预应力FRP筋增强竹梁力学性能试验研究
程勋煜 魏洋 徐扬 李国芬 王雪丰. 预应力FRP筋增强竹梁力学性能试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（10）：108-113.
Cheng Xunyu Wei Yang Xu Yang Li Guofen Wang Xuefeng. Experimental study on mechanical properties of bamboo beam reinforced with prestressed FRP bars[J]. Building Structure，2018,48（10）：108-113.
0 引言
在当前发展低碳经济的大环境下, 拓展绿色、生态、环保的新型结构材料是土木工程科学发展的有益方向。竹材是一种生态环保的天然建材, 优点显著[1,2,3,4]。竹材应用于受弯构件存在截面刚度低、承载力与跨越能力较小等技术问题, 针对竹材受弯构件的力学性能不足, 国内外学者提出了一些增强技术, 如在截面内或截面表面布置钢筋、纤维 (FRP) 布、纤维 (FRP) 筋等[5,6,7,8], 增大截面高宽比[9], 将竹材与钢材或混凝土进行组合等[10,11,12]。竹材的各项增强技术常常相似于木材增强技术, FRP筋被广泛应用于木梁构件的增强, 截面内布置FRP筋的木梁受弯承载力与刚度可得到有效提高[13,14,15,16];为了提高对受弯构件的增强效果, 施加预应力是一个十分有效的措施[17]。本文提出一种预应力FRP筋增强竹梁的方法, 采用嵌入式加固技术将FRP筋复合于竹梁构件的受拉区, 并对FRP筋施加预应力, 研究预应力FRP筋增强竹梁的技术效果。
1 原材料及制作工艺
竹材选用性能较好的重组竹, 重组竹由厂家加工提供。在加工完成的重组竹的基础上, 进一步嵌入预应力FRP筋, 其关键工艺如下:成型重组竹构件→开槽→FRP筋下料及固定锚具→张拉FRP筋→锚固FRP筋→封槽 (图1) , 其具体步骤如下:
(1) 开槽:在成型重组竹构件表面开槽, 具体为槽口边线切割和剔槽两步, 首先采用电锯沿开槽口边缘线切割, 其切割深度达到FRP筋设计位置的内表面, 槽口边线切割完成后进行剔槽, 凿去两条槽口边线之间的竹材。
(2) FRP筋下料及固定锚具:根据重组竹梁体长度与两端锚具长度的总和, 并考虑钢垫板厚度及张拉伸长值, 对FRP筋进行准确切割下料, 之后, 将FRP筋两端穿入粘结套筒式锚具, 在锚具内灌入环氧树脂胶, 将FRP筋两端与锚具粘结固定为一体。
(3) 张拉FRP筋:将两端固定锚具的FRP筋沿纵向置于竹梁开槽附近处, 在一端安装千斤顶、测力传感器等, 利用梁体自身作为张拉力反力装置, 对FRP筋进行张拉, 直到达到预定张拉力为止, 同时测量FRP筋的伸长值。
(4) 锚固FRP筋:将预加工相应厚度的U形钢垫板卡入锚具与竹梁端面之间, 钢板厚度等同于FRP筋材的张拉伸长值, 在槽口内填注入环氧树脂胶。
(5) 封槽:采用与槽口宽度等宽的重组竹片封填槽口剩余部分, 竹片外表面与梁表面齐平。
2 试验概况
为研究预应力FRP筋增强竹梁的力学性能, 共制作了3组5个试件, 包括1个对比试件和4个预应力FRP筋增强试件, 试件尺寸为1 870mm×160mm×105mm, 所有试件竹材采用同一批竹材材料, 试件参数与配筋增强方案如表1所示。对比试件编号为B0, 增强试件采用GRRP筋, 其直径分为10mm和18mm两种, 张拉力为10%或30%的FRP筋抗拉承载力, 增强试件的编号代表了FRP筋的直径和预应力大小, 以B1030试件为例, 其表示竹梁内配置1根10mm直径的FRP筋, 并施加30%的FRP筋抗拉承载力的张拉力。FRP筋根据设计位置, 张拉嵌入槽口内并锚固, FRP筋直径的底面距离试件底面20mm。竹材的实测抗拉强度为114.47MPa, 弹性模量为11.60GPa;直径10mm和直径18mm的GFRP筋力学性能测试结果相近, 平均弹性模量为24.27 GPa, 抗拉极限强度为800.35MPa。
图1 预应力FRP筋增强竹梁制作工艺
表1 竹梁试件尺寸与配筋增强方案
试验加载采用邦威结构加载试验机, 四点弯曲加载 (图2) , 试件全长1 870mm, 两个加载点间距570 mm, 两个支座中心间距1 710 mm。试验进行前, 先预加1k N荷载对试件预压, 并检查仪器是否正常工作以及消除接触不良现象。采用位移控制加载, 加载速度为2mm/min, 在接近理论最大荷载时速度调整为1.5mm/min。试验同时记录跨中、1/4和3/4跨度位置处的竖向位移, 并记录试件侧面、上顶面和下底面的应变变化 (应变片编号为Yl~Y9, 见图2) 。
图2 加载布置及跨中截面应变片布置
3 试验结果分析
3.1 试验过程及力学性能分析
图3给出了各个预应力FRP筋增强竹梁试件的破坏形态。各试件在加载临近破坏时, 不断出现竹纤维断裂的响声, 典型预应力FRP筋增强竹梁试件破坏始于梁底边缘竹材纤维受拉断裂 (如试件B1010, B1830) , 继而跨中截面下部竹材分层持续断裂并导致荷载逐级减低, 随后, FRP筋失去竹材覆盖层的粘结作用而退出工作, 荷载急剧下降, 在加载的后期, 竹材大规模断裂过程中, FRP筋也发生了断裂破坏;由于试件设计和制作的缺陷, 试件B1030的FRP筋一端产生了预料之外的滑移破坏, 极限荷载较低;由于锚固FRP筋的U形钢垫板集中布置于竹梁端面的靠近筋材部位, 在筋材的受力作用下, U形钢垫板所在位置处由于应力集中产生过大的剪切应力, U形钢垫板顶面位置处竹梁发生纵向剪切破坏, 减小了后期构件塑性发展历程。
各个试件的荷载-跨中位移曲线如图4所示, 在承受荷载的早期阶段, 各试件的跨中位移随荷载增加呈线性增加;当加载到极限荷载的50%左右时, 荷载-跨中位移逐渐呈现非线性变化。对比发现, 由于预应力FRP筋的增强作用, 竹材的受压塑性能够更加充分地发展, 试件表现出更加明显的塑性发展过程, 对于锚固可靠的预应力FRP筋增强竹梁试件, 接近极限荷载时, 出现一平缓段, 塑性发展历程较长, 试件的延性明显, 由曲线对比可以发现, 预应力FRP筋增强试件的截面承载力和刚度得到了有效的提高, 刚度增强效果更加明显。
各试件主要试验结果分析见表2。我国《木结构设计规范》 (GB 50005—2003) [18]规定, 作为结构的受弯构件, 梁跨度L>3.3 m的格栅 (L为试件跨度) 挠度限值为L/250, L≤3.3 m的格栅挠度限值为L/200, 而欧洲木结构设计规范EN 1995-1-1∶2004[19]规定的挠度限值为L/300。相对于对比梁, 对应挠度限值L/300的荷载PL/300提高幅度为5.5%~10.8%, 对应挠度限值L/250的荷载PL/250提高幅度为5.8%~9.5%, 对应挠度限值L/200的荷载PL/200提高幅度为6.3%~10.2%, 表明预应力的施加使得构件截面刚度得到了有效的提高;并且相同FRP筋直径的增强试件, 其提高幅度随着施加预应力的增大而增大, 如FRP筋直径18mm的增强试件, 张拉力为10%的FRP筋抗拉承载力时, 对应各个挠度限值的荷载值提高5.2%~5.8%, 张拉力为30%的FRP筋抗拉承载力时, 对应各个挠度限值的荷载值提高9.2%~10.2%。除了试件B1030发生FRP筋的滑移破坏, 极限荷载较低外, 其他各个FRP筋增强试件的极限荷载值提高6.6%~13.8%, 试件B1810相对于对比试件B0极限荷载提高7.7%, 试件B1830相对于对比试件B0极限荷载提高13.8%, 表明预应力的大小对FRP筋增强竹梁的极限荷载有一定的提高作用, 并且施加预应力越大, 极限荷载提高越多;各试件对应极限荷载Pu的跨中极限位移Δu也有明显提高, 提高幅度为2.8%~37.9%, 并且试件B1830表现出最大的破坏位移, 表现出较好的延性。
图3 预应力FRP筋增强竹梁试件破坏形态
图4 各试件荷载-跨中位移曲线
表2 各试件的试验结果分析
注:以PL/250为例, PL/250表示达到挠度限值L/250对应的荷载值;L为试件跨度;Pu为极限荷载;Δu为Pu对应的极限位移。
根据多种材料的复合理论, 预应力FRP筋增强竹梁试件的截面刚度按公式 (1) 计算:
式中:bb, hb分别为竹梁的截面宽度与高度;Eb为竹材的弹性模量;db为竹梁截面中心与复合截面中性轴的距离;d为FRP筋的直径;Er为FRP筋的弹性模量;dr为FRP筋的重心与复合截面中性轴的距离。
图5给出了公式 (1) 计算的截面刚度对预应力FRP筋增强竹梁荷载-位移曲线的预测结果与试验结果对比, 对比表明截面刚度预测结果与试验吻合很好。因此, 对于预应力FRP筋增强竹梁试件, 复合梁理论可用于其处于弹性阶段的正常使用极限状态的计算分析。
3.2 截面应变分析
图6为各试件荷载-跨中截面应变曲线, 其中应变以受拉为正, 受压为负。对于对比试件B0, 破坏时的极限拉应变为7 816με, 极限压应变为10 114με;对于增强试件, 临近破坏时, 受拉区竹纤维的极限拉应变为8 771~9 599με (不计发生FRP筋滑移破坏的试件B1030) , 试件B1830极限拉应变最大, 达到了9 599με, 整体来说, FRP筋增强竹梁底部受拉区竹纤维的极限拉应变较对比试件有较大提高, 并且FRP筋预应力越大, 提高越大;对比试件B0受压区竹纤维的极限压应变为10 064με, 受压区竹纤维的极限压应变为10 426~15 449με, 也是试件B1830极限压应变最大, 达到了15 449με;FRP筋增强竹梁试件上、下边缘的极限压应变和极限拉应变均显著大于对比试件, 预应力的施加减小了受拉区和受压区竹材的实际应变, 尤其是减小了受拉区的竹材实际拉应变, 使得构件受压区的竹材能够得到更加充分的发展。因此, 预应力的施加能够使竹材的抗压强度利用得更加充分, 破坏时的延性特征更为明显。
图5 预应力FRP筋增强竹梁试件的荷载-位移计算曲线与试验曲线比较
图6 各试件荷载-跨中截面应变曲线
图7 各试件跨中截面应变沿高度变化图
图7为各试件跨中截面应变沿高度变化图, 即不同荷载等级下试件跨中截面应变沿高度变化的关系曲线。FRP筋增强竹梁横截面应变沿截面高度方向的分布基本呈线性, 由此表明, 在FRP筋增强竹梁受弯构件设计计算时, 平截面假定是成立的。另外, 在荷载增加过程中, 各个试件截面中性轴的位置随着荷载的增大向下有轻微移动, 受压区高度随着荷载增加而增大, 中性轴的高度在0.37h~0.50h (h为截面高度) 之间, 这与既有研究结果相一致[6], 整个加载过程, 变化幅度不超过0.10h。
4 结论
通过对预应力FRP筋增强竹梁的抗弯试验, 给出了预应力FRP筋增强竹梁的关键制造工艺, 研究了FRP筋直径、预应力大小对FRP筋增强竹梁的抗弯力学性能影响, 得到以下结论:
(1) FRP筋增强竹梁的关键制造工艺包括成型重组竹构件、开槽、FRP筋下料及固定锚具、张拉FRP筋、锚固FRP筋、封槽, FRP筋锚固采用粘结套筒式锚具, 通过卡入相应厚度的U形钢垫板实现不同预应力大小的FRP筋张拉锚固。
(2) 预应力FRP筋增强竹梁破坏始于梁底边缘竹材纤维受拉断裂, 继而跨中截面下部竹材分层持续断裂并导致荷载逐级减低, 随后, FRP筋失去竹材覆盖层的粘结作用而退出工作。预应力的施加能够使竹材的抗压强度利用得更加充分, 破坏时的延性特征更为明显。预应力FRP筋增强竹梁设计时, 应采取构造措施防止FRP筋的粘结滑移破坏和锚固区应力集中破坏。
(3) 相对于对比竹梁, FRP筋增强竹梁对应各个规范挠度限值时的荷载值都得到了较大提高, 预应力的施加使得构件截面刚度得到了有效的提高, 其提高幅度随着施加预应力的增大而增大;同时, 预应力对FRP筋增强竹梁的极限荷载有一定的提高作用, 并且施加预应力越大, 极限荷载提高越多。
(4) 预应力FRP筋增强竹梁的横截面应变沿高度方向的分布基本上呈线性, 平截面假定成立, 通过复合梁理论模型预测预应力FRP筋增强竹梁的截面刚度, 计算结果与试验结果吻合。
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