CN111042437A - 一种半预制式frp筋混凝土延性简支梁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁及其制备方法，其中，简支梁，包括梁体和内嵌于梁体中的FRP筋骨架，梁体包括主梁体和预制得到的ECC延性块，主梁体对应于梁体的受压区设有用于容纳ECC延性块的预留空腔，ECC延性块在主梁体浇筑好后嵌入至该预留空腔中，FRP筋骨架内嵌于主梁体中。与现有技术相比，本发明以FRP筋作为受拉FRP纵筋，混凝土为普通混凝土，塑性铰区域的受压侧混凝土替换为大应变复材布约束ECC延性块，该延性块为预制部件，可实现塑性铰的可更换性，提高可修复性，避免原结构因受力集中区域严重破损无法修复而大规模拆除，此外在FRP筋混凝土简支梁受弯时，利用受压区大应变复材布约束ECC延性块的屈服来实现FRP筋混凝土受弯构件从脆性破坏转变为延性破坏，提高构件设计可靠度，降低材料用量。
Description
技术领域
本发明涉及一种简支梁，尤其是涉及一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁及其制备方法。
背景技术
FRP筋具有密度小、抗拉强度高、疲劳性能好、耐腐蚀性能好等特点，可加工为直筋、FRP箍筋、布、管等形式。将FRP筋作为预应力筋或加强筋配置于混凝土结构体内或体外，用于工程结构的加固和维修。与钢筋相比，FRP筋应用于恶劣环境中不易被腐蚀，因而在新建建筑和已有建筑的加固改造中拥有广阔的应用前景，尤其是侵蚀性环境和桥梁结构中。作为线弹性材料，FRP筋具有达到受拉极限强度时突然断裂的性质，若将其用于普通混凝土梁，会因为没有屈服点和塑性阶段而脆性破坏，导致FRP筋混凝土梁需要较高的安全储备，FRP筋用量得不到优化，强度得不到有效利用，造价居高不下，最突出的问题是FRP筋混凝土梁的弯曲破坏表现为脆性破坏、延性差。因此，只有大幅度提升FRP筋混凝土梁的延性，该结构才能更好的应用于实际工程中。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁及其制备方法。本发明是在普通FRP筋混凝土简支梁的基础上，将其塑性铰区域的受压侧混凝土替换为大应变复材布约束ECC延性块，该延性块为预制部件，可实现塑性铰的可更换性，提高修复性，避免原结构因受力集中区域严重破损无法修复而大规模拆除。在绑扎FRP筋骨架时，在简支梁塑性铰区域的混凝土受压区留出一定空间，再进行混凝土浇筑并养护，养护完成后放入预制的约束块。本发明综合利用大应变复材布约束ECC延性块良好的抗弯延性、FRP筋抗拉强度高及耐腐蚀性，形成不受限于所处环境和混凝土类别、承载能力高、耐久性好、延性好的新型半预制式FRP筋混凝土简支梁，实现从脆性破坏转变为延性破坏，提高构件设计可靠度，降低材料用量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，包括梁体和内嵌于梁体中的FRP筋骨架，所述梁体包括主梁体和预制得到的ECC延性块，所述主梁体对应于梁体的受压区设有用于容纳所述ECC延性块的预留空腔，所述ECC延性块在主梁体浇筑好后嵌入至该预留空腔中，所述FRP筋骨架内嵌于主梁体中。
所述FRP筋骨架的FRP架立筋在所述预留空腔处断开。
所述ECC延性块外侧围裹有大应变复材布。
所述大应变复材布共设有多层，单层的厚度为0.10mm～0.15mm。
所述大应变复材布的材质为PET或PEN。
所述ECC延性块通过咬合方式嵌入至预留空腔中。
所述预留空腔的长度为：
lp＝2(1-0.5ρfy/fc)h0
其中：lp为预留空腔的长度，ρ为FRP纵筋配筋率，fy为指定的FRP纵筋应力水平(不大于极限强度)，fc为ECC抗压强度设计值，h0为截面有效高度。
所述大应变复材布的层数由混凝土强度等级确定。
如上述的简支梁的制备方法，包括：
步骤S1：确定预留空腔的范围；
步骤S2：基于确定的预留空腔的范围，绑扎得到FRP筋骨架；
步骤S3：将FRP筋骨架置于第一模板中，浇筑主梁体；
步骤S4：将预制得到的ECC延性块通过咬合方式嵌入至预留空腔中。
所述ECC延性块的预制过程具体包括：
步骤S41：安装好第二模板，在第二模板上先刷一层脱模剂，浇筑ECC至充满整个第二模板；
步骤S42：在ECC块上覆盖土工布或者草帘并洒水，用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆以防止水分过快蒸发，完成养护后拆模；
步骤S43：包裹大应变复材布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)以FRP筋作为受拉FRP纵筋，混凝土为普通混凝土，塑性铰区域的受压侧混凝土替换为大应变复材布约束ECC延性块，该延性块为预制部件，可实现塑性铰的可更换性，提高修复性，避免原结构因受力集中区域严重破损无法修复而大规模拆除。
2)大应变复材布采用大应变纤维材，是一种断裂应变可高达10％的低弹模纤维材，ECC是具备高韧性和多裂缝开展机制的新型建筑材料，用于工程结构能够有效提高结构的安全性、耐久性和可持续性，大应变复材布约束ECC延性块受压时会屈服，能够产生塑性变形，具有屈服平台，在FRP筋混凝土简支梁受弯时，利用受压区大应变复材布约束ECC延性块的屈服来实现FRP筋混凝土受弯构件从脆性破坏转变为延性破坏，且不受限于所处环境和混凝土类别，提高构件设计可靠度，降低材料用量。
附图说明
图1为主梁体的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为图1的B-B剖视图；
图5为图2的C-C剖视图；
图6为图2的D-D剖视图；
其中：1、普通混凝土，2、FRP纵筋，3、FRP箍筋，4、FRP架立筋，5、大应变复材布，6、ECC材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本申请提出一种压缩屈服塑性铰概念：将FRP筋混凝土梁受压塑性铰区域用一种延性块：大应变复材布约束ECC(Engineered Cementitious Composites高延性水泥基复合材料)延性块替代，通过受压区材料屈服产生塑性变形形成截面转动，避免受压塑性铰区域外混凝土先压溃或者受拉区筋材应力持续增长。大应变纤维材是一种断裂应变可高达10％的低弹模纤维材，ECC是具备高韧性和多裂缝开展机制的新型建筑材料，大应变复材布约束ECC延性块受压时会屈服，能够产生塑性变形，具有屈服平台。在FRP筋混凝土梁受弯时，利用受压区大应变复材布约束ECC延性块的压缩变形来提高FRP筋混凝土梁的抗弯延性。
利用上述压缩屈服塑性铰，本申请还提出一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，如图1～图6所示，包括梁体和内嵌于梁体中的FRP筋骨架，梁体包括主梁体和预制得到的ECC延性块，主梁体为现浇区，由普通混凝土制成，主梁体对应于梁体的受压区设有用于容纳ECC延性块的预留空腔，ECC延性块在主梁体浇筑好后嵌入至该预留空腔中，FRP筋骨架内嵌于主梁体中。保护层厚度根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》选取。
FRP筋骨架包括FRP受拉筋、FRP架立筋、FRP箍筋，以下分别简称FRP纵筋、FRP架立筋和FRP箍筋，其中FRP架立筋在预留空腔处断开。FRP纵筋的最小直径、锚固长度根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》选取；FRP箍筋配筋面积按抗剪计算所得且FRP箍筋间距满足《混凝土结构设计规范GB50010-2010》中最大间距的要求。
ECC延性块外侧围裹有大应变复材布。
大应变复材布共设有多层，单层的厚度为0.10mm～0.15mm。
混凝土强度等级在C20～C50，约束ECC块的大应变复材布有PET、PEN两种，PET布的弹性模量为9Gpa～11Gpa，抗拉强度为740Mpa，极限伸长率为7％以上；PEN布的弹性模量为13Gpa～17Gpa，抗拉强度为790Mpa，极限伸长率为5％以上。
ECC延性块通过咬合方式嵌入至预留空腔中，ECC的强度等级在20MPa～50MPa，咬合作用通过连接面的构造实现，大应变复材布的层数由混凝土强度等级确定，当混凝土强度等级为C20～C30时，受压区包裹ECC的大应变复材布层数需1层或条带约束就可以达到普通钢筋混凝土梁的延性要求。混凝土强度等级为C30～C50时，2～4层大应变复材布包裹受压区ECC能达到普通钢筋混凝土梁的延性要求，若要达到具体延性水平，可根据计算求得所需大应变复材布层数。
普通混凝土梁现浇时，在梁受弯弹性阶段中性轴高度处、该梁长度方向受压塑性铰区域长度范围内预留出空间，预留空腔的长度为：
lp＝2(1-0.5ρfy/fc)h0
其中：lp为预留空腔的长度，ρ为FRP纵筋配筋率，fy为指定的FRP纵筋应力水平(不大于破坏强度)，fc为ECC抗压强度设计值，h0为截面有效高度。
如上述的简支梁的制备方法，包括：
步骤S1：确定预留空腔的范围；
步骤S2：基于确定的预留空腔的范围，按结构施工图绑扎FRP受拉纵筋、FRP架立筋、FRP箍筋等梁中FRP筋，且应符合绑扎要求；两端可预埋吊钩，方便后期起吊运输；
步骤S3：将FRP筋骨架置于第一模板中，安装模板并留出预制块的位置，在第一模板上先刷一层脱模剂，将绑扎好的FRP筋骨架置于第一模板中，固定好位置，确保FRP筋骨架在浇筑过程中不发生错位移动；浇筑混凝土至充满整个模具，利用振捣棒振捣成型，混凝土强度等级在C20～C50(普通混凝土)，振捣成型后对梁顶面抹平收光，确保梁顶面平整；
然后进行养护，在混凝土梁上覆盖土工布或者草帘并洒水，再用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆，防止水分过快蒸发；一般温度条件下，养护7天后拆模，拆模后只覆盖土工布或者草帘，定期洒水养护28天；
步骤S4：将预制得到的ECC延性块通过构造咬合作用嵌入至预留空腔中。
ECC延性块的预制过程具体包括：
步骤S41：安装好第二模板，在第二模板上先刷一层脱模剂，浇筑ECC至充满整个第二模板；
步骤S42：在ECC块上覆盖土工布或者草帘并洒水，再用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆，防止水分过快蒸发；一般温度条件下，养护1天后拆模；
步骤S43：按设计的层数用大应变复材布包裹ECC块。
大应变复材布采用大应变纤维材，是一种断裂应变可高达10％的低弹模纤维材，ECC是具备高韧性和多裂缝开展机制的新型建筑材料，用于工程结构能够有效提高结构的安全性、耐久性和可持续性，大应变复材布约束ECC延性块受压时会屈服，能够产生塑性变形，具有屈服平台，在FRP筋混凝土简支梁受弯时，利用受压区大应变复材布约束ECC延性块的屈服来实现FRP筋混凝土受弯构件从脆性破坏转变为延性破坏，且不受限于所处环境和混凝土类别，提高构件设计可靠度，降低材料用量。例如相同矩形截面尺寸(150mm×250mm)、配筋率1.15％的半预制式CFRP筋混凝土延性简支梁和CFRP筋混凝土简支梁相比，抗弯延性系数将至少提高一倍。
Claims (10)
1.一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，包括梁体和内嵌于梁体中的FRP筋骨架，其特征在于，所述梁体包括主梁体和预制得到的ECC延性块，所述主梁体对应于梁体的受压区设有用于容纳所述ECC延性块的预留空腔，所述ECC延性块在主梁体浇筑好后嵌入至该预留空腔中，所述FRP筋骨架内嵌于主梁体中。
2.根据权利要求1所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述FRP筋骨架的FRP架立筋在所述预留空腔处断开。
3.根据权利要求1所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述ECC延性块外侧围裹有大应变复材布。
4.根据权利要求3所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述大应变复材布共设有多层，单层的厚度为0.10mm～0.15mm。
5.根据权利要求4所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述大应变复材布的材质为PET或PEN。
6.根据权利要求1所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述ECC延性块通过咬合方式嵌入至预留空腔中。
7.根据权利要求1所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述预留空腔的长度为：
lp＝2(1-0.5ρfy/fc)h0
其中：lp为预留空腔的长度，ρ为FRP纵筋配筋率，fy为指定的FRP纵筋应力水平，fc为ECC抗压强度设计值，h0为截面有效高度。
8.根据权利要求4所述的一种半预制式FRP筋混凝土延性简支梁，其特征在于，所述大应变复材布的层数由混凝土强度等级确定。
9.一种如权利要求1所述的简支梁的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：确定预留空腔的范围；
步骤S2：基于确定的预留空腔的范围，绑扎得到FRP筋骨架；
步骤S3：将FRP筋骨架置于第一模板中，浇筑主梁体；
步骤S4：将预制得到的ECC延性块通过咬合方式嵌入至预留空腔中。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述ECC延性块的预制过程具体包括：
步骤S41：安装好第二模板，在第二模板上先刷一层脱模剂，浇筑ECC至充满整个第二模板；
步骤S42：在ECC块上覆盖土工布或者草帘并洒水，用塑料布或帆布将土工布或草帘包覆以防止水分过快蒸发，完成养护后拆模；
步骤S43：包裹大应变复材布。
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