预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法研究

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力
计算方法研究
李娜，周小勇，
(1．华中科技大学，湖北武汉430074； 2．
李弯，金文成。
中国地质大学(武汉)，湖北武汉430074)
[摘要]为研究预应力FRP配筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法，以完全非金属试验桥一秭归松树坳
大桥为依托工程，提出基于平截面假定的预应力FRP筋梁正截面承载力的理论计算方法。利用该理论计算了完全
非金属2O tif．预应力空心板梁的正截面受弯极限承载力，用有限元数值计算的结果验证了其准确性。FRP筋材的
应力一应变为完全线性，其承载能力的计算方式与普通混凝土构件有所不同。完全非金属梁进行超筋设计，以构
件受压区混凝土压碎为破坏依据是合理的，此时的FRP筋材应未达到设计强度，而且利用积分代替等效矩形应力
图形简化的计算方式可得到更准确的结果。
[关键词】完全非金属梁；正截面受弯承载力；预应力CFRP筋材；GFRP筋材；有限元法
[中图分类号]U 441 ．4 [文献标识码】A [文章编号】1674—0610(2014)05—0096—07
The Calculation M ethods for Normal Section Flexural Bearing
Capacity of Prestressed FRP Tendon Concrete Beam
LI Na ，ZHOU Xiaoyong2
， LI W an ，JIN W encheng
(1．HUST，Wuhan，Hubei 430074，China； 2．China University of Geosciences，Wuhan，Hubei
430074，China)
[Abstract]In order to study the calculation methods for normal section flexural bearing capacity of
pre-stressed FRP tendon concrete beam，as the basis for a test bridge“Zigui Songshuao bridge project”
which was completely made use of non—metallic materials，the paper presented a theoretical calculation
methods for normal section flexural bearing capacity of prestressed FRP tendon concrete beam that is
based on plane section assumption．Using this method calculated the nonnal section flexural bearing ca—
pacity of completely non—metallic 20 m prestressed FRP tendon concrete hollow beam in Zigui Songshuao
bridge project，and verified its accuracy by using the finite element calculation results．Because the stress
and strain of FRP reinforcement is completely linear change，its calculation for flexural bearing capacity is
completely different with ordinary concrete structures．In the course of calculating normal section flexural
capacity of FRP reinforced beam，it designed by over bars method，and its basis for structural failure was
concrete crushing in the compression zone．The FRP reinforcement at this time did not meet the design
strength．Using the integral method instead of the calculation method for equivalent rectangular stress
graph simplified can get more accurate results．
[Key words]non-metallic beam；normal section flexural capacity；prestressed CFRP tendon；
GFRP tendon：finite element method
0 引言
钢筋混凝土构件在使用过程中存在耐久性差的
问题，为延长构件使用年限需花费大量资金进行维
修加固，导致这种现象的主要原因是由于结构内部
的钢筋易受环境影响而造成承载力的损失。为了解
[收稿日期】2014—04一Ol
[基金项目】中央高校基本科研业务费专项资金资项目(GUGL100212)；湖北省面上基金项目(2013CFB187)
[作者简介]李娜(1978一)，女，四川成都人，讲师，研究方向为道路与桥梁设计。
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第5期李娜，等：预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法研究 97
决这一难题，许多专家和学者提出一种方案，即采用
高性能材料代替钢筋的作用从而提高结构耐久性。
FRP是一种由增强纤维和基体组成的高性能纤维增
强复合材料，利用其制成的FRP筋材因具有轻质、
高强、耐腐蚀、抗疲劳等优点，将其代替钢筋作用于
配筋混凝土结构中，可以较好的解决由于钢筋锈蚀
而引起的结构耐久性不足的问题。同时，FRP筋材
也是改善现代预应力混凝土技术的可选材料之一。
根据复合纤维的不同，FRP材料具有不同的类
别。工程结构中常用的FRP 主要有碳纤维
(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、及芳纶纤维(AFRP)。
FRP筋已被应用于桥梁工程中，作为预应力筋代替
钢绞线提高梁结构的性能。预应力FRP筋混凝土
梁与普通混凝土结构相比具有许多的优越性，由于
其筋材的性质不同，结构构件正截面受弯承载力计
算方法必然存在巨大的差异。
为了得到预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯
承载力计算方法，本文以秭归松树坳大桥工程为依
托，采用理论计算和数值分析对比研究的方式，重点
研究了工程实例中完全非金属20mCFRP预应力空
心板的承载能力。
1 工程概况
松树坳大桥位于湖北宜昌市秭归县，属于宜巴
公路工程项目。桥梁全长114．04 nl，上部结构采用
5跨20 nl空心板，下部结构采用桩柱式桥墩、U形
桥台，其中0 桥台和1 桥墩的上部采用CFRP配筋
的完全非金属预应力空心板。完全非金属20 mC—
FRP预应力空心板采用C40混凝土，普通筋材采用
GFRP筋，预应力筋用由l9根6 mmCFRP筋材平行
编制而成的预应力束，上下各布置2束。考虑到
FRP材料耐腐蚀性能好、弹性模量较钢筋低及实验
室锚固系统的试验研究与理论分析结果，试验梁按
B类预应力混凝土构件设计。
① 主梁构造尺寸。
桥梁结构主梁为空心板形式，中板，标准跨径20
m，梁高1．05 nl，底板宽1．24 m，具体构造见图1。
② GFRP配筋。
主梁的构造筋、分布筋、箍筋均采用GFRP筋
材，底板设置12q~20 mmGFRP筋材；顶板设置15‘p10
mmGFRP筋材；顶底板的构造筋设置q~10mmGFRP
筋材；腹板的分布筋设置q~8mmGFRP筋材；箍筋采
用‘p8 mmGFRP筋材，纵向间距在板端80 mm，板中
120 mm。主梁的普通筋布置见图2、图3。
中心线 I r
i
L
500 对称中心纠
I
J J
I 350 950 I200t 8480
IA l9 960／2 IB
A—A B-B
图1 20 In空心板构造图
Figure 1 The structural diagram of 20 m hollow beam
l5中l0GFRP
l2 20 GFRP
图2 实验空心板筋材构造图
Figure 2 The reinforcement structural diagram of hollow beam
图3 GFRP筋骨架绑扎
Figure 3 The GFRP reinforcement skeleton banding
③ CFRP预应力筋。
主梁预应力束形状及布置基本参照普通预应力
预应力空心板钢绞线的方法，CFRP预应力束采用
19‘p。6 mm CFRP筋材编束制成。一块板布置4束，
预应力线形和CFRP产品构造见图4和图5。
④ 完全非金属梁相关图片。