三维碳纤维网格筋增强混凝土板受弯理论分析.pdf
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1、2 0 1 6年 第 3 期 ( 总 第 3 1 7 期 N u mb e r 3 i n 2 0 1 6 ( T o t a l No 3 1 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 3 0 0 4 三维碳 纤维 网格筋增 强混凝 土板 受弯理论分析 钱震 , 方海 ,刘伟庆 ,庄勇 ( 1 南 京工业大学 土木 工程 学院 , 江苏 南京 2 1 1 8 1 6 ; 2 中铁大桥勘测设计 院集团有限公 司 , 湖
2、北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要: 介绍了一种可以运用到海港 、 无磁环境的 C F R P 昆 凝土薄板二维碳纤维 网格筋增强混凝土板 , 用碳纤维 网格筋代 替容易锈蚀的钢筋, 并在上下 C F R P网格筋之间用 C F R P工字棒连接 , 既增强了构件的整体性 , 又提高了混凝土板 的刚度。 运用 截面换算法推导出了三维碳纤维网格筋增强混凝土板在正常使用阶段 的截面有效抗弯刚度 ; 在假定“ 超筋” 破坏的前提下, 用平 截面假定推导出了三维碳纤维网格筋增强混凝土板的抗弯极限承载力; 依据相关规范进行三维碳纤维网格筋增强混凝土板的设 计并给出设计实例及计算方法。 关键词:
3、三维碳纤维网格筋; 有效抗弯刚度 ; 超筋 ; 抗弯承载力 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 1 2 0 4 Be n d i n g t h e o r y a n a l y z i n g o f t h e c o n c r e t e p a n e l s t r e n g t h e n e d b y 3 D CF RP g r i d s Q I AN Z h e n , F A NG Ha i , L I U We i q i n g , Z HU ANG
4、 Y o n g ( 1 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g, Na n j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y, Na n j i n g 2 1 1 8 1 6 , Ch i n a ; 2 C h i n a R a i l wa y Ma j o r B ri d g e R e c o n n a i s s a n c e&De s i g n I n s t i t u t e C o , L t d , Wu h a n 4 3 0 0 3 4, C h
5、i n a ) Ab s t r a c t : I t a d v a n c e d a n e w C F RPc o n c r e t e p a n e l( c o n c r e t e p a n e l s t r e n g t h e n e d b y 3 DCF RP g r i d s ) , wh i c h c a n b e u s e d i n t h e ma - r i n e o r n o n ma g n e t i c e n v i r o n me n t Us e t h e CFRP g rids i n s t e a d of t
6、he r e ba r whi c h wo u l d b e e a s i l y c o o d e d S o me CFRP I s t i c k s a r e u s e d t o c on ne c t wi t h t h e u p pe r g rid s a n d the l o we r g r i d s I t c a n e n h a n c e t h e i n t e g rit y o f t h e c o mpo n e nt s a n d i mp r o v e s t h e s ti f f n e s s o f t h e c
7、 o n c r e t e pa n e 1 Th e e f f e c tiv e be n di n g s t i f f n e s s o f t h i s ki n d o f p a n e l s wa s d e d u c e d b y t r a ns f o r me d s e c t i o n me t h o d I t a l s o d e r i v a t e d the fle x u r a l c a pa c i t y o f t h e p a n e l u n d e r t h e c o m p r e s s i o n f
8、 a i l ur e o f a n o v e r r e i n f o r c e d me mb e r I t b rin g s u p a wh o l e s t r u c t u r e d d e s i g n p r o c e s s a n d g i v e s the d e s i g n p a r a me t e r o f t h e p a n e 1 Ke y wor ds: 3 D CF RP g rid s; e f f e c tiv e b e n d i n g s ti f f n e s s; o v e rr e i n f o
9、 r c e d; fle xu r a l c a pa c i t y O 引言 钢筋混凝土是世界上使用最多 的建筑材料 , 具有耐久 性好 、 可塑性强 、 性价 比高等优点 。 然而 , 钢筋的锈蚀会导 致混凝土结构的 内部损伤 , 使结构发生损坏 , 这是制约钢 筋混凝土结构发展 的一个主要原 因。 为了解决钢筋锈蚀 的 问题 , 同时为了适应恶劣环境 ( 如沿海建筑 、 桥梁 ) , 纤维增 强复合材料 筋 。 ( 简称 F R P筋 ) 被提 出并得 到广 泛研 究 。 如天津地震局使用 自制的我 国第一座碳纤维筋增强混 凝土 的构件 地磁房 。 对于碳纤维筋增强混凝土构件 ,
10、国内外也做过很多研 究 , 翁春光 通过试验研究了钢筋和 F R P筋混凝土梁受弯 力学之问的差异 , 得出了F R P筋混凝土梁的开裂荷载 、 裂缝 分布特征 、 荷载 一变形关系。 B u r o n g Z h a n g 等人在试验基 础上研究了 C F R P筋增强混凝土的弯曲和剪切极限状态, 并 对其设计 方法提出了指 导性 的意见。 R o b e r t o C a p o z u c c a 【 分析 了 C F R P网格筋 昆 凝土梁的弯曲性能 , 并提出了一种基 于正交各 向异性复合材料板模型的近似计算方法。 1 三维碳 纤维( C F R P ) 网格 筋增强混凝土板
11、的 结构 与制备 本研究提 出了一种新型的三维碳纤维 网格筋增强混 凝土板 , 主要是 由上层 网格筋 、 下层 网格筋 以及连接上下 网格筋的工字棒组成。 制作工程如下 : ( I ) C F R P网格筋是 由碳纤维 和树脂在模具 中通过拉 挤成型制 备 ; ( 2 ) C F R P 网格筋固化脱模后进行切割和打磨 ; ( 3 ) 通过工字棒对上 下面通过结构胶进行连接 ; ( 4 ) 对已制备好 的三维碳纤维 网格筋表面进行喷砂处理 ; ( 5 ) 浇筑混凝土 。 该混凝土板 的优点主要有 : ( 1 ) C F R P筋具 有 良好 的 耐久性 , 避免构件 因钢筋锈蚀而导致构件失效
12、 ; ( 2 ) 上下层 C F R P网格筋通过工字棒连接 , 有效 的增强 了混凝土板 的 整体性 , 同时工字 棒还可 以充当箍筋的作用 , 提高 了构件 的抗剪能力 , 如图 l 所示 。 2 三维碳 纤维( C F R P ) 网格筋增强混凝 土板 弯 曲性 能理 论 研 究 C F R P复合材料本身是一种 脆性材料 , 从设计安全 性 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 4 一O 3 基 金项 目 : 国家 自然科学基金重点项 目( 5 1 2 3 8 0 0 3 ) ; 江苏省 一然科学基金( B K 2 0 1 2 8 2 6 ) ; 江 苏省六大人才高峰项 目( 2 0 1
13、 3一J Z 0 0 6 ) 1 2 和工程应用的角度 出发 , 建议将混凝土面板的破坏模式设 计为“ 超筋” 破坏 : 即受压 区混凝土在正应力作用下达到极 限压应变而压碎 , 而受拉 区的复合材料 网格筋还未 达到其 极限拉应变。 图 1 三维 碳纤 维 网格 筋增 强 混凝土板 示 意图 本研究分别用换算截面法和平截面假定推导 了三维 碳纤维 ( C F R P ) 网格筋增强混凝土板的有效刚度及极 限弯 矩 。 2 1 基本参数设定 混凝土板的长度为 , 高度为 , 宽度 为 b , 在混凝土板 中上下分别布置有 n行 、 m列的碳纤维 , 网格筋上 层和 网 格筋下层 的宽度均为 b
14、 , 网格筋上层厚度为 t 网格筋下 层厚度为 t , 工字棒 , 高度为 h , 腹板 的宽度为 b , 长度为 b 。 X 为 中性轴到混凝土板上表面的距离。 2 2 有效惯性矩 一 般来说 , 在计算钢筋混凝土板时忽略纵向钢筋和箍 筋 的作用 , 但对于本研究 , 纵 向和横 向 C F R P厚度相 同, 并 且属于相邻 的 C F R P间隔较短 , 纵 向 C F R P网格筋 的作用 和工字棒 的作用不可忽略 , 因此通过换算法将横 向和纵 向 网格筋进行截面换算。 ( 1 ) 基本假定 ( a ) 平截面假定 ; ( b ) 弹性体假定 ; ( C ) 不考虑开裂混 凝土的受拉
15、作用 ; ( d ) C F R P材料 的应变 由平截 面假定确 定 , 并且不超过其允许应变 。 ( 2 ) 受拉区混凝土开裂前截面的惯性矩 受压区纵向和横 向网格筋的总体积为 : V= n l b t l + m b b 。 t 。 1 一 m n t 1 b : ( 1 ) 保证受压区网格筋的高度不变 , 则受压区的网格筋宽度为: b =n b + 一华 = + 一 ( 2 ) 受压区网格筋的截面面积为 : ( 3 ) I司理 , 受拉 区网格筋 宽度 为 b =b 。 , 党拉区 网格筋 的截 面 面积为 : A: : ( 4 ) 工字棒上下表面的厚度较小 , 可将其按照 部分腹板计
16、算 , 即工字棒 的宽度为 : : m n _ b o b 2 b ( 5 ) = _ ( 5 ) 受 拉 区 CF R P的截 面 面积 为 A =A1 十A3 , 其 受 压 弹 性模量为 E , 则其 换算面积 为 O A ( 其 中 O =E E 。 ) ; 受压 区 C F R P的截面面积为 A = A + A , , 则其换算面 积为 0 t E s A s ( 其 中 O t E s = E t s E ) 。 经过截面换算法 , 保持原截面和换算截面形心位置不变。 由受拉区和受压区对截面 l 生 轴的静距相等, 可由式( 2 ) 得 出 X 0 : 1 纵。 2 +( E s
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