，高250毫米和3200毫米长，跨径为2700毫米（RU50，RU70和RO50），采用后张法，用直无粘结CFR

8、P筋。这些梁采用不同的预应力配筋率。两个直径6.0毫米钢筋，屈服强度为420兆帕作为辅助粘结加固，放在CFRP筋下面。两纵向顶部受压区的覆盖层厚度为20毫米分别放置直径为6.0毫米的粘结钢筋。这些钢筋被用作骨架固定钢箍筋。RU50和RU70梁采用无粘结预应力配筋率为和 0.36来下增强，以及不同初始预应力其中;=无粘结FRP筋的截面积，b =梁宽，=从混凝土顶部最大受压区到无粘结CFRP筋的距离;=拉伸CFRP筋的强度。是用来平衡CFRP筋的预应力加强筋的配筋率，由式中给出（1）。其余的梁（RO50）是采用加强配筋率，并初步后张。对于所有这些梁，6.0毫米直径的箍筋以100-mm的间距横向安装

9、在装载点和支座上。这第一组的主要目的是通过实验观察预应力钢筋比率和初始预应力大小对无粘结CFRP预应力混凝土梁受弯性能的影响。带粘性筋的等代梁平衡预应力比率可由下式给出 （1）其中 ，其中 =混凝土应变极限状态（0.003） ; =CFRP筋在拉伸强度内拉伸应变; =回弹应变=; pfi =初始预应力CFRP筋应变，e=偏心半径,r=回转半径， =从混凝土顶最大压缩层到钢筋质心距离，=非预应力附属加固处拉应力; =辅助粘合加固配筋的总截面积;Pi =初始预应力力，Ac=梁的截面面积和Ec=混凝土弹性模量。第二组包括一个矩形梁， RO55 。梁长为3200毫米，跨度长度为2700毫米。对这个梁，

10、预应力筋配筋率的CFRP筋等于，初始预应力为。两个非预应力粘结CFRP筋直径为6.0毫米放置在顶部和两个放置在梁的底部作为支架及辅助加固物。观测RO55的抗弯性能，它用无粘结CFRP预应力筋过度加强的混凝土梁和附属无粘结CFRP非预应力加强。第三组包含了三个T型梁（TO45，TB45 /3，TB45）。T型梁宽330毫米，边缘厚60毫米和宽150毫米，高190毫米，他们分别长为3200毫米，跨径为2900毫米长。TB45及TB45 / 3梁的预应力钢筋比率为，接近均衡的有粘结情况下的比例，它们分别进行为四点（TB45）或三点（TB45 / 3）加载。梁TO45采用后张法用超筋，进行四点加载。对

11、于TB45和TO45梁，较长的加载距离1,200 mm是为避免不必要的剪切或弯曲剪切类型的失效，并确保弯曲失效（图1）。所有这些梁开始后张力。第三组的目的是实验调查采用不同的预应力钢筋率和负载类型无粘结FRP筋预应力T型梁的抗弯性能。这些梁都用了两个直径6.0毫米的辅助粘结非预应力CFRP筋。纵向四条直径6.0毫米的粘结CFRP筋的被安在离边缘20毫米厚度处。这些筋作为骨架筋支撑直径为6.0毫米CFRP箍筋。在第二第三套试件中，直径6.0毫米CFRP箍筋沿跨度方向沿梁布置，间距为100毫米。图。 1。梁试样（圆形混凝土应变计和CFRP应变计）：（a）RU50，RU70，RO55 ; (b) R

12、O50 ; （c）TB45和TB45 / 3（中跨TB45 / 3采用集中载荷P）（d）TO45 ;材料特性三个混凝土圆柱体为150毫米×300毫米，第一组RU50，RU70和RO50平均28天混凝土抗压强度为，第二和第三组RO50，RO55，TB45，TB45 / 3为。二种不同类型的CFRP筋本实验中使用碳纤维复合材料电缆（CFCC）和东元建设（DWC），制造商分别为日本的东京制纲有限公司和东远建设有限公司韩国。表2总结CFRP筋的力学性能，非预应力辅助粘钢，碳纤维增强材料和箍筋。注：Ls=支座和装载点之间的距离; CFCC=CFRP筋由东京制绳有限公司生产的碳纤维复合材料筋DW

13、C = CFRP筋制造商为东远建筑有限公司。构成对于后张钢，碳纤维复合材料筋每一端连接螺纹套筒，图2（a ）。电阻应变计连接到CFRP筋的表面。CFRP筋无粘结通过包装在一个塑料管，内部筋和塑料管之间的空间为3.5毫米。在这实验中，图2（b ）锚固系统设计到梁的端部。端块锚端有承钢板保护混凝土防止轴承失败，横向和螺旋增强物控制破裂应力，焊接钢管的端部支承板是为无粘结CFRP筋锚固区附近的部分，以及硅楔块防止混凝土渗入钢管。图2后张系统：（a）螺纹钢筋套筒锚地;（b）端锚固体系;安装锚固系统，并把加强钢模的放入笼中，按下面的方法进行：（1）钢筋笼由顶部和底部的非预应力附属纵筋组成，放置在钢模中;

14、（2）对准的钢筋笼，端部块锚固系统被放置在两端的钢模处，然后轻轻地焊接的钢模板来固定它;（3）无粘结CFRP筋用塑料管通过端块中锚固系统的钢管;（4）然后无粘结管和端部锚固系统中的钢管之间空隙用硅楔密封;（5 ）CFRP筋拧紧螺母保持最低值来保证笔直线型，然后浇注混凝土。图3千斤顶系统混凝土强度相同的试件用同一批次混凝土浇筑。预拌混凝土运输和安置是用一个桶和一个桥式起重机完成。模具中的混凝土使用内部振动器得到巩固。混凝土圆柱和横梁在相同的条件下进行养护，直到实验日期。在浇筑后14天进行脱模。28天后，所有后张梁用顶螺纹钢套连接在一端的CFRP筋张拉。预应力系统包括一个有中心插孔250毫米冲程千

15、斤顶，压力表液压泵，预应力钢椅（图3）。在后张前，钢套用拧紧螺母被牢牢地固定在锚固系统端部的承压板上。同时使用液压泵上的压力表和无粘结筋拉伸长度监控顶推力。加载和测量图4示出：加载方案为线性加载位置，采用100毫米范围内的电压位移传感器（LVDT传感器）和容量为500千牛顿测压元件。混凝土和CFRP筋的应变通过应变测定计测量（图1）。1000千牛能材料试验机（UTM）用于装载。所有测量值来自LVDTs,应变仪和测压元件，由数据采集系统自动记录和保存。第一组矩形梁进行静载荷和卸载循环，施加约85的预计最终的抗弯强度。负载然后重新装卸，直至梁弯曲失效。所有梁进行加载速率恒定为0.25 mm/分钟直

16、到梁失效。实验结果受弯性能测试结果列于表3。所有梁在弯曲作用下混凝土被压碎而失效。图5（a）表示第一组RU50，RU70和RO50梁加载扰曲曲线。在初始弯曲裂缝出现前，挠度随所施加的负载增加线性。在这个阶段观察梁，初始的抗弯刚度只有一点点差别。图4加载系统（a）装载方案;（）TB45；与RU50相比，有较高的预应力钢筋配筋率（RO50）和有较高的初始预应力（RU70）有更高的开裂载荷。形成后第一条挠曲裂纹后，随负荷进一步增加弯曲裂缝在初始挠曲裂纹在附近发育。刚度随第一条裂纹出现而降低，并维持在进一步增加的载荷 - 挠度曲线的斜率上减少，直到非预应力辅助钢筋屈服。随着辅助钢筋的屈服，第一组中的所

17、有梁刚度进一步降低。大多数裂缝发生在加载点之间，以及有限数量裂缝出现在剪跨比处。卸载后，在再加载过程中，可以观察到低配筋梁的RU50 ，RU70刚度降低。与RU70相比RU50梁刚度明显减少，RU50初始预应力比RU70更少的。对于RO50梁，在再加载过程中刚度降低很少。达到其峰值负载后，梁强度降低，后张预应力高的梁减少更明显。在最大荷载作用，靠近顶梁的混凝土有局部水平裂缝。所有这三个梁在最大荷载作用后保持残余强度。RU50，RU70，RO50梁最大的残余强度分别为最大荷载的87，75和72。荷载被移除时，这些剩余强度几乎等于与梁顶截面容许混凝土抗压强度。图5（b）所示，即使在最大荷载，这些梁

18、的无粘结筋的额外的压力继续增加，这加剧这些梁的残余强度。在梁产生很大的扰曲前，实质上恒定的残余强度保持不变，直到所有的无粘结CFRP筋拉伸断裂。达到最大荷载后，随着梁扰曲的增大，压力侧的混凝土逐渐损坏，最后所有梁失去其残余应力。如图5（a和b）所示，每个梁残余应力的减少对应无粘结筋应变值的减少。在初始预应力后，无粘结筋额外的应力由施加的载荷产生，RU50 ，RU70 和RO50梁图5（b ）分别记为为扰度80毫米的偏转0.0037毫米，62.7毫米的偏转0.0034毫米，64.3毫米的偏转0.0025毫米。通过加入这些额外的应力相应的的初始应力值（pfi），RU50，RU70和RO50梁它们总

19、的剩余强度的损失分别认为是0.0102毫米毫米，0.0125毫米毫米， 0.0089毫米毫米。由于应变CFRP筋在其拉伸强度为0.013毫米毫米，即使有残余强度的损失这些梁仍然存在着一些可利用的筋。图6示出：第二组RO55梁的实验结果。RO55梁的弯曲特性与第一组矩形梁相比表现出不同的载荷 - 挠度曲线，它采用辅助非预应力粘结CFRP筋条代替钢筋。直到第一条挠曲裂纹的区域中发生到最大时，变形随施加荷载呈线性增加。随荷载进一步增加，更多的弯曲裂纹形成，并且梁继续承受着额外的荷载直到荷载峰值，这时刚度下降呈恒定的斜线。达到荷载峰值时扰度为62.9毫米，梁保持其残余应力直到其失效，此时扰度为83.2

20、毫米。它的残余强度等于67峰值荷载，这大约是无盖梁顶部抗压极限。在初始预应变之后测得的额外应变峰值0.0037毫米，扰度62.9毫米。在梁破坏时的总应变值为0.01毫米，扰度为83.2毫米。RO55梁失效时混凝土受压区被压缩和没有碳纤维复合材料筋被拉伸断裂。图5梁：（）第一组（RU50，RU70，RO50）负载与扰度;（）载荷和额外的压力图6，第二组（RO55梁）：（a）荷载和变形;（b）荷载和额外应变;图7，第三组（TB45，TB45 / 3和TO45）梁：（a）荷载和扰度（b）载荷和额外应变图7示出第三组梁测试结果。T形梁TB45，TB45 / 3和TO45为矩形RO55梁一般情况观察到相

21、似的抗弯性能。除TB45 / 3梁三点加载，TB45和TO45梁在峰值载荷下无任何残余应变而迅速失效。在峰值荷载时，腹板和边缘突然呈现混凝土剥落，导致梁完全失效而没有任何进一步残余应力。这些梁比TB45 / 3梁显示出较少弯曲裂缝数量图8（E-G） 。与TB45梁相比，超配筋TO45梁表现出更严重的损害，在峰值荷载时，形成更少的弯曲裂缝及腹板，边缘混凝土突然掉落。TB45 / 3梁在三点加载下，在梁接近失效时，在加载点的周边相对较少的混凝土被压碎。相反，那些TB45和TO45梁在四点加载下，顶部混凝土有一个比较大的区域受集中压缩应变出现在加载点之间。矩形梁和T形梁进行比较，结果表明，矩形梁受压

22、区混凝土比T形梁的腹板处混凝土更受箍筋限制。这或许可以解释不同的失效形式导致截面形状的不同（即矩形相对于T形截面）和加载类型（三点和四点载荷）。图7（b）比较TB45 ，TB45 / 3，TO45梁施加的载荷 - 应变关系。测得施加峰值荷载额外的应变值，TB45梁为0.0018毫米/毫米，扰度57.5毫米和TB45 / 3梁0.0022毫米/毫米， 扰度46.4毫米。TO45梁应变值在峰值荷载时为0.0013毫米/毫米扰度为55.2毫米，这是小于较低的预应力配筋率TB45或TB45 / 3T形梁的。这是因为大量的碳纤维复合材料筋与TB45或TB45 / 3梁相比没有拉紧去平衡峰值荷载时混凝土中

23、的轴向力。TB45，TB45 /3，和TO45梁在峰值强度时总应变值分别为=0.0101毫米/毫米，0.0105毫米/毫米和0.0096毫米/毫米。TB45 / 3梁总应变在最后剩余应变测定为0.0133毫米/毫米扰度为70.3毫米，这是小于最大受压筋的应变值0.0185毫米/毫米。图8，破坏时的裂纹花纹：（a）RU50;（b）RU70;（c）RO50;（d）RO55;（e），TB45，（f） TB45 / 3（g）TO45;延性由于缺乏FRP筋塑料特性，因此需要一个除了常规用钢筋定义的合适定义。已经证明，预应力混凝土构件中FRP的延展性之间可以用弹性和非弹性能量消耗下荷载 - 挠度曲线来评价

24、（乃缦和郑某1995年Orozco和码机2004年，恩典和阿卜杜勒·赛义德1998年）。在这项研究中，测试梁的延性能量进行峰值荷载评价（P）（Grace和阿卜杜勒·赛义德，1998年） （2）其中，为梁吸收的总能量达到载荷 - 挠度曲线的峰值负载的和Ee为弹性能量。弹性能量（Ee）可从卸载试验估值。如果数据不可用，建议的估计Ee由线有问题时，可用两个初始直线的斜率的加权平均载荷 - 挠度曲线负载形成的三角形的面积，如图9中示出（郑1994）。如果梁是完全弹性的，取p为0，如果它是完全塑性，p取1.0。在表3中，同时以实验测量和估计处理第一组的梁的值。根据图9，估计P的值为在

25、载荷 - 挠度曲线上的加权平均斜率值。图9，吸收能量的定义；实验测得第一组梁的P值在0.39 0.52范围内。RO50梁P值为0.39列在表3中，该值可能略为保守，因为直线的斜率值是连接峰值80.2千牛顿负荷和2.1毫米残余位移测量出来的，而且是第二次装载和卸载完成后测量。这些实验测得的P值一般小于预应力混凝土梁粘钢筋值，它们均在0.7至0.85范围内。第一组中的梁测量值P与P值范围在0.1至0.3的粘结预应力混凝土CFRP筋梁相比，延性有提升（格雷斯1994年乃缦和郑某1995）。依据图9，从表3中可以观察到实验测得的P值和估计值之间存在一些差异。估计值的P一般高于第一组所有梁实验测得。加权斜率的概念如图9所示，这似乎需要进一步精确来更好预测弹性能。在观察