无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁试验与分析

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纤维增强聚合物(FRP)筋具有轻质、高强、耐腐蚀等特点,作为增强材料替代钢筋在混凝土结构中应用,可有效避免因钢筋锈蚀引起的混凝土结构承载力的下降和耐久性的降低,降低工程维护费用。  FRP筋应力-应变关系始终呈线弹性,因此,FRP筋作预应力筋或非预应力筋的混凝土构件延性性能较差。为解决这一问题,作者以CFRP筋作无粘结预应力筋、同时配置一定数量的非预应力钢筋,设计制作了4根无粘结CFRP筋部分预应力混凝土简支梁和9根两跨无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁,通过静载试验考察这类构件的受力性能,取得以下几方面的研究成果:  CFRP筋的弱抗剪性能为张拉与锚固带来困难,为解决这一问题,作者提出了一种CFRP筋张拉与锚固方法:利用XM15-1夹片锚具作为锚固无粘结预应力CFRP筋的基本受力装置,为防止夹片对CFRP筋的局部剪切破坏,在CFRP筋与锚具夹片之间设置具有一定长度和刚度的钢套管以分散夹片对CFRP筋的局部夹持作用。为保证对CFRP筋足够的夹持力,可在CFRP筋与钢套管之间填充粘结强度较高的环氧树脂胶。为确保环氧树脂胶能与CFRP筋粘结充份,钢管可以采用两半圆钢管拼接。为了检验这种锚固方法的可行性,制作了两组(每组7根)CFRP筋—锚具组装件试件,第一组组装件CFRP筋直径8mm,第二组组装件CFRP筋直径10mm。在穿心式千斤顶上完成了试件的静载试验,试验结果表明:采用这种锚固方法是可行的。  CFRP筋力学性能与钢筋不同,为考察无粘结CFRP筋部分预应力混凝土受弯构件的受力性能,本文对所设计制作的4根无粘结CFRP筋部分预应力混凝土简支梁进行了两点集中加载试验,在对试验数据进行分析的基础上,提出了无粘结CFRP筋部分预应力混凝土简支梁中无粘结CFRP筋在使用阶段和正截面承载能力极限状态时的应力增量计算公式;确定了无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁开裂弯矩M与刚度计算终点对应弯矩crM的比k值α,根据实测荷载挠度曲线并结合基于双折线理论的刚度计算模式,提出了这类构件在荷载效应标准组合作用下短期刚度计算公式;通过确定无粘结CFRP筋等效为有粘结钢筋的换算系数fη,为合理计算无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁按荷载效应标准组合计算的裂缝截面处纵向受拉筋等效应力  σ提供了可能,同时探索了这类梁裂缝分布规律和平均裂缝间距计算方sk法。  为考察无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁塑性性能,对作者所设计制作的9根两跨无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁进行每跨三分点同时加载试验。在对试验数据进行分析的基础上,明确了以中支座控制截面受压混凝土达到极限压应变为标志的设计用承载能力极限状态和以连续梁达到承载力极限破坏为标志的真实承载能力极限状态;建立了使用阶段无粘结CFRP筋应力增量计算公式、设计用承载能力极限状态无粘结CFRP筋应力增量计算公式、以及真实承载能力极限状态无粘结CFRP筋应力增量计算公式。获得了中支座纵向钢筋屈服后分别与设计用承载能力极限状态和真实承载能力极限状态相对应的塑性铰区长度实测值,进而拟合得到这两种极限状态下等效塑性铰区长度的计算公式。  由于无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁采用先张拉、后安放至试验台,因此连续梁不考虑支座处的次内力,在此基础上,分别建立了设计用承载能力极限状态下和真实承载能力极限状态下的、分别以中支座控制截面综合配筋指标为自变量和以中支座控制截面相对塑性转角为自变量的内力重分布系数的计算公式。
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