碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析.pdf
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1、第3 2 卷 , 第3 期 2 0 1 1年 5月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI L W AY S CI E NCE V0 1 3 2 No 3 M a y 2 01 1 文章编号 :1 0 0 1 4 6 3 2 ( 2 0 1 1 )0 3 0 0 2 7 0 6 碳纤维布加 固混凝土连续梁 塑性 性 能试 验及有 限元分析 程 东辉 ,易亚敏 ,王天峰 ( 东北林 业大学 土木工 程学院 ,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 ) 摘要 :为研究碳纤维布加 固情 况下钢筋混凝 土连 续梁 的塑性 性能 ,制 作 了 3根 2跨连续 梁 ,对试 验梁跨 中控制截面采用碳纤
2、维布进行加 固 ,通过试验梁 的每跨 三分点 的静 载试验 ,得 到 了试 验梁 在不 同受力 阶段的荷 载、裂缝 分布 、变形等试验数据 。基 于实测数据 ,利用 ANS YS有限元分析软件开展碳 纤维布加 固钢筋混凝土连 续 梁的有限元分析 ,得到钢筋应力 变化 、中支座控 制截 面挠度 变化 及各 特征时 刻的 承载力 等。结果表 明 :利用 碳纤维 布加固混凝土连续梁并未 显著提高构件 弹性 状态 下的承 载力 ,而 对塑性 状态 下的极 限承载 力则有 明显提 高 ,且 加固后的连续梁呈现 明显 的内力重分布 。 关键词 :钢筋混凝土连续 梁 ;加 固;碳纤维布 ;有 限元 分析 ;
3、应力 ;承载力 ;挠度 中图分类号 :TU3 7 5 1 :TU3 9 8 2 ;TU3 1 2 1 文献标识码 :A 碳纤 维 布( C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r s h e e t ,C F RP )具有 轻质 、高强 、耐腐 蚀等 特点 , 利用 C F RP布可 以对 混凝 土构件 进行 加 固处理 。 目前 国 内外研 究 机构 对 此 开展 了大 量 的 研 究 工 作 。其 中针对 C F RP布加固混凝 土受弯构件 的 研究主要集 中在简支构件方面,而对于混凝土连续 梁在加固后力学性能的研究开展得比
4、较少 。本文通 过试验并辅以有限元分析 ,对混凝土连续梁加 固状 态下的塑性性能进行研究 。 1 试验方案 1 1 试验梁设计 共设计 3 根 2 跨钢筋混凝 土连续梁 ,梁截面尺 寸均为 2 0 0 mm3 0 0 ram,混凝土强度等级为 C 4 O , 中支座及跨 中处 的纵 向受力 钢筋 均采用 HR B 3 3 5 钢 ,箍筋采 用 HP B 2 3 5钢 。为 了充 分考 虑 C F R P 布的加 固作用 ,3根试验梁中支座及跨 中控制截面 的配筋率均较低,在跨 中及 中支座处均形成单筋截 面。试验梁跨度及配筋见表 1 。 1 。 2 试验 梁 的加 固 收稿 日期 基金项 目
5、作 者简介 : 表 1 试验梁跨 度及 配筋 采用 C F RP布对试验梁跨 中进行加 固,加 固 用 C F R P布宽度为 2 0 0 mm。根据 碳纤维片材加 固混凝土结构技术规程 ( C E C S 1 4 6 :2 0 0 3 )( 简称 加 固规程 ) 中 4 3 8中的相关规定 ,计算 C F R P 布的延伸长度 。各试验 梁的 C F R P布延 伸长度与 粘贴长度见表 2 。 表 2 试验梁单 跨 C F R P布粘贴长度 i n l n 按 照 加 固规 程 中的构 造 要 求 ,为 防止 C F RP布发生剥离破坏 ,在各跨跨 中 C F R P布延伸 长度端部分别设置
6、宽 2 0 0 mm 的 u型 C F R P布箍 。 连续梁加 固后 的状态如 图 1所示 。 2 0 1 0 0 8 2 0 ;修 订 E l 期 :2 0 1 I - 0 2 2 6 中央 高校专项基金资助项 目 ( DL 0 9 C B 0 4 ) ;黑龙江省 自然科学基金资助项 目 ( E 2 0 0 7 3 2 ) ;东 北林 业大学研 究生科技创新基 金 资助项 目 程东辉 ( 1 9 7 1 一 ) ,男 ,黑龙江哈尔滨人 ,副教授 ,博 士。 中国铁道科学 第 3 2 卷 冀 2 布 垩 (b ) 梁 跨 中 加 固 区 段 度 端 部 U 型 C F R P 布 箍 一 图
7、 1 加 固后的试验梁 对试验梁采用分级加载 ,每级 1 0 k N。在中支 座控制截面混凝土开裂后采用每级 5 k N加载 ,直 至试验梁破坏 。 试验梁采用下列装置进行数据采集 :在中支座 沿截面高度方向粘贴应变片 ,用以验证平截面假定 及计算截面转角;在中支座控制截面两侧的纵向受 力钢筋表面处,以 3 0 1 T l r f l 等间距各粘贴 l 5片钢筋 应变片,以测量试验梁达到极限状态下的塑 眭铰区 长度 ;在跨中加载点区段的受压区混凝土顶面,连 续粘贴混凝土应变片;在加载点区段纵向受拉钢筋 表面,等间距粘贴 5片应变片;试验梁的变形由跨 中处的位移计进行测量 。试验梁加载与测量装置
8、布 置如图 2 所示。 钢筋应变片:混凝土应变片;拉杆传感器; 分配梁;拉压力传感器;千斤顶;反力梁:百分表。 图 2 加载及测量方案 2 试验现象与结果 ( 1 )3根试验梁加载过程中,均呈现中支座控 制截面受拉钢筋先屈服、跨 中控制截面受拉钢筋后 屈服 、C F R P布被拉断的破坏形式 ,如图 3 所示 。 图 3 C F R P布被拉断 ( 2 )中支座控制截面承受的弯矩远大于跨中控 制截面弯矩 ,因此试验梁第 1 条裂缝均出现在中支 座截面附近。随着荷载增加 ,跨 中控制截面附近也 有裂缝出现。由于制作及加载误差,连续梁东西两 跨相继出现裂缝 。图 4为试验梁实测裂缝分布图。 ( c
9、 )L 3 - 2 C 图 4 试验梁实测裂缝分布图 ( 3 )混凝土开裂使截面刚度降低 ,由于东西 2 跨裂缝出现的时刻和扩展速度不同,导致东西 2 跨 跨中的变形不同步。图 5为连续梁东西 2 跨的实测 挠度 曲线 。 1 2 0 1 O 0 堇 8 0 耀6 O 4 0 2 0 0 l 2 0 1 0 O 重 8 0 挺6 0 4 0 2 O O 0 2 4 6 8 l O l 2 I 4 1 6 l 8 2 O 2 2 2 4 挠度 m m ( a 】 东跨跨中 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 l 6 l 8 2 O 2 2 2 4 挠度 m m ( b ) 西跨跨中 图
10、5 试验梁荷载一挠度曲线 ( 4 )在荷载作用下,当 3 根试验梁跨 中控制截 第 3 期 碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析 2 9 面纵向受 拉钢筋屈 服后 ,荷载增 量 由 C F RP布承 担 。当达到极限荷载时 ,试验梁发生较大变形 ,跨 中的 C F R P布被拉 断,而此时锚 固端 的 C F R P布 保持完好。 通过布置在支座下部的压力传感器可以获知支 反力随荷载的变化情况。图 6给出了 3根试验梁支 反力的实测值与弹性计算值比较。由图可知:自加 载开始直至中支座钢筋屈服前 ,试验梁各支座支反 力的弹性计算值与实测值吻合 良好 ,这表明此时的 试验梁还处于弹性
11、阶段 ;荷载继续加至中支座控制 截面纵 向受力钢筋屈服 ,此时支反力的弹性计算值 3 0 0 2 5 0 蚕2 o o l 5 0 1 0 0 5 O 0 3 0 0 2 5 0 五 2 0 0 1 5 0 l 0 0 5 0 O l O 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 l O 荷载 k N ( a ) L1 1 A 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 荷载 k N ( b )LI 一 3 B 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 荷载 k N ( c )L 3 2 C 6 试验梁支反力实测值 与弹性计算值 比较
12、 与实 测值 的关 系 曲线 开 始发 生偏 移 ,边 支座 支反 力 的弹性计算值逐渐小于实测值 ,而中支座支反力的 弹性计算值逐渐大于实测值 ,这说 明试验梁 已经开 始发 生 内力重 分布 ;进 一步加 载 至试验 梁跨 中控 制 截面钢筋屈服 ,各支座支反力实测值与计算值偏移 加大 ,这表明试验梁已经发生明显的内力重分布 。 3 有 限元分析 为了验证试验数据的准确性 ,同时也为了以后 进一步开展 C F RP布加 固混凝土连续 梁塑性性能 的研究 ,本文借助有限元软件 AN S YS开展 了这类 构件力学性能 的数值计算。 3 1 单 元选 取 1 )混凝土单元 采用 ANS YS软
13、件 中 S o l i d 6 5 ,可 以综 合考虑 包括塑性和徐变在内的材料非线性大位移引起的几 何非线性、混凝土开裂及压碎引起的非线性等。用 实体单元 S o l i d 6 5 特有 的 c o n c r e t e 模型定义混凝 土 强度准则 ,并关闭混凝 土压碎特性 。混凝土单元的 本构关系通过输入数据表形式 自行输入能够反映混 凝土材料性质的应力一应变关系曲线。此外还采用 了 Wi l l a m- Wa r n k e 5 单元参数破坏准则。 2 )钢筋及支座 钢筋采用 L i n k 8单元类型,应力一应变关系为 理想弹塑性模型。支座选用 S o l i d 4 5单元模型
14、 。 3 )C F R P布单元 采用 s h e l l 4 1 膜单元 。该单元 只能承受拉力作 用 ,没有抗 弯、抗压 能力 ,符合 C F R P布在 构件 中的受力状况 。C F R P布的应力应变关系采用理 想弹性模型。 3 2 有 限元模 型 的建 立 利用分离式模型一位移协调法研究钢筋混凝 土间的相互作用 。C F RP布与混凝土间采用公用节 点方法 ,将梁底面定义为 C F R P布,并给出参数 。 对支座处梁截 面各节点进行约束 ,以定义各支座 。 为减少计算量,取梁体的一半进行建模计算 。有限 元模型如图 7 所示。 采用完全的 Ne wt o n Ra p h s o
15、n迭代法求解 。打 开 自动 时间步 长,用 C n v t o l 命 令 调整 收敛 精度 , 加速收敛 ,以减少计算时间。收敛精度取 0 1 。 3 3 有 限元计 算结 果分 析 3 3 1 钢 筋应 力 变化 鉴于仿真模型的对称性 ,取连续梁 I 1 1 A的 1 加 舳 加 7 I ) 似 中国铁道科学 第 3 2 卷 ( a ) 实体模型 ( b ) 钢筋骨架及CF R P 布单元 图 7 有限元模型 跨为研究对象,分 析各 阶段钢筋应力的变化情况 , 如图 8 所示 。由图可知 :当中支座负弯矩区钢筋应 力达到抗拉屈服强度时 ,跨中纵向受力钢筋的应力 远未达到抗拉屈服强度 ;随
16、着荷载增加 ,中支座钢 筋屈服区域增大 ,直 至跨 中控制截面处的钢筋屈 服 ;当继续加大荷载直至跨 中受压 区混凝土达到极 限压应变时 ,如图 8( b )所示 ,可 以看 出,中支 座钢筋屈服区域较大。 3 3 2 跨 中控制截面挠度变化 仍取试验梁 L 1 1 A 的 l 跨为例给 出各受力 阶 段试验梁跨中控制截面处的挠度变化情况,如图 9 所示 。由图 9( a )可知:中支座混凝土 的开裂对 跨中挠度变化的影响并不大 ;当荷载增加至中支座 负弯矩 区钢筋屈服时 ,由于试验梁持续的内力重分 布 ,使跨中承担的荷载不断增加 ,随之引起跨中挠 度不断增大,如图 9( b )所示 ;荷 载
17、继续增至跨 中纵向受力钢筋屈服 ,此时跨 中的挠度变化更加显 著,如图 9( c )所示。 以数值分析数据和试验实测数据为基础 ,绘制 连续梁 L 1 1 A单跨跨 中控制截 面处 的荷载一挠度 曲线 ,如图 1 0所示 。由图可知:无论连续梁处 于 弹性工作状态还是进入塑性工作状态 ,数值分析结 ( a ) L 1 一 l A中支座钢筋屈服时刻钢筋应力图 ( b ) L 1 I A 跨中混凝土达到极限压应变时刻钢筋应力图 图 8 各特征时刻 L 1 1 A的钢筋应力图 果与试验结果均吻合较好 ,说明利用 ANS Y S软件 分析 C F R P布加 固混凝土连续梁 的荷载一挠度关 系是 比较
18、准确的。当连续梁形成破坏机构、跨中受 压区混凝土接近极限压应变时,实测曲线与计算曲 线间出现了一定偏差 ,但偏差幅度不大。 3 3 3 内力 重分布状 况 表 3给出了 3根试验梁在各特征时刻的承载力 实测值和计算值。由实测值可以看出:3根连续梁 中内力重分布最大 的是 L 2 3 B,重 分布幅度达到 1 0 0 9 6 ;最小 的为 L 1 1 A,重 分 布 幅度 为 6 7 。 ANS Y S软件 的计算结果表明:连续梁 L 2 3 B的内 力重分布幅度为 1 1 1 ,连续梁 L I - 1 A的内力重分 布幅度为 5 6 7 。实测和计算结果均表明,利用 C F RP布加固后 ,混
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