多层FRP筋预应力混凝土桥梁设计问题探讨

摘要：FRP具有抗拉强度高、耐腐蚀、非磁性的特点，因而在高腐蚀环境中具有广泛的应用前景。为充分发挥FRP筋材轻质高强的优点，FRP筋预应力混凝土结构更为适用。本文在FRP筋梁承载能力研究的基础上，提出了多层FRP筋布置的预应力混凝土梁的承载力的设计方法，对FRP筋的推广应用具有一定的参考价值。

关键词：纤维增强塑料(FRP)筋，受弯构件，承载力计算

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

随着现代国防交通的发展，对特殊环境下桥梁的营运质量和寿命提出了更高的要求，钢筋锈蚀已成为影响混凝土结构耐久性的最大缺陷。一种具有强度高、密度低、耐腐蚀等优良性能的新型纤维增强复合材料(FRP)筋已成为人们代替钢筋的研究热点[1,2]]。目前，国内外关于FRP筋预应力混凝土的研究仅限于单排FRP筋的布置，但由于桥梁跨度的不断增大以及梁截面宽度的限制，布置多层FRP预应力筋已成为一种趋势。本文参阅大量国外相关资料并结合FRP筋自身的性能特点，提出多层FRP筋预应力混凝土受弯构件的承载能力设计方法。

1 设计原则

对配置多排FRP筋预应力混凝土梁的承载力计算，与预应力钢筋混凝土截然不同。在预应力钢筋混凝土结构承压过程中，当最外层钢筋达到极限应变后，由于钢筋具有良好的延性性能，仍然能承受拉应力，且其应力值为抗拉极限强度。而在FRP筋预应力混凝土结构的承压过程中，由于FRP筋线弹性的性质，当最外层FRP筋达到极限应变随即破坏，不能再承受拉应力。在计算FRP筋预应力混凝土抗弯承载力时，根据截面应变相容原则，不同层FRP筋中的应变按应变的线性分布计算得出，且应控制最底层FRP筋不超过其应变能力。否则当底部的FRP筋达到极限应变时，会发生破断并将荷载传至其余的FRP筋，同时引起连锁破断，因此最外层FRP筋的极限应变为临界应变。

2 基本假定

对于FRP筋预应力混凝土受弯梁设计采用以下假定：

(1) 平截面假定；

(2) 不考虑受拉区混凝土的作用，拉力全部由受拉区配置的FRP筋承担；

(3) 混凝土的曲线取《规范》(GB 50010-2002)中的公式，且混凝土的极限压应变取；

(4) FRP筋呈线性关系。

3 正截面承载力计算公式

3.1 混凝土受压区界限高度系数的确定

配置FRP预应力筋梁的界限相对受压区高度和钢筋混凝土梁界限相对受压区高度的定义相似，也是指FRP筋预应力梁在受压区混凝土达到极限压应变的同时最底层FRP筋恰好达到极限应变的等效压力区高度与截面高度之比。

图1 界限破坏计算图式

按照图1所示，根据应变协调可得：

式中：-混凝土极限压应变；-FRP筋的极限应变；-扣除损失后FRP筋的有效预拉应变；-预应力筋水平处混凝土弹性压缩应变（由于数值较小可以忽略不计）。

由此界限系数可简化为：

2.2 适筋破坏（）

该破坏形式表现为混凝土压碎和FRP筋拉断同时发生，定义为最外层预应力筋由初始预应力值至极限应力值的应力增量，为初始预应力值。根据平界面应变相容原则，可得每层筋的拉力为：

2.3 低筋破坏（）

对配筋率较低的梁，由于混凝土受压区的非线性性能未能得到发展，采用线性的应力-应变分布即可正确地反映出构件截面中的应力状态。其应力应变状态如图2所示。

图2 睇紧破坏计算图式

设从受压表面至中性轴的距离为c=kh1，根据截面应变协调可得到，

2.4 超筋梁破坏（）

对于超配筋梁，破坏始于混凝土被压碎，最底层FRP筋没有达到其极限应变，应力应变状态图中，FRP筋的应变值为未知量，设从混凝土受压表面至中性轴的距离为。第i层FRP预应力筋的应变应为，可根据应变服从平界面假定得：

4 结论与建议

本文基于平截面假定推导出多层FRP筋预应力混凝土受弯构件在不同配筋率下的破坏形态的判定、承载能力计算公式，为FRP筋混凝土结构在复杂环境下的推广应用提供了理论依据。实际设计中还应注意以下几点：

(1) 由于FRP筋材呈现线弹性工作状态，设计时，宜选用超筋设计；或者在受弯构件的内侧配置一定数量的钢筋，以改善构件的延性性能。

(2) FRP筋的抗压强度远低于抗拉强度，且离散系数较大，故在设计时应忽略其抗压能力。但在连续梁中，如果FRP为连续配筋，则在支座处可能处于受压状态，须注意防止FRP筋的侧向膨胀，同时配置适量的受压钢筋和箍筋。

参考文献：

[1] 薛伟辰,杨佳林,王君若.预制夹芯保温墙体FRP连接件抗拔性能试验研究[J].玻璃钢/复合材料, 2012,(4).

[2] 佟长霖,史德纯. FRP加固负载混凝土柱轴压性能有限元分析[J].水运工程, 2012,(9).