局部配CFRP－PCPs復合筋混凝土梁受力性能試驗

張 鵬，吳 兵，鄧 宇

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006)

局部配CFRP－PCPs復合筋混凝土梁受力性能試驗

張 鵬，吳 兵，鄧 宇

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545006)

針對局部 (跨中受拉區2 m范圍內)配碳纖維增強塑料預應力混凝土棱柱體(CFRP－PCPs)復合筋的鋼筋混凝土梁進行受力性能試驗。分析了局部配CFRP－PCPs復合筋梁的受力過程、破壞模式，對試驗數據進行了整理和歸納分析，探討了不同復合筋數量和截面大小、CFRP筋預應力大小對局部配CFRPPCPs梁的抗彎性能的影響。研究表明:局部配CFRP－PCPs復合筋梁表現出良好的受力性能;局部配置時，CFRP－PCPs復合筋的性能都能發揮良好。

CFRP－PCPs復合筋;局部配筋;鋼筋混凝土梁;靜力加載試驗

0 引言

纖維增強聚合筋 (fiber reinforced polymer tendon，FRP)具有強度高、耐腐蝕等特點，在工程中得到廣泛應用，但FRP筋也存在一些重要的缺陷:首先，FPR筋為完全線彈性材料，直接應用于混凝土結構中易發生脆性斷裂破壞;其次，彈性模量較普通鋼筋低，使得FRP構件受力時撓度和裂縫較大;再次，抗剪強度低，在運輸及施工過程中易受到損壞，且在預應力結構中使用時對錨具系統要求非常高，從而又限制了FRP筋在預應力結構中的一些應用［1－4］。鑒于此，本課題組率先在國內提出了“CFRP－PCPs復合筋”概念。CFRP－PCPs復合筋(carbon fiber reinforced polymer prestressed concrete prisms)是由碳纖維筋(carbon fiber reinforced plastics)和高性能活性粉末混凝土(ultra-high performance concrete)這兩種材料所制成的一種具有預應力效應的新型復合材料構件(以下簡稱“復合筋”)。它以碳纖維筋作為預應力筋，以高性能活性粉末混凝土為澆灌材料，采用先張法工藝制作而成。集高性能活性粉末混凝土的超高強度、優良的耐久性、韌性和碳纖維筋的高抗拉強度、耐腐蝕等二者的優勢性能于一體，因而在實際工程中具有較高的應用前景。

與普通鋼筋相比，CFRP筋的生產制作工藝復雜，有些構件采用的CFRP筋需要從國外進口，造價偏高。若用于預應力構件中時，需要進行現場預應力張拉且需專門研發與之配套的錨具，技術和工藝復雜。而本文提出的在混凝土純彎段非通長配置CFRP－PCPs復合筋，不僅解決了現場張拉FRP筋帶來的不便，減少了在現場張拉的錨固問題，以及附屬結構被錨固后受荷載的不利影響，而且復合筋局部配置，大大減少了成本［5－7］。本文對1根通長布置CFRP筋和4根局部配置復合筋的混凝土梁進行彎曲受力性能試驗。研究表明，在純彎段布置復合筋很好地提高了構件的承載力及延性，同時改善了構件的抗裂性能。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

CFRP－PCPs復合筋是指CFRP筋與高性能活性粉末混凝土組合在一起的筋材。其具體制作工藝:采用建筑膠粘結，將截好尺寸的CFRP筋兩端安裝上錨具;固定在張拉臺上，并使CFRP筋縱向中心線與模具的縱向中心線在同一平面上;對CFRP筋采取分級張拉方法進行預應力張拉，待張拉過的CFRP筋穩定后將事先攪拌好的高性能混凝土澆筑在模具內，同時進行振搗，達到振搗要求后，再進行抹平。待室內養護達到設計強度后放張CFRP筋。

混凝土:本次試驗采用的混凝土強度等級為C50，CFRP－PCPs復合筋的澆筑混凝土采用高性能活性粉末混凝土，由柳州OVM公司提供。混凝土C50、高性能活性粉末混凝土的材性試驗均嚴格根據我國現行的《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—1992)的相關規定及要求進行試驗。混凝土的力學性能指標如表1所示。

表1 混凝土的力學性能指標Table 1 Mechanical properties of concrete

筋材:試件所需的CFRP－PCPs復合筋中的預應力CFRP筋直徑為!7，該預應力筋及其錨具由柳州OVM公司提供。CFRP筋的材料性能取同批CFRP筋的材性試驗值。非預應力筋、構造筋、箍筋均采用由特定公司提供并委托進行了材性試驗的普通鋼筋，本文中直接引用了試驗結果。CFRP筋、普通鋼筋的力學指標如表2所示。

表2 筋材的力學指標Table 2 Mechanical properties of bars

粘結材料［9］:CFRP筋兩端的錨具采用套筒式錨具，兩者采用灌漿式錨固，粘結材料采用柳州OVM公司提供的LNG灌漿料和環氧樹脂膠嚴格按照規定比例調膠。粘結材料是由環氧樹脂、固化劑和石英砂3種材料攪拌而成，其各組分的質量配合比為環氧樹脂∶固化劑∶石英砂=4∶1∶8。

1.2 試件的設計

共設計了5個試件，均為簡支梁。圖1為試件簡圖，試件的截面形狀均為矩形，截面尺寸為200 mm×300 mm，梁長均為4 000 mm，端支座距梁的兩端分別為100 mm，以便試件安裝，跨度均取3 800mm，復合筋長度為2 000 mm。根據不同截面面積和CFRP筋張拉控制應力將復合筋編號PC1～PC3［9－12］，復合筋參數如表3所示。

表3 CFRP－PCPs復合筋參數Table 3 Detail of CFRP-PCPs bars

圖1 試件簡圖Fig.1 Diagram of specimens

受拉區非預應力鋼筋、受壓區鋼筋和箍筋都采用普通鋼筋。根據不同的復合筋型號及數量將試件編號為CBP-1～CBP-4。對比構件為通長配筋的后張法預應力CFRP筋梁(編號CBP-5)，CFRP筋張拉控制應力為40%σcon。試件設計參數如表4所示。

表4 試件配筋表Table 4 Bars of specimens

1.3 試驗方法

采用從美國MTS公司引進的MTS電液伺服加載系統分級加載。在試件出現裂縫之前，取每2 kN為一個加載等級，試件開裂后，取每10 kN為一個加載等級［9－10］，加載簡圖如圖2所示。

圖2 加載簡圖Fig.2 Loading figure

根據本次試驗目的，需要測量的數據如下［11］: 1)應變:主要測量跨中鋼筋應變、復合筋中CFRP筋的應變、CFRP－PCPs復合筋中高性能活性粉末混凝土應變 、混凝土應變;2)撓度:跨中撓度、支座沉降;3)荷載:分級加載荷載。

試件梁混凝土表面位移測點和應變測點、復合筋中CFRP筋通長布置的CFRP筋以及縱向普通鋼筋上的應變測點布置圖如圖3所示。

2 主要試驗結果

2.1 破壞形態

5根混凝土梁的破壞形態如圖4所示，其中4根局部配復合筋梁的發展特點相近，且所有試驗梁均表現為CFRP筋被拉斷后梁上表面受壓混凝土壓碎的破壞模式。以CBP-4梁和CBP-5梁為代表介紹其加載過程和試驗現象。

圖3 位移和應變測點布置圖Fig.3 Arrangement of displacement and strainmeasuring points

CBP-4梁在加載之初，梁整體處于彈性變形階段中，荷載持續增加，梁底部下邊緣混凝土的拉應變同時隨之增大:當加載到19 kN時，梁底部混凝土拉應變接近極限狀態，在跨中純彎區臨近中間的位置首先開裂，出現了一條短而細的裂紋，高度為20 mm，約為梁高的1/13，測量裂縫寬度為0.04 mm，此時梁的撓度比開裂前在同級荷載下有了明顯的增大;持續加載，不斷有新的細小裂縫出現，最早出現的裂縫寬度不斷增大同時高度向上發展，這個階段梁進入帶裂紋的彈塑性工作狀態;當加載至113.2 kN時，裂縫數不再增加，裂縫總條數為26條，其最大寬度為0.725 mm，總的來說，裂縫分布較為均勻。隨著荷載的增加，裂縫的高度、寬度仍處于繼續增加的狀態:荷載至116.4 kN時，26條裂縫高度達到梁高的4/5，斜裂縫轉向沿水平方向向中間擴展;荷載加至126 kN時，最大裂縫寬度為1 mm，同時梁不時發出“嘭嘭”的細微響聲;荷載加至128 kN時，突然發出“嘭”的一聲巨響，在梁上表面受壓區出現混凝土被壓碎進而隆起，與此同時梁的承載能力迅速降低，此時，梁呈極限破壞狀態。

CBP-5梁在加載初期與CBP-4相近，直到加載到25.31 kN時，在梁的底部側面首先開裂，出現了第1條細而小裂縫，高度為10 mm，寬度為0.02 mm;繼續加載，到35 kN時，在錨具處有輕微響聲，裂縫由1條增加到6條，主裂縫最大寬度為0.035 mm，最高高度為梁高的1/2;直至荷載加載到65 kN時，突然一聲尖銳的響聲，這時梁一端錨具脫錨，同時裂縫高度迅速發展，承載力也緊跟著下降，繼續施加荷載，裂縫條數繼續增加，同時裂縫的寬度和高度也在增加;當荷載達到97.35 kN時，裂縫的數量不再增加，高度和寬度繼續發展，此時鋼筋屈服，荷載的承擔主要是CFRP筋，故此時梁的剛度下降較多，表現出較大的變形;隨著荷載繼續加大，伴隨著輕微的“嘭嘭”聲，支座處也有混凝土渣飛出，當荷載達到120 kN時，混凝土梁受壓區有混凝土剝落，試件破壞。

圖4 CBP各梁破壞形態Fig.4 Failuremodes of CBP beams

對比可知，局部配復合筋混凝土梁與配CFRP筋混凝土梁相比，撓度變形小于后者，裂縫分布較后者均勻，且發展也較為緩慢。裂縫總體高度發展較低，尤其是后期發展緩慢，繼續發展高度有限。

2.2 荷載－撓度曲線

圖5 荷載－跨中撓度曲線Fig.5 Relationship between load and mid-span deflection

所有試件的荷載－撓度曲線圖如圖5所示。可以看出:配有復合筋的試件相對于配有CFRP筋的試件，試件屈服前的撓度變化情況要好，同時加載前期表現出良好的彈塑性，這表明復合筋中的高性能活性粉末混凝土發揮了良好的作用，它含有鋼纖維，并且不含粗骨料，與CFRP筋及普通混凝土粘結較好，可以與CFRP筋協同工作。使得試件屈服后，配有復合筋的試件存在較為明顯的屈服平臺，表現出較好的延性及耗能性能;配有復合筋的試件相對于配有CFRP筋的試件，開裂荷載有一定差距。但在試件開裂后，配有復合筋的試件開始顯現優勢，極限承載力有較大的提高，在加載到相同荷載時，配有復合筋的試件的撓度比配有預應力CFRP筋的試件小很多，復合筋增強了截面剛度，在達到極限荷載前試件的撓度降低;比較試件CBP-1、CBP-2、CBP-3、CBP-4曲線發現，試件變形性能隨著復合筋的張拉控制應力和復合筋截面尺寸的增加而提高，張拉控制應力的大小是關鍵因素。

2.3 裂縫分析

圖6 各試件荷載－裂縫寬度(a)與主裂縫荷載－裂縫高度(b)關系曲線Fig.6 Relationship among load and crack width(a)，and crack height(b)

試件的荷載與裂縫寬度、高度關系曲線如圖6所示。可見，所有構件裂縫高度及寬度發展較慢，裂縫總條數較多，平均間距小，裂縫總體上發展及分布較均勻。復合筋與混凝土的粘結能阻止裂縫的發展且能傳遞應力。對比試件CBP-1與CBP-4的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線可以發現:在加載前期，試件CBP-1的開裂荷載為18.15 kN，試件CBP-4的開裂荷載為19 kN，兩者開裂荷載相近;在相同的荷載等級下，試件CBP-1的裂縫寬度以及高度都要小于試件CBP-4，且前期裂縫發展較為緩慢，在加載后期，兩者的寬度與高度都有了較多變化，雖然梁CBP-1的裂縫高度略高于梁CBP-4的裂縫高度，但發展的速率要較后者平穩。以上現象說明，提高復合筋中CFRP筋的張拉應力能夠較好地發揮阻止裂縫發展作用。對比試件CBP-4和試件CBP-2的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線發現:在整個加載過程中，試件CBP-2的裂縫寬度遠小于試件CBP-4的裂縫寬度，且裂縫寬度較試件CBP-4的發展平穩、緩慢，裂縫發展的高度相近。從總體來看，試件CBP-2的裂縫總數為36條，而試件CBP-4的總數為26條，前者比后者裂縫間距小，分布更為均勻。這是因為增加了復合筋的數量，有效地阻止了裂縫的發展，尤其是在加載后期復合筋起到了關鍵作用，與混凝土表現出良好的粘結性能，從而使梁整體的破壞趨于平緩。故此，隨著復合筋數量的增加，可以增強構件的阻裂能力;但考慮到到構件的延性問題，建議在放置復合筋的同時放置普通鋼筋，以保證構件的延性。同時，發現試件CBP-4和CBP-2的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線兩者無論是在裂縫寬度還是在裂縫高度上都比較接近，裂縫總體分布也比較相似，后者裂縫高度略高，是因為后者與混凝土的接觸面積略大，對其阻裂性能有一定的影響。可見，加大復合筋的截面面積對構件的裂縫發展沒有太明顯的效果。對比試件CBP-4和CBP-5的荷載－裂縫寬度、荷載－裂縫高度曲線發現:兩者裂縫寬度曲線發展趨勢幾乎重合，裂縫高度試件CBP-4的要略高于試件CBP-5，這是由于后者為預應力構件，加載過程中對試件CBP-5施加的預應力很好地發揮了阻止裂縫發展的效果;但在試件CBP-4的破壞過程中可以看到明顯的過程加載，這證明復合筋可以保證構件的延性。

2.4 上緣混凝土－荷載應變

試件混凝土受壓區荷載－壓應變曲線如圖7所示。當試件開裂之前，試件處于彈性階段，下緣混凝土沒有開裂，上緣混凝土梁應變與荷載近似呈線性關系。當試件開裂后直至屈服，試件進入彈塑性階段:隨著下緣混凝土的裂縫迅速向上延伸，裂縫寬度變大，試件上緣混凝土應變增加速度明顯加快，表現出應變和荷載呈非線性關系。當試件屈服后，受壓區高度減小，微量的荷載變化，就可導致試件上緣混凝應變大幅度的改變。綜上可以看出，各試件受壓區混凝土破壞時壓應變尚未達到其極限壓應變，這種現象與試件受壓破壞的試驗現象并不吻合，分析其可能原因在于由于受試驗條件的制約，導致受壓混凝土破壞區域并不在跨中的測點位置。

總體上，局部配復合筋梁開裂前處于彈性階段，曲線呈線性關系;局部配復合筋梁屈服即進入彈塑性階段，裂縫的寬度和高度不斷增加，此時梁頂部混凝土應變增加量變大，曲線表現出非線性關系。

2.5 鋼筋的荷載－應變特征

跨中受拉區非預應力鋼筋荷載－應變曲線如圖8所示。在試件屈服時，鋼筋屈服點應變在2 200με左右，與理論屈服應變相接近，可理想地認為，此次試驗中所有試件的鋼筋均已達到屈服強度。配有復合筋的試件非預應力鋼筋在構件破壞時拉應變已達到理論屈服強度，鋼筋應力超過本次試驗所用鋼筋的平均極限強度，因此在計算復合筋承載力時，應取鋼筋的極限強度。在加載相同荷載下，配有復合筋的試件鋼筋屈服比配有預應力 CFRP筋試件要早，并且配有預應力CFRP筋的試件在鋼筋屈服以后很快被破壞，但配有復合筋的試件在鋼筋屈服后還可以有很長的屈服平臺，說明了復合筋可以與鋼筋協同，共同完成承擔荷載的任務，從而提高了鋼筋的利用效率。

2.6 復合筋中CFRP筋荷載－應變特征

圖7 混凝土上緣荷載－應變曲線Fig.7 Strain responses of concrete in specimens

圖8 鋼筋荷載－應變曲線Fig.8 Strain responses of steel bar in specimens

圖9 預應力筋荷載－應變曲線Fig.9 Strain responses of prestressing CFRP bars tendons

復合筋中CFRP筋跨中受荷載影響曲線圖9所示，CFRP筋的應變曲線大致也可分為3個階段:第1階段，配有復合筋和配有CFRP筋的試件在混凝土梁開裂以前，試件均處于彈性階段，混凝土尚未開裂，預應力CFRP筋應變與荷載近似呈線性關系;第2階段，梁底混凝土開裂之后，配有復合筋的試件，主要是鋼筋和復合筋共同受力，而復合筋內部的CFRP筋也隨加載級數的增加逐漸開始承擔荷載作用，所以曲線斜率增大，且出現非線性區段。對于配有預應力CFRP筋的試件，主要由鋼筋和CFRP筋共同承擔荷載作用，CFRP筋曲線斜率較大，應變和荷載呈非線性關系;第3階段，鋼筋屈服以后，CFRP筋承擔了大部分的荷載，直至試件最后破壞，在這一階段荷載增量極小的情況下，CFRP筋應變增加量會有較大的改變，曲線斜率明顯變大。

對比配有相同的張拉應力但不同復合筋根數的試件CBP-2、CBP-4，在普通非預應力鋼筋達到屈服時，試件CBP-2中CFRP筋的應變增量大于試件CBP-4中CFRP筋的應變增量，其原因主要是:試件CBP-2比試件CBP-4中多1根復合筋，但相應地減少了普通鋼筋，故試件 CBP-2中的CFRP筋需要承擔比試件CBP-4中CFRP筋更多的應力;試件CBP-2中配有2根復合筋，CFRP筋有效地與高強混凝土工作。

對于復合筋中CFRP筋不同控制拉應力，配筋相同的試件CBP-1和試件CBP-4相比，當達到屈服荷載時，試件CBP-1中CFRP的筋應變略小于試件CBP-4的，提高復合筋中CFRP的控制拉應力，復合筋參與更多受力行為，因此，提高復合筋中CFRP筋的張拉應力可以提高復合筋的利用率。

而對復合筋截面面積不同的試件CBP-3和試件CBP-4相比，當達到屈服荷載時，試件CBP-4中CFRP筋的應變是略小于試件CBP-3中CFRP筋的應變。提高復合筋中截面尺寸，對試件的開裂彎矩沒有太大影響，但加大復合筋的截面面積使更多的高性能混凝土參與CFRP筋協同工作，對其極限承載力貢獻力量，參與更多受力行為，提高復合筋中CFRP筋的張拉應力可以提高復合筋的利用率。

2.7 復合筋表面荷載－應變特征

復合筋上下緣混凝土應變與荷載的關系曲線如圖10所示。此次試驗中復合筋上下緣均受拉，且在整個受力過程中下緣應變較上緣的應變大;試件從開裂直至破壞，復合筋上下緣的荷載－應變曲線表現出明顯的非線性，荷載－應變曲線直到構件破壞都表現為類似的變化曲線;在極限階段，復合筋下緣開裂時，復合筋上緣應變較下緣的應變較小，說明試件在復合筋下部開裂后，CFRP筋承擔了主要荷載，試件中復合筋截面尺寸較CFRP筋大，且試件的破壞模式為CFRP筋未拉斷的受壓破壞，因此直至構件破壞均由CFRP筋在工作，復合筋上部混凝土受力較小。通過試驗觀察和數據分析一直到構件破壞，復合筋中的高性能混凝土在受力過程中起到了顯著的作用，但上部的高性能混凝土應變較小，對承載力的貢獻較小，故過量的增加截面尺寸是不合理的。對比試件可以看出，增加復合筋中CFRP筋的張拉控制應力會使復合筋上下緣受力差別減小。

3 結論

(1)局部配復合筋混凝土梁表現出良好受力性能，不僅在正常使用極限狀態而且在承載力極限狀態下，局部配復合筋混凝土梁的受力性能都發揮良好。

(2)提高復合筋中CFRP筋的預應力可以提高復合筋的開裂荷載和改善CFRP梁在正常使用階段的受力性能。

(3)增加復合筋數量也可以在一定程度上提高構件的極限承載力，同時減少構件的撓度。配有復合筋梁的撓度均小于CFRP梁的撓度。

圖10 CFRP－PCPs復合筋表面荷載－應變曲線Fig.10 Strain responses of CFRP-PCPs bars in specimens

(4)從裂縫分布上觀察，配有復合筋的試件總體上裂縫分布較為均勻，在復合筋開裂前，與僅配有CFRP筋的試件相比，裂縫寬度較小。在復合筋開裂以后裂縫發展情況要比后者明顯，其原因是在復合筋開裂后主要是由CFRP筋承擔荷載，但本試驗的試件均采用局部配復合筋，此時釋放出的預應力相較于通長配筋有所降低，故裂縫寬度要略大于后者。

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Experiment on the behavior of partial reinforced concrete beam w ith CFRP-PCPs reinforcement

ZHANG Peng，WU Bing，DENG Yu
(College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China)

In this paper，themechanical behavior of concrete beam which is reinforced by CFRP-PCPs within the range of twometers of the compression zone in themid-span is studied．Based on the test values of the specimens，the detail studies on flexural behavior and failuremodes are conducted．Through the reorganization and induction of the experiment data，the influence of sectional dimensions and quantity of the CFRP-PCPs and the prestressed of CFRP on the flexural performance are discussed．Experiments show that partial reinforced concrete beam with CFRP-PCPs reinforcement shows good mechanical performance，and the CFRP-PCPs can play a good performance when reinforced in the beams．

CFRP-prestressed concrete prisms;partial reinforced;concrete beam;static loading test

TU375.1

:A

2015－05－06

國家自然科學基金項目 (51168006;51108099);廣西自然科學基金青年項目 (2012GXNSFBA053159)

張 鵬 (1967—)，男，博士，教授，研究方向:CFRP材料在結構中的應用，gxutzp@126.com。

張鵬，吳兵，鄧宇．局部配CFRP－PCPs復合筋混凝土梁受力性能試驗［J］．桂林理工大學學報，2016，36(4):713－720．

1674－9057(2016)04－0713－08

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.011