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无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板设计方法研究

白崇喜  
【摘要】: 碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)筋具有轻质、高强、耐腐蚀等优点。以CFRP筋作为无粘结预应力筋,以环氧涂层钢筋或镀锌钢筋作为非预应力筋的无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板可避免因预应力钢筋锈蚀而引起的结构物承载力下降和耐久性降低。由于CFRP筋受拉应力-应变关系呈线弹性,其弹性模量也不同于预应力钢筋,因此无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板受弯性能有别于常规无粘结部分预应力钢筋混凝土梁板。尽管无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板具有突出优点,但梁板中无粘结CFRP筋在使用阶段和承载能力极限状态下的应力增长规律尚不清楚,难以准确计算裂缝开展宽度、变形和承载力。尽管CFRP筋受拉应力-应变关系呈线弹性,但无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁板配有一定数量的非预应力钢筋,从加荷至破坏存在一定的塑性内力重分布过程,考察这类连续梁板弯矩调幅规律有一定现实意义。为此本文开展了如下几方面工作: (1)通过引入梁板的整体变形协调条件来解决平截面假定不再适用这一问题,采用弯矩-曲率分析法,编制了可用于无粘结CFRP筋部分预应力混凝土简支梁板和连续梁板全过程非线性分析的程序。以跨中控制截面受压边缘混凝土达到极限压应变作为简支梁板正截面承载能力极限状态的标志,以中支座控制截面受压边缘混凝土达到极限压应变作为连续梁板正截面承载能力极限状态的标志。以逐级增加简支梁板和连续梁板相应控制截面受压边缘混凝土压应变,直至达到极限压应变的方法实现了梁板的全过程分析。采用该程序计算出的无粘结CFRP筋等效折减系数、无粘结CFRP筋极限应力增量和弯矩调幅系数等计算结果,总体上与试验结果吻合良好,这表明用该计算程序对无粘结CFRP筋部分预应力混凝土简支梁板和连续梁板进行全过程分析是可靠的。 (2)定义了使用阶段下无粘结CFRP筋应力增量与控制截面有粘结非预应力筋应力增量的比值为无粘结CFRP筋等效折减系数。参数分析表明,简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋等效折减系数均随CFRP筋弹性模量、非预应力筋配筋指标、预应力筋相对位置的增加而增加,预应力筋配筋指标对简支梁板中无粘结CFRP筋等效折减系数的影响程度明显大于对连续梁板,荷载作用形式和跨高比对简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋等效折减系数的影响规律并不相同,简支梁板中无粘结CFRP筋为直线布筋时的等效折减系数比为曲线布筋时的要大,连续梁板中无粘结CFRP筋等效折减系数随中支座控制截面综合配筋指标与跨中控制截面综合配筋指标的比值的增加而增加;对于简支梁板和连续梁板,T形截面的无粘结CFRP筋等效折减系数小于矩形截面。以关键参数为自变量,建立了简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋等效折减系数的计算公式,为合理的计算使用阶段梁板的裂缝开展宽度和变形提供了依据。 (3)基于无粘结CFRP筋等效折减系数,可将无粘结CFRP筋折算成一定数量的有粘结钢筋,它与原有有粘结纵向受拉钢筋共同构成等效纵向受拉钢筋。在无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板刚度计算公式中引入等效纵向受拉钢筋配筋率,在用于计算无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板裂缝宽度的纵向受拉钢筋等效应力计算公式中引入等效纵向受拉钢筋面积。基于相关试验结果,推导了表达方式统一的无粘结CFRP筋部分预应力混凝土梁板刚度及裂缝宽度计算公式,二公式所得的计算结果与试验结果吻合良好,可用于工程设计。 (4)参数分析表明,简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋极限应力增量均随非预应力筋配筋指标、预应力筋配筋指标的增加而减小,随CFRP筋弹性模量的增加而增加;荷载作用形式对简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋极限应力增量的影响规律并不相同;连续梁板和跨中单点荷载作用下的简支梁板中无粘结CFRP筋极限应力增量随跨高比的增加而减小;连续梁板中无粘结CFRP筋极限应力增量随跨中控制截面综合配筋指标的增加而减小;对于简支梁板和连续梁板,T形截面的无粘结CFRP筋极限应力增量大于矩形截面。以关键参数为自变量,建立了简支梁板和连续梁板中无粘结CFRP筋极限应力增量的计算公式,为正确计算梁板的正截面受弯承载力提供了依据。 (5)连续梁板中跨中控制截面和中支座控制截面相对刚度的变化引起了内力重分布,进而产生了弯矩调幅现象。以中支座控制截面的外载弯矩与张拉引起的次弯矩之和为弯矩调幅对象,参数分析表明,弯矩调幅系数随跨中控制截面综合配筋指标的增加而增加,随中支座控制截面综合配筋指标的增加而减小。荷载作用形式和跨高比对弯矩调幅系数也存在一定影响。以关键参数为自变量,建立了连续梁和连续板的弯矩调幅系数计算公式,为进行连续梁板的塑性设计提供了参考依据。


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