預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件研究進展

吳 軍 （祁門縣建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 黃山 245400）

預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件研究進展

吳 軍 （祁門縣建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 黃山 245400）

工程實踐中，由于纖維增強復(fù)合材料的高強、輕質(zhì)、不易腐蝕、無導(dǎo)電、無磁性這些特性，F(xiàn)RP材料已經(jīng)被用于混凝土構(gòu)件中來替代預(yù)應(yīng)力鋼筋。美國混凝土協(xié)會在纖維增強聚合物加固技術(shù)會議上做了有關(guān)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件方面的學(xué)術(shù)報告，出版了ACI440.4R-04規(guī)范。文章對規(guī)范中預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土相關(guān)部分做一概述并比較了預(yù)應(yīng)力FRP筋與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋差別。

FRP；纖維增強聚合物；預(yù)應(yīng)力；Paris公式；疲勞壽命；健康評估

1 緒論

FRP材料已經(jīng)被建議用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，F(xiàn)RP材料的高強、輕質(zhì)、不易腐蝕、無導(dǎo)電、無磁性等特性能夠使它很好的在預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件中發(fā)揮作用。FRP材料從形狀上分為棒狀、片狀、網(wǎng)狀和筋的形式，從材質(zhì)上可分為阿基米德FRP筋、碳纖維FRP筋和玻璃纖維FRP筋三種。FRP這種復(fù)合材料是不均質(zhì)且各向異性的，它的強度取決于纖維樹脂的種類性能和加工過程，具體的細節(jié)則要從FRP筋制造商那里獲得。預(yù)應(yīng)力FRP筋構(gòu)件的受力系統(tǒng)包括FRP筋及錨具，因此預(yù)應(yīng)力FRP混凝土構(gòu)件的受力性能取決于FRP筋、錨具以及他們共同組成的受力系統(tǒng)，為了使整體受力性能達標，每部分構(gòu)件的具體受力性能都需要試驗實測。

2 文獻的局限性

文獻重點研究了預(yù)應(yīng)力阿基米德FRP筋和碳纖維FRP筋混凝土構(gòu)件的抗彎性能，包括體內(nèi)、體外兩種FRP筋布置方式構(gòu)件的實驗性能。結(jié)論將應(yīng)用于有粘結(jié)和無粘結(jié)的后張拉預(yù)應(yīng)力FRP筋構(gòu)件，并且只針對于全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，并沒有包括特定的部分預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。美國混凝土學(xué)會認為本規(guī)范與鋼筋混凝土單跨和多跨橋是相關(guān)的。而對于在地震荷載下需要有較大延性及變形的FRP筋連續(xù)梁和受彎框架，本文并沒有給出意見建議。

3 FRP筋及錨具

FRP筋的種類由組成筋的纖維來區(qū)分，文獻ACI 440.4R-04中只提及了阿基米德FRP筋及碳纖維FRP筋，玻璃纖維FRP筋在持續(xù)荷載下抗蠕變性能較差，且相比于阿基米德FRP筋及碳纖維FRP筋更容易出現(xiàn)堿性降解?；谏逃肍RP筋制造商給出的數(shù)據(jù)，文獻給出了FRP筋的性能特點。給類FRP筋品牌包括Arapree，F(xiàn)iBRA，Technora，Parafil，Leadline，and CFCC。不同的預(yù)應(yīng)力FRP筋應(yīng)采用不同的錨固方式，如：錐塞式錨具、直套筒式錨具、輪廓套筒式錨具、金屬覆蓋式及分離式錨具。而其余失效的錨具形式可分為兩大類：錨具系統(tǒng)失效和外部FRP拉斷。一般認為如果3倍于錨具直徑的FRP筋沒有拉斷，那么此錨具就可以是滿足需求的。錨具系統(tǒng)的損壞可分為4種模式：①FRP筋與套筒之間的磨擦力不足一直FRP筋移動甚至滑出錨具；②FRP筋與套筒同時相對于楔形錨環(huán)滑動；③楔形錨具相對于孔洞的滑動；④錨具內(nèi)部FRP筋被拉斷。

4 抗彎設(shè)計

傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件在混凝土開裂前表現(xiàn)為彈性變形，鋼筋屈服后撓度迅速增加，直到混凝土受壓區(qū)壓碎或者鋼筋拉斷導(dǎo)致構(gòu)件破壞。但對于FRP筋構(gòu)件來說，F(xiàn)RP筋在混凝土開裂前表現(xiàn)為彈性變形，而在混凝土開裂后隨著荷載的增加，F(xiàn)RP的變形依舊近似為線性直至混凝土受壓區(qū)壓碎或者受拉筋被拉斷。鋼筋與FRP筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對比如圖1。由于FRP的彈性模量較低，因此相比于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力FRP混凝土構(gòu)件開裂荷載較低。

5 強度設(shè)計方法

預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的近似強度設(shè)計計算方法是基于界限配筋率理論，即在情況下受壓區(qū)混凝土壓碎和FRP筋拉斷同時發(fā)生。混凝土壓碎時認為極限壓應(yīng)變?yōu)?.003，由混凝土立方塊做軸心受壓試驗測得；FRP筋破壞時認為其受力到達極限受拉承載力。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件撓度彎矩曲線對比圖示

有粘結(jié)與無粘結(jié)FRP構(gòu)件的設(shè)計方法均在文獻中被提出。預(yù)應(yīng)力FRP筋梁的受彎承載力極限狀態(tài)取決于受壓區(qū)破壞或者受拉區(qū)破壞。當配筋率大于界限配筋率的時候混凝土發(fā)生受壓破壞，而受拉筋未破壞；當配筋率小于界限配筋率的時候表現(xiàn)為FRP筋受拉破壞而混凝土受壓區(qū)未壓碎。如同ACI318-02一樣，當鋼筋被拉伸引起強度下降的時候要考慮強度折減系數(shù)。受壓控制區(qū)與受拉控制區(qū)之間的過度區(qū)域理論同樣被提出。在受拉區(qū)域最邊緣最大拉應(yīng)變大于等于0.005；而受壓控制區(qū)壓最大拉應(yīng)變小于等于0.002，強度折減系數(shù)——拉應(yīng)變關(guān)系如圖2。

圖2 強度折減系數(shù)對比

規(guī)范中提到，當鋼筋垂直方向排列（即在受壓面上預(yù)應(yīng)力筋處于不同深度）時，構(gòu)件的受彎承載力取決于其應(yīng)力應(yīng)變分布。由于不同深度處筋的預(yù)應(yīng)力分布不同，所以最終統(tǒng)一取最大曲率處筋的應(yīng)力分布，另一方面，由于混合配筋不同深度的配筋率也不同，如豎琴形鋼筋束和大量在底部翼緣的直線筋。

6 抗彎能力和張拉應(yīng)力

規(guī)范中采用的混凝土的抗壓強度與AASHTO的公路橋梁標準規(guī)范是一樣的。除了對于混凝土中受拉應(yīng)力的限值更為嚴格，這與文獻ACI318-02是一樣的。一般認為鋼筋通常達到其屈服應(yīng)力的85%或者近似應(yīng)變?yōu)?.005，但是對于文獻中提到的FRP筋的張拉應(yīng)力只允許到達其極限應(yīng)力的40%～65%。這種理論適用于應(yīng)變在0.008～0.012之間或者是普通預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)變1.5～2.5倍的預(yù)應(yīng)力FRP筋。

7 對豎琴形鋼筋束的應(yīng)力修正

由于FRP筋曲率變化導(dǎo)致應(yīng)變增加進而材料強度下降，文獻中給出對于撓曲鋼筋束及豎琴形鋼筋束的強度修正。

8 損失

規(guī)范描述了不同種類的FRP筋的預(yù)應(yīng)力損失。由于預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移引起的錨具支座損失是FRP筋體系的一種模式，由預(yù)應(yīng)力筋蠕變、收縮和混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失可以與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用一樣的計算方法。相關(guān)的摩擦擺動系數(shù)需從預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)制造商那里獲得。預(yù)應(yīng)力FRP筋的松弛損失由以下3個原因造成：聚合物的松弛；纖維的伸直；纖維的松弛。分別考慮上述3個因素，總體松弛損失以應(yīng)力百分比的形式表示。

9 延性及變形能力

因為FRP筋是脆性材料，并沒有傳統(tǒng)意義上的延性變形能力，所以要注意對構(gòu)件破壞有足夠的預(yù)警。由于延性較低，其變形程度可以作為其破壞狀態(tài)的衡量指標。在構(gòu)件彎曲破壞的時候可以將其變形能力定義為撓曲比，通過后者定義方式，預(yù)應(yīng)力FRP構(gòu)件可以有相當大的變形能力。另一種定義變形能力的方法是通過極限荷載下和正常使用荷載下?lián)隙然蚯实臄?shù)值比來表達。

10 可靠性

短期和長期荷載下預(yù)應(yīng)力FRP梁的變形撓度的測定在文獻中給出：對于短期受荷梁的撓度，考慮到混凝土開裂后預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的軟化效應(yīng)，提出了修正后的有效慣性矩計算方法；對于長期受荷下的FRP梁，其計算方式則與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土類似（PCI，2000），并且引入調(diào)整系數(shù)來適應(yīng)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁。

考慮到FRP筋的特殊性質(zhì)，對于ACI318-02中給出的計算預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土構(gòu)件抗剪強度公式，文獻作出了適當?shù)男拚ｎA(yù)應(yīng)力FRP筋構(gòu)件的抗剪承載力有3部分提供：混凝土提供的剪切強度；考慮變形后強度折減后FRP筋的剪切強度；垂直構(gòu)件提供的剪切強度。

同ACI318-02給出非預(yù)應(yīng)力FRP筋的最大間距限制一樣，文獻給出了預(yù)應(yīng)力FRP筋的最大間距限制。并且為了保證剪切力不會引起構(gòu)件突然的開裂破壞，以至于過大的危害，限定了FRP筋的最小配筋率。文獻中采用FRP筋的變形后有效強度代替鋼筋的屈服強度，對ACI318-02給出的最小配筋率公式作出修正。由于鋼筋和FRP在力學(xué)性能上有很大的不同，文獻還給出了FRP受剪筋的最小彎曲半徑與直徑的比率，即r/db，為3，同時最小尾長為12db。此外，F(xiàn)RP箍筋的彎曲封閉角要為90°。

11 粘結(jié)作用

由于FRP材料與鋼筋的粘結(jié)機理不同，導(dǎo)致他們的形狀、表面處理和彈性模量均不同。FRP筋的表面紋理的不同影響著其與周圍混凝土的粘結(jié)作用。FRP筋的變形增長長度與FRP筋直徑的關(guān)系在文獻中給出，CFRP筋的變形與延長長度的計算公式在文獻中給出，同時給出了不同F(xiàn)RP筋的變形延長的典型值。

12 無粘結(jié)體外FRP筋構(gòu)件

對于無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力FRP筋來說，其與混凝土之間的拉力是無法確定的。預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土中的最終拉應(yīng)力由Naaman給出近似的計算方法，該方法通過對有粘結(jié)筋預(yù)應(yīng)力構(gòu)件應(yīng)力的計算公式乘以折減系數(shù)，在得到預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力之后，即可同有粘結(jié)筋構(gòu)件一樣計算極限彎矩。極限狀態(tài)的應(yīng)力折減系數(shù)有多個影響因素，包括：加載方式；裂縫在梁上的分布范圍；0和1.0之間取值的不同，其中1.0代表有粘結(jié)筋。

體內(nèi)無粘結(jié)筋與體外無粘結(jié)筋最大的不同之處就在于體外無粘結(jié)筋在受力的過程中。另外，由于是體外無粘結(jié)筋，其在混凝土轉(zhuǎn)向塊處的極限應(yīng)力也要予以不同的考慮，文獻中給出了計算體內(nèi)無粘結(jié)和體外預(yù)應(yīng)力FRP筋的極限作用效應(yīng)不同的公式。

13 打樁與原地彎曲

文獻給出了不同的預(yù)應(yīng)力混凝土打樁過程中可能出現(xiàn)的破壞模式，出了各類已有的研究，美國還對全尺寸預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土樁進行了驅(qū)動監(jiān)測試驗以驗證其表現(xiàn)特點。

14 研究展望

規(guī)范中提到，協(xié)會關(guān)注的一些相關(guān)領(lǐng)域問題仍有待研究，包括：①經(jīng)濟節(jié)約型FRP筋和錨固系統(tǒng)的研究；②無粘結(jié)筋錨固系統(tǒng)的疲勞效應(yīng)和抗火性能；③受到反復(fù)作用力的設(shè)備需要研究應(yīng)力集中對于FRP筋的影響；④有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋的長期作用性能有待研究；⑤電化腐蝕有待研究；⑥后張拉體外FRP筋的收縮。

[1]AASHTO(1998).Standard Specifications for Highway Bridges,LRFD.US Customary Units,SecondEdition,AmericanAssociationof StateHighwayandTransportation Officials,Washington,D.C.,1998.

[2]ACI440.4R-04(2004).“Prestressing Concretewith FRP Tendons”,American Concrete Institute,Farmington Hills,Mich.,35.

[3]ACI Committee 318 (2002).“Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318-02)and Commentary(318R-02),”American Concrete Institute,Farmington Hills,Mich.,443.

[4]Naaman,A.E.,Burns,N.,French,C.,Gamble,W.L.,and Mattock,A.H.(2002).“Stresses in UnbondedPrestressing Tendons at Ultimate: Recommendation,”ACI Structural Journal,V.99,No.4,July-Aug., pp.520-531.

[5]PCI(1975).“Recommendations for Estimating Prestress Losses,”PCI Journal,V.20,No.4,July-Aug.,pp.43-75.

[6]PCI(2000).Design Handbook,Fifth Edition,Precast/Prestressed Concrete Institute,Chicago,Ill.,690.

TU37

A

1007-7359（2016）06-0140-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.053