FRP材料在体外预应力桥梁中的应用研究

1、FRP材料在体外预应力桥梁中的应用研究FRP材料在体外预应力桥梁中的应用研究王彤(哈尔滨工业大学150090)张亚军张辉鲁纯(辽宁省交通高等专科学校)摘要:本文利用FRP材料对节段式体外预应力混凝土桥梁节段接缝力学性能和加强作用进行了初步研究。在开发非线性有限元全过程分析程序的基础上,进行了相关实验验证。关键词:FRP材料体外预应力桥梁应用1前言采用渐进法施工的节段式体外预应力混凝土桥梁目前受到桥梁界的广泛关注。该种结构形式的桥梁具有工期短,施工难度低,施工质量宜于保证等特点,因而在中等跨径预应力混凝土桥梁中它是极有竞争力的设计方案12。然而,该种结构也有一些不尽人意之处,即节段间的接缝影响了

2、其整体结构的力学性能。由于节段间接缝处的截面内通常没有任何预应力筋和非预应力筋通过,使得接缝处成为结构的薄弱环节,桥梁的极限破坏通常发生在节段间的接缝处,其承载能力比整体施工的桥梁低1030%。为了弥补这一缺陷,目前的做法通常是利用加大预应力的方法来实现结构整体承载力的提高,在结构设计中常常把节段式体外预应力混凝土桥梁按全预应力结构来设计,而不是采用设计思想公认更先进的部分预应力结构3。由于纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强和耐腐蚀的显著特点,因此本文尝试了在节段接缝的剪力键处局部粘贴FRP材料(下称复式剪力键),以改善其局部力学性能,进而提高结构整体承载能力。为了研究复式剪力键的力学性

3、能,掌握结构受荷后的荷载响应的发展状况,笔者开发了非线性全过程分析的应用程序,并通过6片梁的对比实验,验证了程序的正确性以及初步探讨了带有复式剪力键体外预应力结构的力学性能。2复式剪力键的试验本文共制作了6根体外预应力混凝土简支工字梁。其中3根为整体浇注,编号为ZT1ZT3;另外3根为节段式拼装梁,编号为JD1JD3。梁长4米,节段式梁共分五段预制,每段长80厘米,6片梁的截面尺寸和配筋情况完全相同,其一般构造如图1。不同之处仅在于节段式梁接缝处的非预应力钢筋断开,即在接缝处的截面内无任何钢筋通过。体外索采用2根35钢绞线,对称布置,张拉控制力为100kN。加载方式为三分点对称加载,采用分级加

4、载的方法,直至6片梁均完全破坏。节段式梁的接缝处粘贴碳纤维布(CFRP)构成复式剪力键,粘贴范围为顺梁方向接缝两侧各10cm,沿梁高方向粘贴至腹板顶部与上翼缘接合处。使用日本TONEN公司的FTS-C1-20高强度单向碳纤维布,纤维单位面积质量为200g/m2,厚度为0.111 mm,用于粘结碳纤维布的树脂胶以环氧树脂为主。这里需要指出的是,本文仅研究复式剪力键对梁抗弯能力的影响,在试件设计时考虑了避免发生剪切破坏,纤维布的纤维取向为梁轴线方向。考虑到实际节段式体外预应力混凝土桥梁对工期要求控制得很严,因此在复式剪力键处只粘贴了一层碳纤维布。试验结果表明:6片梁的破坏形态很接近,裂缝都很均匀,

5、梁的延性也较好。节段式梁的接缝处出现受力变形裂缝较少,与单纯节段式梁的破坏形态截然不同4,并测量了各级荷载作用下梁的跨中挠度和体外索中的应力增量。表1中给出了梁的极限荷载Pu、跨中极限挠度fu和体外索的极限应力增量p的实测值。从中可以看出,整体式梁与节段式梁的极限荷载很接近,平均误差为1.028,说明复式剪力键可以显著提高节段式体外预应力结构的承载能力;二者跨中极限挠度的平均误差为0.909,说明整体式梁与节段式梁的位移延性接近,有着非常接近的工作性能。3非线性有限元分析由于影响体外预应力结构极限承载力的因素非常多,如结构形式、材料特性、结构尺寸、预应力筋、非预应力筋的配置状况和加载方式等。对

6、于节段式体外预应力混凝土结构来说,除了要考虑上述影响因素以外,还要计入体外索转向块布置位置、节段间的接缝和体外索在转向块处的粘结状况等因素的影响,因此现有的结构计算方法很难较精确地分析节段式体外预应力结构。目前,国内外公认采用非线性有限元全过程分析的方法是计算节段式体外预应力混凝土结构行之有效的方法。本文建立了一个通用的有限元模型。该模型采用分离式有限元模型,把混凝土、钢筋和FRP材料作为不同的单元来处理,综合考虑了材料的物理非线性和结构的几何非线性,把整体结构离散成5种类型的单元,即钢筋混凝土梁单元、体外索单元、非预应力钢筋单元、FRP纤维拉杆单元和节段接缝单元。3.1钢筋混凝土梁单元体外预

7、应力结构中的截面形式是多种多样的,为了使分析计算适用于更广泛的截面形式,选择8节点或20节点的空间六面体等参元进行分析,如图2所示。每个节点具有x、y、z三个方向的平动自由度,通过给定截面上的节点力集成,可以计算整个截面内的横向和竖向弯矩、剪力以及扭矩。3.2体外索单元及非预应力钢筋单元体外索和非预应力钢筋均作为一维的桁架单元进行处理,即单元只承受轴向的拉压作用。对于非预应力钢筋单元,单元的两端分别附着在混凝土单元的两个相邻节点上,与混凝土单元的节点具有相同的变形,钢筋单元不能跨越混凝土单元。对于体外索单元,单元两端的节点可以跨越混凝土单元,但必须是混凝土单元上的节点。为简化计算,不考虑预应力

8、筋在转向块位置处粘结-滑移关系和摩擦作用,即预应力筋在转向位置只能为完全固结或自由两种形式。3.4接缝的处理缝是预制节段施工的预应力混凝土桥梁的重要部位,本文采用的接缝单元模型如图3所示。接缝的两截面间用沿梁高度的一系列桁架单元连接,每个桁架单元均与混凝土单元相连,并且具有比混凝土轴向刚度足够大的抗压刚度。对于干接缝,不能承受任何拉力,一旦单元受拉,该桁架即退出工42003年3月FRP材料在体外预应力桥梁中的应用研究FRP/CM2003.No.2作;对于湿接缝,可承受一定的拉力,当桁架拉应变超过其容许应变时,该桁架破坏,不再参与受力。为保证两混凝土截面间的变形协调关系,采用主从关系的约束方法来

9、限制桁架单元两端节点的变形,即将j节点看作从节点,i节点看作主节点,两节点具有相同的竖向和横向变形,但其顺桥向的变形不同。这样即满足了结构的几何不变性,又满足了相邻混凝土截面间变形和内力的协调性。在计算出沿截面高度的所有接缝单元的应变后,可以得到整个截面的变形情况,从而了解接缝的工作形态,计算出接缝截面开裂的高度和裂缝的宽度,如图4所示。3.5程序说明笔者采用Microsoft Visual C+语言编制了体外预应力混凝土结构空间非线性静力分析程序,并且在Microsoft Visual Studio 6.0环境中调试通过,程序框图如图5。该程序能够对整体浇注式和节段式体外预应力混凝土结构进行

10、全过程弹塑性分析。程序的功能及特点简述如下:(1)采用分离式模型对结构进行离散,通过使用节点间的主从约束关系可处理带有干接缝或湿接缝节段施工的桥梁结构,而不需引进额外的假设和增加节点未知量数,从而降低了刚度矩阵的阶数,提高了计算精度。(2)采用支承条件的先处理法形成结构总体刚度矩阵,且采用一维变带宽存储技术存储总刚,极大地节省了内存,扩大了计算规模,能够分析大型的桥梁结构。针对多种荷载形式,如自重、节点力、均布压力、对称与非对称荷载等,对结构进行弯、剪、扭的空间受力分析。(3)采用弹塑性分析的方法,计算结构从初始加载到最后破坏的整个过程的分析,分析时考虑了混凝土和钢材的物理非线性及几何非线性的

11、影响。采用增量迭代法求解结构效应,提高了计算的精度。在计算过程中,可记录并报告每一荷载增量下单元的应力、应变的变化、混凝土的开裂和屈服、钢筋的屈服以及接缝的开裂情况。(4)在迭代计算时,可自动根据结构单元的状态决定是否需要形成总体刚度矩阵。开始迭代时,采用结构的初始刚度阵。当有单元屈服、开裂或破坏后,则重新形成刚度矩阵进行迭代以加快收敛速度。(5)采用动态内存管理技术,全部数据均根据实际输入的维数实时分配内存;节点位移、单元的应力、应变状态等中间数据均采用二进制的数据文件进行存储和读写,节省了内存,扩大了计算规模。计算的结构规模仅受Windows内存的限制。(6)充分利用了C+语言中类的可继承

12、性和重载性,使编制的程序具有较好的结构性、可读性和可维护性,有利于程序的二次开发。3.6程序的验证为了验证程序的正确性,对6片实验梁的试验结果与本文程序的计算值进行了比较,表1中给出了比较结果,发现计算结果与试验实测值吻合较好,说明本文给出的非线性分析程序是可靠的。4结论(1)FRP复式剪力键可以明显改善节段式体外预应力桥梁结构接缝处的力学性能,在配筋条件相同的条件下,可以使节段式桥梁与整体浇注施工的桥梁基本具有相同的承载能力;(2)所开发的体外预应力混凝土结构非线性有限元程序是可靠的,可以用于分析计算带有复式剪力键的节段式体外预应力混凝土桥梁结构,其计算精度得到了实验的验证;(3)复式剪力键

13、应用于体外预应力混凝土桥梁可以在基本不增加工期(成本)的前提下把桥梁设计为部分预应力混凝土结构,完成设计思想上从全预应力向部分预应力的更新;(4)本文的研究内容仅限于节段式体外预应力混凝土梁的正截面抗弯能力的研究,由于FRP材料具有可设计性,可以针对梁的抗剪等其他力学性能做进一步的研究,以便FRP材料迅速应用于新建体外预应力结构,达到完善新结构力学性能的目的。参考文献1项海帆.大跨度桥梁工程的进展.中国土木工程学会桥梁及结构工程第九界年会论文集,1990,42Kiang-Hwee Tan, Chee-Khoon Ng. Effect of Shear in ExternallyPrestres

14、sed Beams. ACI Structure Journal, 19983徐栋.节段施工体外预应力桥梁的极限强度分析.同济大学博士论文,1998,114J. Muller, Y. Gauthier. Ultimate Behavior of Precast SegmentalBox Girders with External Tendons. External Prestressing inBridges, ACI Special Publication, American Concrete Institute, De-troit, 19905王彤.体外预应力混凝土梁弹性分析.哈尔滨建筑大学硕士论文,1999,1APPLICATION STUDY OF FRP MATERIAL IN EXTERNALLY PRESTRESSED BRIDGESWang TongZhang YajunZhang HuiLu Chun(Harbin Institute of Technology)(Liaoning Communication College)Abstract:The strengthening of composites in segm