论文部分内容阅读
摘 要：通过3根预应力CFRP筋桥面板的静力加载试验，对CFRP筋桥面板的受力过程、破坏形态及机理、极限承载力、裂缝及变形特性等进行系统的研究。研究结果显示，预应力CFRP筋可有效的延缓板构件裂缝开展，改善构件变形性能，增加构件强度、改善结构延性。
关键字：预应力CFRP筋；桥面板；试验
Abstract: Three bridge decks reinforced with Prestressed CFRP bars under static loads are tested to analyze the mechanical behavior, failure Mode, ultimate flexural capacity,crack and deformation performance.The result shows that Prestressed CFRP bars play the import role in staving off cracking of the crack, improving distortion performance，increasing carrying capacity，improving ductility of the bridge decks.
Key words：Prestressed CFRP bars；bridge decks；test
中图分类号: TU378.2
0 引言
钢筋锈蚀问题已成为全世界土木工程领域迫在眉睫的问题。为解决该问题，一个有效的方法就是利用CFRP筋代替钢筋，CFRP筋抗拉强度高、自重轻，耐腐蚀性能好，极大地提高了结构的耐久性，节省结构后期的维护和修复等费用，尤其是它较强的抗拉强度，十分实用于预应力结构，因此，本文将预应力CFRP筋运用于混凝土桥面板中，并通过试验研究其破坏机理，研究其抗弯承载能力等破坏机理。
1 试验设计
共设计3板预应力CFRP筋桥面板试件，均采用C50混凝土浇筑。试件的截面为矩形，板的截面尺寸b和h分别为600mm和150mm。板长均为2200mm，跨度均取2000mm。预应力CFRP筋采用直径为7mmCFRP筋，根据不同参数采用编号为：PB1、PB2、PB3。非预应力筋，受压区钢筋，箍筋均采用普通钢筋。试件设计参数有：①张拉控制应力，分别为0.4和0.6；②CFRP的根数。试验各设计参数详见下表，试验各设计参数及配筋情况详见表1[1][2][3][4][5]，表2为混凝土力学性能指标，表3为筋材力学性能指标。
基金项目：广西工学院自然科学基金项目（院科自1166210、1166208）
作者介绍：李斌（1983-），男，广西桂林市人，研究生学历，广西科技大学助理工程师，二级建造师。
表1试件配筋表
表2 混凝土的力學性能指标
表3筋材的力学性能指标
试验中加载方式按照结构静力试验中单调加载试验方法进行。试件两端简支，通过一个500 kN的MTS液压作动器和分配梁实现三分点加载，作动器和分配梁之间布置有荷载传感器，以量测荷载的数值。采用分级加载制度，首先预加载15 kN，开裂前每级增加4 kN，开裂后每级增加8 kN，直至试件破坏。加载示意见图1。
图1 试验加载图
2试件受力过程
所有预应力CFRP筋桥面板其受力大体相同，其受力可概括为以下几个阶段：
(1) 加载到初裂阶段
预应力CFRP筋桥面板底部受拉区混凝土开裂之前试件处于弹性阶段。试件的挠度随着荷载的增加而增长，试件总体变形不大，荷载—挠度曲线呈线性关系。随着荷载的增加，在该阶段末，试件的纯弯段内会出现几条细小的裂缝。试验结果发现，试件CFRP筋张拉控制应力水平越高，根数越多，开裂荷载就越大。
(2) 开裂至屈服阶段
该阶段对应于试件受拉区混凝土开裂，终止于非预应力钢筋屈服。预应力CFRP筋桥面板板底混凝土开裂后，受拉区混凝土逐渐退出工作，截面的拉应力由CFRP筋和非预应力钢筋共同承担。荷载—挠度曲线出现第一个拐点并且偏离原直线。随着荷载的增加，普通钢筋、预应力CFRP筋、应变增加较快；纯弯段、加载点和剪压段均有数量不等的裂缝出现，但裂缝高度开展不明显，所有试验混凝土板主裂缝高度发展到截面高度的3/5处时便不再向上扩展。
(3) 屈服到极限阶段
该阶段开始于非预应力钢筋屈服，终止于预应力CFRP筋桥面板受压区混凝土被压碎。非预应力钢筋屈服，截面的刚度大幅度下降，挠度的增长迅速，荷载—挠度曲线出现第二个拐点。随着荷载的增加，预应力CFRP筋桥面板混凝土受压区被压碎，试件破坏。该阶段裂缝的数量不再增加，但宽度和高度扩展很快。
3试件荷载挠度曲线
所有的预应力CFRP筋桥面板荷载—挠度曲线对比如图2所示。
图2PB1，PB2，PB3试件荷载—挠度曲线对比图
所有试件荷载—挠度曲线对比可得如下结论：
从各预应力CFRP筋桥面板PB1，PB2，PB3的对比情况可以看出，在试件屈服以前，各试件的开裂荷载，挠度，屈服荷载均差别不大。增加CFRP筋的预应力水平及预应力度，对试件挠度变形影响不大。在试件屈服以后，CFRP筋混凝土桥面板试件的极限承载力和变形性能随着CFRP筋的预应力水平和数量的增加而提高。其中提高预应力可以稍微提高极限承载力，减少挠度。增加CFRP筋数量也可以提高试件的极限承载力，明显的减少挠度，但会降低延性。
4试件裂缝开展
预应力为40%的桥面板PB1裂缝前期开展较慢，在正常使用极限阶段各裂缝发展较均衡，出现多条高度和宽度相近的主裂缝，并且各级荷载情况下主裂缝交替现象明显，最后PB1裂缝数目明显增加，间距减少，但是裂缝宽度较小。预应力为60%的桥面板PB2的裂缝开展情况在桥面板PB1的基础上又有了明显的提高，在前期裂缝宽度和高度开展最为缓慢，在整个正常使用阶段通过肉眼看不到裂缝有明显的变化。在后期破坏后，可以看到整个构件的的所有裂缝分布比较密集，裂缝数目最多，裂缝间距最少，并且发展比较均匀，纯弯段内各裂缝高度和宽度相差不大，和剪压段斜裂缝宽度和高度也很接近。桥面板PB2的裂缝发展情况在桥面板PB1的基础上又有了较大的提升。两根CFRP筋构件桥面板的PB3，裂缝发展情况比桥面板PB1略好，但是差于桥面板PB2，裂缝数目，间距及宽度介于桥面板PB1和PB2之间。
5 结论
(1) 从试验过程可以看出，试件抗弯承载力大体相同的情况下，正常使用极限状态，随着CFRP筋预应力水平的提高，预应力CFRP筋混凝土板的受力性能也有所提高。
(2) 提高预应力CFRP筋桥面板的预应力度，可一定程度的提高试件的极限承载力，减少挠度，但延性较差，建议增加预应力CFRP筋数量的同时，适当搭配普通钢筋，以增加延性。
(3)预应力 CFRP筋桥面板进行配筋设计时，由于板的截面较大，应充分考虑CFRP筋截面尺寸的大小对板试件挠度、裂缝开展的影响。
参考文献
[1] 规范编制组.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.
[2] 刘华杰.纤维塑料筋混凝土受弯构件试验研究与理论分析[D].上海:同济大学，2003.
[3] Stijn Matthys, and Ltic Taenve. Concrete Slabs Reinforced with FRP Grids.I :One-way Bending[J]. Journal of Composites for Construction,2000:145-153.
[4] Burong Zhang, Radhouane Masmoudi, Brahim Benmokane. Behaviour of one-way concrete slabs reinforced wrth CFRP gruf reinforcements[J].Construction and Building Materials,2004 (18):625-635.
[5] Sherif El-Garnai, Ehab EI-Satakawy, and Brahim Benmokane. Behavior of Concrete Bridge Deck Slabs Reinforced with Fiber-Reinforced Polyer Bars Under Concentrated Loads[J].ACI Structural Journal,2005:727-735.
关键字：预应力CFRP筋；桥面板；试验
Abstract: Three bridge decks reinforced with Prestressed CFRP bars under static loads are tested to analyze the mechanical behavior, failure Mode, ultimate flexural capacity,crack and deformation performance.The result shows that Prestressed CFRP bars play the import role in staving off cracking of the crack, improving distortion performance，increasing carrying capacity，improving ductility of the bridge decks.
Key words：Prestressed CFRP bars；bridge decks；test
中图分类号: TU378.2
0 引言
钢筋锈蚀问题已成为全世界土木工程领域迫在眉睫的问题。为解决该问题，一个有效的方法就是利用CFRP筋代替钢筋，CFRP筋抗拉强度高、自重轻，耐腐蚀性能好，极大地提高了结构的耐久性，节省结构后期的维护和修复等费用，尤其是它较强的抗拉强度，十分实用于预应力结构，因此，本文将预应力CFRP筋运用于混凝土桥面板中，并通过试验研究其破坏机理，研究其抗弯承载能力等破坏机理。
1 试验设计
共设计3板预应力CFRP筋桥面板试件，均采用C50混凝土浇筑。试件的截面为矩形，板的截面尺寸b和h分别为600mm和150mm。板长均为2200mm，跨度均取2000mm。预应力CFRP筋采用直径为7mmCFRP筋，根据不同参数采用编号为：PB1、PB2、PB3。非预应力筋，受压区钢筋，箍筋均采用普通钢筋。试件设计参数有：①张拉控制应力，分别为0.4和0.6；②CFRP的根数。试验各设计参数详见下表，试验各设计参数及配筋情况详见表1[1][2][3][4][5]，表2为混凝土力学性能指标，表3为筋材力学性能指标。
基金项目：广西工学院自然科学基金项目（院科自1166210、1166208）
作者介绍：李斌（1983-），男，广西桂林市人，研究生学历，广西科技大学助理工程师，二级建造师。
表1试件配筋表
表2 混凝土的力學性能指标
表3筋材的力学性能指标
试验中加载方式按照结构静力试验中单调加载试验方法进行。试件两端简支，通过一个500 kN的MTS液压作动器和分配梁实现三分点加载，作动器和分配梁之间布置有荷载传感器，以量测荷载的数值。采用分级加载制度，首先预加载15 kN，开裂前每级增加4 kN，开裂后每级增加8 kN，直至试件破坏。加载示意见图1。
图1 试验加载图
2试件受力过程
所有预应力CFRP筋桥面板其受力大体相同，其受力可概括为以下几个阶段：
(1) 加载到初裂阶段
预应力CFRP筋桥面板底部受拉区混凝土开裂之前试件处于弹性阶段。试件的挠度随着荷载的增加而增长，试件总体变形不大，荷载—挠度曲线呈线性关系。随着荷载的增加，在该阶段末，试件的纯弯段内会出现几条细小的裂缝。试验结果发现，试件CFRP筋张拉控制应力水平越高，根数越多，开裂荷载就越大。
(2) 开裂至屈服阶段
该阶段对应于试件受拉区混凝土开裂，终止于非预应力钢筋屈服。预应力CFRP筋桥面板板底混凝土开裂后，受拉区混凝土逐渐退出工作，截面的拉应力由CFRP筋和非预应力钢筋共同承担。荷载—挠度曲线出现第一个拐点并且偏离原直线。随着荷载的增加，普通钢筋、预应力CFRP筋、应变增加较快；纯弯段、加载点和剪压段均有数量不等的裂缝出现，但裂缝高度开展不明显，所有试验混凝土板主裂缝高度发展到截面高度的3/5处时便不再向上扩展。
(3) 屈服到极限阶段
该阶段开始于非预应力钢筋屈服，终止于预应力CFRP筋桥面板受压区混凝土被压碎。非预应力钢筋屈服，截面的刚度大幅度下降，挠度的增长迅速，荷载—挠度曲线出现第二个拐点。随着荷载的增加，预应力CFRP筋桥面板混凝土受压区被压碎，试件破坏。该阶段裂缝的数量不再增加，但宽度和高度扩展很快。
3试件荷载挠度曲线
所有的预应力CFRP筋桥面板荷载—挠度曲线对比如图2所示。
图2PB1，PB2，PB3试件荷载—挠度曲线对比图
所有试件荷载—挠度曲线对比可得如下结论：
从各预应力CFRP筋桥面板PB1，PB2，PB3的对比情况可以看出，在试件屈服以前，各试件的开裂荷载，挠度，屈服荷载均差别不大。增加CFRP筋的预应力水平及预应力度，对试件挠度变形影响不大。在试件屈服以后，CFRP筋混凝土桥面板试件的极限承载力和变形性能随着CFRP筋的预应力水平和数量的增加而提高。其中提高预应力可以稍微提高极限承载力，减少挠度。增加CFRP筋数量也可以提高试件的极限承载力，明显的减少挠度，但会降低延性。
4试件裂缝开展
预应力为40%的桥面板PB1裂缝前期开展较慢，在正常使用极限阶段各裂缝发展较均衡，出现多条高度和宽度相近的主裂缝，并且各级荷载情况下主裂缝交替现象明显，最后PB1裂缝数目明显增加，间距减少，但是裂缝宽度较小。预应力为60%的桥面板PB2的裂缝开展情况在桥面板PB1的基础上又有了明显的提高，在前期裂缝宽度和高度开展最为缓慢，在整个正常使用阶段通过肉眼看不到裂缝有明显的变化。在后期破坏后，可以看到整个构件的的所有裂缝分布比较密集，裂缝数目最多，裂缝间距最少，并且发展比较均匀，纯弯段内各裂缝高度和宽度相差不大，和剪压段斜裂缝宽度和高度也很接近。桥面板PB2的裂缝发展情况在桥面板PB1的基础上又有了较大的提升。两根CFRP筋构件桥面板的PB3，裂缝发展情况比桥面板PB1略好，但是差于桥面板PB2，裂缝数目，间距及宽度介于桥面板PB1和PB2之间。
5 结论
(1) 从试验过程可以看出，试件抗弯承载力大体相同的情况下，正常使用极限状态，随着CFRP筋预应力水平的提高，预应力CFRP筋混凝土板的受力性能也有所提高。
(2) 提高预应力CFRP筋桥面板的预应力度，可一定程度的提高试件的极限承载力，减少挠度，但延性较差，建议增加预应力CFRP筋数量的同时，适当搭配普通钢筋，以增加延性。
(3)预应力 CFRP筋桥面板进行配筋设计时，由于板的截面较大，应充分考虑CFRP筋截面尺寸的大小对板试件挠度、裂缝开展的影响。
参考文献
[1] 规范编制组.混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.
[2] 刘华杰.纤维塑料筋混凝土受弯构件试验研究与理论分析[D].上海:同济大学，2003.
[3] Stijn Matthys, and Ltic Taenve. Concrete Slabs Reinforced with FRP Grids.I :One-way Bending[J]. Journal of Composites for Construction,2000:145-153.
[4] Burong Zhang, Radhouane Masmoudi, Brahim Benmokane. Behaviour of one-way concrete slabs reinforced wrth CFRP gruf reinforcements[J].Construction and Building Materials,2004 (18):625-635.
[5] Sherif El-Garnai, Ehab EI-Satakawy, and Brahim Benmokane. Behavior of Concrete Bridge Deck Slabs Reinforced with Fiber-Reinforced Polyer Bars Under Concentrated Loads[J].ACI Structural Journal,2005:727-735.