楊 劍, 方 志

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075; 2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410082)

CFRP配筋活性粉末混凝土梁延性和變形性能

楊 劍1?, 方 志2

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075; 2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410082)

在對(duì)不同參數(shù)CFRP配筋活性粉末混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)CFRP配筋活性粉末混凝土梁的延性和變形性能進(jìn)行了研究，并采用數(shù)值分析對(duì)CFRP配筋活性粉末混凝土梁的延性性能進(jìn)行了參數(shù)分析.試驗(yàn)和分析結(jié)果表明：與CFRP配筋普通混凝土梁相比，CFRP配筋活性粉末混凝土梁具有良好的延性和變形能力；提出的荷載-撓度曲線下降段斜率公式能較好地反映出結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情形，由此計(jì)算的基于能量定義的延性指標(biāo)與試驗(yàn)值吻合較好；采取增大混凝土極限壓應(yīng)變、增加預(yù)應(yīng)力筋無黏結(jié)長度、增大受壓鋼筋的配筋率或降低有效預(yù)應(yīng)力均能有效增大發(fā)生混凝土壓碎破壞CFRP配筋RPC梁的延性和變形能力.

活性粉末混凝土(RPC)；纖維增強(qiáng)；梁；延性；撓度

纖維增強(qiáng)聚合物FRP(Fiber Reinforced Polymer)以其強(qiáng)度高、重量輕、低松弛以及不銹蝕等優(yōu)異性能，將成為解決鋼絞線等筋材銹蝕問題的最佳選擇之一[1].由于FRP筋為理想線彈性材料，因此FRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)中反映結(jié)構(gòu)延性的塑性殘余變形比普通混凝土結(jié)構(gòu)的要小，且其延性性能主要取決于混凝土的塑性[1].為增強(qiáng)FRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性以及與之高強(qiáng)度相適應(yīng)，將具有韌性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)異物理力學(xué)性能的活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)應(yīng)用于FRP配筋結(jié)構(gòu).摻入適量鋼纖維的RPC具有比普通混凝土高的極限抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變，RPC峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變分別為3 500με和4 500με[2]，這對(duì)于提高發(fā)生混凝土壓碎破壞的CFRP配筋結(jié)構(gòu)的延性具有重要意義.基于CFRP和RPC的優(yōu)異性能，這種結(jié)構(gòu)型式不僅克服了CFRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)延性差的缺陷，且對(duì)減輕結(jié)構(gòu)自重以提高抵抗使用荷載的有效性和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要意義.

目前，對(duì)CFRP筋RPC梁的研究開展很少[3-4]，為了研究CFRP配筋RPC梁的變形和延性

性能，本文對(duì)CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)筋RPC梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析.

1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)梁為8根簡支T梁，試驗(yàn)參數(shù)選取為混凝土種類、預(yù)應(yīng)力度、張拉控制應(yīng)力以及CFRP筋黏結(jié)方式，具體情況見表1.試驗(yàn)梁具體截面尺寸及配筋如圖1所示.

圖1 截面配筋圖 (單位：mm)

表1 試驗(yàn)梁組成

注： PPR 為預(yù)應(yīng)力度，PPR=Apfp/(Apfp+Ayfy)，Ap和Ay分別為CFRP筋和鋼筋的面積，fp和fy分別為CFRP筋抗拉強(qiáng)度和鋼筋屈服強(qiáng)度；FB和PB分別表示CFRP筋為完全或部分黏結(jié)，隨后的數(shù)字為CFRP筋張拉控制應(yīng)力σcon與其抗拉強(qiáng)度之比；NC表示普通混凝土，R表示RPC；F30, F20和F18表示T梁翼緣寬度分別為300 mm, 200 mm和180 mm；NS表示不配普通鋼筋.

1.1 試驗(yàn)梁制作及加載

采用先張法工藝制作RPC梁，CFRP筋張拉及RPC養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)裝置如圖2所示.CFRP筋錨具為日本三菱公司生產(chǎn)的150 mm長FRP筋?yuàn)A片式錨具[5].

CFRP筋的部分無黏結(jié)是采用在CFRP筋套PVC管，在預(yù)應(yīng)力筋張拉后采用環(huán)氧樹脂封堵兩端實(shí)現(xiàn)筋的部分無黏結(jié).預(yù)應(yīng)力由圖2中所示2個(gè)千斤頂施加并通過穿心式力傳感器測(cè)量力的大小，同時(shí)測(cè)量粘貼于CFRP筋表面應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變，計(jì)算出CFRP筋的彈性模量Ep.RPC養(yǎng)護(hù)完后放張預(yù)應(yīng)力；放張時(shí)，通過測(cè)量粘貼于CFRP筋表面的應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變得出預(yù)應(yīng)力損失；并用百分表測(cè)量放張時(shí)梁的反拱值.

試驗(yàn)主要測(cè)量梁的荷載-撓度曲線、CFRP筋應(yīng)變?cè)隽俊⒖缰薪孛鎽?yīng)變分布以及裂縫寬度，其測(cè)點(diǎn)布置見圖3.試驗(yàn)荷載采用千斤頂加載并通過力傳感器測(cè)量荷載大小，百分表和位移傳感器測(cè)量試驗(yàn)梁的撓度，試驗(yàn)采用三分點(diǎn)分級(jí)單調(diào)加載至混凝土開裂，梁開裂后采用循環(huán)加、卸載至梁破壞.

圖2 預(yù)應(yīng)力張拉裝置兼RPC養(yǎng)護(hù)裝置(mm)

圖3 試驗(yàn)加載圖(mm)

1.2 試驗(yàn)梁材料特性

普通混凝土強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)量.RPC的抗壓強(qiáng)度fcu, 初裂劈裂抗拉強(qiáng)度ft，峰值劈裂強(qiáng)度ftu均采用100 mm的立方體試塊測(cè)試[6].用100 mm×100 mm×400 mm試塊測(cè)量混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fc及彈性模量Ec.試驗(yàn)梁材料性能指標(biāo)見表2.

表2 試驗(yàn)梁材料性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 荷載-撓度關(guān)系

試驗(yàn)梁的荷載-跨中截面撓度關(guān)系曲線如圖4所示，相應(yīng)測(cè)試結(jié)果見表3.

撓度/mm(a) CFRP配筋普通混凝土梁

撓度/mm(b) 翼緣寬30 cm CFRP配筋RPC梁

撓度/mm(c) 翼緣寬20 cm CFRP配筋RPC梁

撓度/mm(d) 翼緣寬18 mm CFRP配筋RPC梁

與普通混凝土梁相比，RPC梁表現(xiàn)出良好的變形性能，普通高強(qiáng)混凝土梁FB-45-C50和PB-45-C50的極限變形僅為梁跨徑的1/97.7和1/104.5，而RPC梁的極限變形為梁跨徑1/30.1～1/71.8，這主要是由于活性粉末混凝土的峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通混凝土[2]，從而提高了梁的變形性能.

表3 梁的試驗(yàn)結(jié)果

注：Pcr,Py,Pu分別為開裂荷載、鋼筋屈服時(shí)的荷載和極限荷載;Δcr,Δy,Δu分別為開裂撓度、鋼筋屈服時(shí)的撓度和極限撓度；l0為計(jì)算跨徑；Rt表示CFRP筋拉斷破壞, C/Rt表示頂部混凝土被壓碎伴隨CFRP筋拉斷破壞，C表示頂部混凝土壓碎破壞.

當(dāng)混凝土壓碎破壞時(shí)，完全黏結(jié)梁FB-45-RF20的極限荷載比部分黏結(jié)梁PB-45-R-F20約高9.4%，但部分黏結(jié)梁的極限變形卻比完全黏結(jié)梁的高12.0%.這是由于CFRP筋的部分無黏結(jié)增大了梁的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，從而提高了梁的變形能力.

普通RPC梁具有更好的變形性能，梁FB-00-R-F30的極限變形比預(yù)應(yīng)力RPC梁FB-45-R-F30的大52.1%，梁FB-00-R-S的極限變形比梁FB-45-R-S大19.3%，而2種梁的極限承載能力相差不到10%，因此降低張拉控制應(yīng)力可以使RPC梁具有良好的變形能力，且能充分發(fā)揮RPC和預(yù)應(yīng)力筋各自的優(yōu)異性能，使其共同達(dá)到極限狀態(tài).

1.3.2 延性性能分析

FRP筋為線彈性材料，因此采用鋼筋混凝土中截面曲率或梁撓度定義的延性指標(biāo)不適用于FRP配筋結(jié)構(gòu).為此國內(nèi)外許多學(xué)者均提出了一些延性指標(biāo)，但均有相應(yīng)適應(yīng)的條件[7-9].加載階段的FRP配筋混凝土梁的受力性能與鋼筋混凝土梁的相似，但在卸載階段的受力性能卻顯著不同[9-10]，因此， FRP配筋混凝土梁中反映結(jié)構(gòu)延性或耗能的非彈性殘余變形比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要小得多.因此，采用能量的觀點(diǎn)來定義FRP配筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo)將更適宜[8]：

(1)

式中：Eel表示彈性能;Etol表示總能量Etol=Epl+Eel，Epl表示塑性能.

為了獲得混凝土梁的彈性能以及非彈性能，需要得到極限荷載時(shí)的卸載曲線.若僅考慮荷載的大小，則卸載曲線的斜率S可由荷載-撓度曲線前兩段折線的加權(quán)平均斜率得到[8]：

(2)

采用式(2)計(jì)算的卸載曲線與實(shí)際卸載曲線具有一定的差異[10].對(duì)配置FRP筋和鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，荷載-撓度曲線可由開裂點(diǎn)(P1,Δ1)、鋼筋屈服點(diǎn)(P2,Δ2)和極限破壞點(diǎn)(Pu,Δu)來刻劃，如圖5所示，因此其卸載曲線應(yīng)綜合考慮鋼筋、加載方式和混凝土軟化的影響.本文提出配置FRP筋和鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的卸載剛度為：

(3)

式中：α(Εp/Es+1)為非預(yù)應(yīng)力筋的影響因子；γ為加載方式的影響因子；α=0.5[1]；Ep,Es分別為FRP筋和鋼筋的彈性模量；基于本文及文獻(xiàn)[11]等的試驗(yàn)結(jié)果，γ=1.0(三分點(diǎn)加載),γ=0.6(單點(diǎn)加載)，其余符號(hào)意義可參見圖5說明.

卸載曲線斜率S確定后，則梁的殘余變形可確定為：

Δur=Δu-Pu/S．

(4)

圖5 FRP筋和普通筋混合配筋梁的荷載-撓度曲線

實(shí)測(cè)荷載-撓度曲線計(jì)算的延性指標(biāo)和采用式(1)計(jì)算的延性指標(biāo)比較見表4.

表4 試驗(yàn)梁延性指標(biāo)

由表4可知：實(shí)測(cè)延性指標(biāo)與計(jì)算延性指標(biāo)基本吻合，這表明式(3)能較好地反映出結(jié)構(gòu)的實(shí)際卸載曲線.表4中試驗(yàn)梁的延性指標(biāo)均小于2，遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土梁的3～4延性指標(biāo)值，因此，CFRP配筋梁的延性性能較差.這主要是由于CFRP配筋梁的延性幾乎完全取決于混凝土的受壓塑性，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性主要來源于受拉鋼筋的塑性.

部分黏結(jié)梁的延性指標(biāo)均高于相同條件的完全黏結(jié)梁，PB-45-C50的比FB-45-C50高6%， PB-45-R-F20的比FB-45-R-F20的高13.6%.這是由于CFRP筋的部分無黏結(jié)減小了其應(yīng)力增量，受壓區(qū)混凝土可以經(jīng)歷相對(duì)較大的變形過程，從而提高了梁的延性.因此改變CFRP筋的黏結(jié)方式可提高混凝土壓碎破壞梁的延性性能.

RPC梁FB-45-R-F30和FB-00-R-F30破壞時(shí)的實(shí)測(cè)極限壓應(yīng)變分別為3 396με和3 664με，后者的極限壓應(yīng)變僅比前者大7.8%，但后者的延性指標(biāo)比前者大20.4%，由此表明增大RPC梁破壞時(shí)的極限應(yīng)變能顯著提高其延性性能.這也表明為了充分利用RPC的高強(qiáng)度、高應(yīng)變，可在保證耐久性的前提下，降低預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力以充分利用RPC的受壓塑性，從而增大CFRP配筋梁的延性性能.

對(duì)比普通混凝土梁FB-45-C50和RPC梁FB-45-R-F30的延性指標(biāo)，二者僅相差3.6%，這是由于FB-45-R-F30發(fā)生CFRP筋拉斷破壞時(shí)混凝土極限壓應(yīng)變3 396με，與普通混凝土FB-45-C50破壞時(shí)的極限壓應(yīng)變3 300με基本相同.而隨著RPC梁破壞時(shí)極限壓應(yīng)變的增加，如梁FB-00-R-F30預(yù)應(yīng)力筋拉斷破壞時(shí)的實(shí)測(cè)極限壓應(yīng)變超過3 664με，其延性指標(biāo)達(dá)到了1.770，比普通混凝土FB-45-C50的延性指標(biāo)1.526高16.0%.因此當(dāng)破壞模式相同時(shí)，RPC梁的延性優(yōu)于普通混凝土梁的.

2 數(shù)值分析

為了更好地研究CFRP配筋RPC梁的變形性能，進(jìn)行了數(shù)值參數(shù)分析.試驗(yàn)梁的理論分析是基于梁截面的彎矩-曲率關(guān)系得到的.

2.1 基本假定

1) 梁的彎矩-曲率關(guān)系通過以下幾個(gè)特征點(diǎn)來模擬：混凝土開裂，鋼筋屈服及受壓區(qū)混凝土壓碎或預(yù)應(yīng)力筋拉斷.

2) 普通混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系見文獻(xiàn)[12]，混凝土開裂后忽略其抗拉強(qiáng)度.

3)RPC本構(gòu)關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)[2]提出的本構(gòu)關(guān)系，并考慮混凝土抗拉強(qiáng)度的作用.

4)CFRP筋的本構(gòu)關(guān)系為線彈性關(guān)系.

5) 卸載曲線采取式(4)計(jì)算.

6) 截面內(nèi)混凝土、有黏結(jié)筋和普通筋的應(yīng)變符合平截面假定.無黏結(jié)筋在無黏結(jié)區(qū)域相對(duì)于周圍混凝土可以自由滑動(dòng)且這部分預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)的應(yīng)變均勻分布.假定無黏結(jié)筋處混凝土的應(yīng)變?cè)隽颗c梁的彎矩增量具有相同的分布規(guī)律[13]，如圖6所示.

無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋長度范圍內(nèi)混凝土伸長量為：

(5)

則無黏結(jié)筋的應(yīng)變?cè)隽繛椋?/p>

(6)

無黏結(jié)筋的應(yīng)力增量為：

(7)

(8)

當(dāng)a

(9)

這里εc為FRP筋處混凝土的應(yīng)變；a為梁的剪跨比；b為黏結(jié)長度；lu為無黏結(jié)長度.

圖6 部分黏結(jié)CFRP筋位置處混凝土應(yīng)變?cè)隽糠植?/p>

2.2 彎矩-曲率關(guān)系中特征點(diǎn)計(jì)算

截面開裂前，采用彈性理論進(jìn)行分析；截面開裂后，截面的彎矩-曲率關(guān)系由幾何條件、物理?xiàng)l件、截面的平衡條件得到.由以上分析編制相應(yīng)的非線性程序[13]，即可得到預(yù)應(yīng)力梁的全過程彎矩-曲率關(guān)系.由梁的彎矩-曲率關(guān)系可得試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線.試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線的理論值與實(shí)測(cè)值比較見圖7.由圖7可知：由彎矩-曲率關(guān)系計(jì)算出的梁荷載-撓度關(guān)系理論值與試驗(yàn)值的骨架線相近，能夠描繪出梁的實(shí)際加載過程.

撓度/mm (a) FB-45-C50

撓度/mm (b) FB-45-R-F30

2.3 參數(shù)分析

數(shù)值分析參數(shù)主要選取為：混凝土極限壓應(yīng)變、有效預(yù)應(yīng)力、無黏結(jié)長度、受壓鋼筋配筋率、混凝土種類.在參數(shù)分析中，若某一參數(shù)未被選為變量，則取值保持不變.對(duì)比梁初始參數(shù)值為：

1) 截面尺寸：翼緣寬200mm，腹板寬50mm，梁高300mm，跨高比為15∶1.

2)RPC材料參數(shù)：抗壓強(qiáng)度fc=120 MPa；抗拉強(qiáng)度ft=10 MPa，彈性模量Ec=45 GPa.

3) C50材料參數(shù)：fc=32.4 MPa,Ec=34.5 GPa.

4) CFRP材料參數(shù)：fp=2 650 MPa，Ep=150 GPa，預(yù)應(yīng)力筋距梁底af=76 mm.

5) 鋼筋材料參數(shù)：fy=335 MPa，Ey=200 GPa，非預(yù)應(yīng)力筋距梁底as=20 mm.

6) 有效預(yù)應(yīng)力取CFRP筋抗拉強(qiáng)度的45%.

以下分析中符號(hào)定義為：RSFO—有效預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力筋抗拉強(qiáng)度的比值；RUL—無黏結(jié)長度與梁跨徑之比；RFW—翼緣寬度與腹板寬度之比；DEF和DUC分別表示梁跨中極限撓度和延性指標(biāo)；P和F分別表示部分黏結(jié)和完全黏結(jié).

2.3.1 極限壓應(yīng)變的影響

圖8反映了極限壓應(yīng)變對(duì)CFRP筋RPC梁延性和極限變形的影響.

混凝土極限壓應(yīng)變

從圖8中可以看出，當(dāng)發(fā)生混凝土壓碎破壞時(shí)(完全黏結(jié)梁的混凝土壓應(yīng)變小于0.005, 部分黏結(jié)的小于0.006)，梁的延性指標(biāo)和極限變形近似呈線性增加，極限變形增加的幅度高于延性指標(biāo)增加的幅度. 完全黏結(jié)與部分黏結(jié)梁的極限變形增幅分別為50.2%和67.6%，延性指標(biāo)增幅分別為14.9%和19.4%，這是由于RPC極限應(yīng)變的增加提高了混凝土的塑性變形能力，從而使梁的延性和極限變形增加.當(dāng)混凝土壓應(yīng)變大于0.006(完全黏結(jié))和0.006 5(部分黏結(jié))后，梁發(fā)生預(yù)應(yīng)力筋拉斷破壞，此時(shí)梁的延性指標(biāo)和極限變形最大，由于RPC的峰值應(yīng)變以及預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)變恒定，故梁的延性指標(biāo)和極限變形保持不變.

當(dāng)發(fā)生受壓區(qū)混凝土壓碎時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力筋的部分無黏結(jié)使梁的極限變形增大10.4%，延性指標(biāo)僅增加6.5%，由此可見，CFRP配筋梁的延性主要由混凝土的塑性提供.

因此增加RPC的極限壓應(yīng)變能明顯提高混凝土壓碎破壞的RPC結(jié)構(gòu)的延性和極限變形能力.

2.3.2 有效預(yù)應(yīng)力的影響

圖9反映了有效預(yù)應(yīng)力大小對(duì)CFRP筋RPC梁延性和極限變形的影響.RSFO由0增加到0.6時(shí)，梁的破壞模式為頂面混凝土壓碎破壞；RSFO增加到0.7后，梁的破壞模式為預(yù)應(yīng)力筋拉斷破壞.

RSFO-有效預(yù)應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值

從圖9可以看出，隨著有效預(yù)應(yīng)力的增加，梁的極限變形不斷減小，當(dāng)RSFO由0增加到0.6時(shí)，完全黏結(jié)和部分黏結(jié)梁的極限變形分別降低36.1%和37.9%，延性指標(biāo)分別降低16.7%和20.5%.這表明有效預(yù)應(yīng)力的增加對(duì)梁極限變形的影響較大而對(duì)梁延性指標(biāo)的影響較小.

在相同有效預(yù)應(yīng)力時(shí)，部分黏結(jié)梁的極限變形和延性指標(biāo)均大于完全黏結(jié)梁的，這主要是由于部分黏結(jié)梁中預(yù)應(yīng)力筋的部分無黏結(jié)使CFRP筋中應(yīng)力增長較慢，CFRP配筋梁在相同截面相同破壞模式時(shí)，受壓區(qū)混凝土能經(jīng)受較大的變形過程，導(dǎo)致梁的延性增大.

2.3.3 無黏結(jié)長度的影響

圖10反映了無黏結(jié)長度對(duì)梁延性和極限變形的影響.當(dāng)RUL小于1/3時(shí)，即無黏結(jié)部分位于三分點(diǎn)加載的純彎段，此時(shí)無黏結(jié)長度的大小不改變CFRP筋應(yīng)力增量.

翼緣寬度RFW為2和4時(shí)，梁破壞模式為受壓區(qū)混凝土壓碎，此時(shí)梁的延性指標(biāo)和極限變形隨著RFW以及CFRP筋無黏結(jié)長度的增大而增加，RFW為2時(shí)，RUL由0增大至1時(shí)延性指標(biāo)和極限變形降幅分別為5.2%和4.3%；RFW為4時(shí)，RUL由0增大至1時(shí)延性指標(biāo)和極限變形降幅分別為21.1%和27.6%.這是由于CFRP筋的部分無黏結(jié)增大了梁的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，從而增大了梁變形，翼緣寬度的增大也增加了受壓混凝土的總塑性變形能，從而梁的延性增加.

RUL-無黏結(jié)長度與預(yù)應(yīng)力筋長度的比值

當(dāng)RFW為6時(shí)，T梁的破壞模式為CFRP筋拉斷破壞，梁的延性指標(biāo)和極限變形隨CFRP筋無黏結(jié)長度的增加略有增大，延性指標(biāo)和極限變形僅分別增大4.1%和1.6%.這是由于隨無黏結(jié)長度的增加，CFRP筋應(yīng)力增長緩慢，從而CFRP筋拉斷前混凝土經(jīng)歷較長的應(yīng)變過程，增大了結(jié)構(gòu)的塑性變形，從而梁的延性和極限變形增大.

2.3.4 受壓鋼筋配筋率的影響

受壓鋼筋配筋率

部分黏結(jié)梁的延性指標(biāo)和極限變形均大于完全黏結(jié)梁的，其增幅也高于完全黏結(jié)梁的.部分黏結(jié)梁的延性指標(biāo)和極限變形增幅達(dá)3.9%和19.4%，而完全黏結(jié)梁的延性指標(biāo)和極限變形增幅僅為2.7%和13.2%，從而也驗(yàn)證了CFRP筋的無黏結(jié)會(huì)增大結(jié)構(gòu)的延性和變形性能.

2.3.4 高強(qiáng)混凝土與RPC梁比較

CFRP筋高強(qiáng)混凝土與RPC梁的極限荷載、極限撓度以及基于能量定義的延性指標(biāo)比較見圖12.當(dāng)預(yù)應(yīng)力度PPR變化時(shí)，保持預(yù)應(yīng)力筋不變而改變非預(yù)應(yīng)力筋面積.B1表示CFRP筋高強(qiáng)混凝土梁， B2表示CFRP筋RPC對(duì)比梁.圖12中縱坐標(biāo)分別為極限荷載(Load)、極限變形(DEF)和延性指標(biāo)(DUC)與PPR=0.6時(shí)的B2梁相應(yīng)值之比.

PPR

CFRP筋高強(qiáng)混凝土梁的破壞模式均為混凝土壓碎破壞，CFRP筋RPC梁在PPR=1.0(全預(yù)應(yīng)力)時(shí)為預(yù)應(yīng)力筋拉斷破壞，其余均為混凝土壓碎破壞.

從圖12可以看出，當(dāng)發(fā)生混凝土壓碎破壞時(shí)，隨著PPR的增加，CFRP筋高強(qiáng)混凝土與RPC梁的極限變形和延性指標(biāo)均增加，極限荷載均減小，但變化幅度不同.在PPR=0.6時(shí)，CFRP筋RPC梁(B2)的極限荷載、極限撓度以及延性指標(biāo)分別是CFRP筋高強(qiáng)混凝土梁(B1)的121.8%，176.8%和16.2%.在PPR=0.9時(shí)，CFRP筋RPC梁(B2)的極限荷載、極限撓度以及延性指標(biāo)分別是CFRP筋高強(qiáng)混凝土梁(B1)的203.6%，125.4%和20.2%.當(dāng)CFRP筋梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土梁時(shí)，CFRP筋RPC梁(B2)的極限荷載、極限撓度以及延性指標(biāo)分別是CFRP筋高強(qiáng)混凝土梁(B1)的163.6%，116.4%和29.9%.這主要是因?yàn)镽PC的強(qiáng)度高(抗壓強(qiáng)度是C50混凝土的3.7倍)、極限壓應(yīng)變大(抗壓強(qiáng)度是普通混凝土的1.4倍)[3].因此，對(duì)于FRP高強(qiáng)筋與RPC形成的超筋結(jié)構(gòu)，在承載能力相同的前提下，RPC梁可以更輕型化以減小結(jié)構(gòu)的自重，從而提高結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性以及增大其跨越能力等，且這種結(jié)構(gòu)具有較好的延性性能.

3 結(jié) 論

采用基于能量的觀點(diǎn)來定義的延性指標(biāo)對(duì)CFRP配筋RPC梁的延性和變形性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，基于試驗(yàn)和分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

1) RPC梁具有良好的變形能力，與CFRP配筋普通混凝土相比，在混凝土壓碎破壞時(shí)具有較高峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變的RPC能顯著提高CFRP配筋RPC梁的延性和變形性能；且由于材料強(qiáng)度的提高，在承載能力相同的前提下，RPC梁的截面可以更小以減輕結(jié)構(gòu)的自重，從而提高結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性、增大其跨越能力等.

2) 采用修正的荷載-撓度曲線下降段斜率公式(3)得到的極限狀態(tài)時(shí)曲線下降段與數(shù)值分析結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能反映出結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情形，由此計(jì)算的基于能量定義的延性指標(biāo)與試驗(yàn)值吻合較好.

3) 當(dāng)梁發(fā)生頂面混凝土壓碎破壞時(shí)，提高混凝土的極限壓應(yīng)變、改變CFRP筋黏結(jié)方式、增大受壓鋼筋配筋率、降低有效預(yù)應(yīng)力等，均能顯著提高CFRP配筋梁的延性和極限變形.

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Ductility and Deformability of RPC Beams Prestressed with CFRP Tendons

YANG Jian1?, FANG Zhi2

(1. School of Civil Engineering, Central South Univ, Changsha, Hunan 410075, China;2. College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Based on the experimental values of the RPC beams prestressed with CFRP tendons of different parameters, the ductility and deformability of these beams were studied, and a corresponding parametric study of the ductility was conducted on the basis of the numerical analysis program. The research shows that the RPC beams are of better deformation capacity than normal concrete beams, and the proposed unloading rigidity formula can be used to calculate the actual unloading curve. It can be concluded from the parametric study that the deformability and ductility of the RPC beam prestressed with CFRP tendons can be enhanced by increasing the ultimate compressive strain of the concrete, the unbonded length of the tendon, the percentage of the compressive reinforcement and the partial prestress ratio, and by decreasing the effective prestress in tendons.

reactive powder concrete (RPC);fiber reinforcement; beams; ductility; deformability

1674-2974(2015)03-0014-09

2014-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50478502)，National Natural Science Foundation of China(50478502)

楊 劍(1978-)，男，湖南華容人，中南大學(xué)副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:jianyangyy@126.com

TU377

A