内嵌筋材加固混凝土梁弯曲性能研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7期) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 i 0 3 0 1 0 内嵌筋材加固混凝土梁弯曲性能研究 丁亚红 。褚 海全 ( 河南理工大学 土木工程学院 ,河南 焦作 4 5 4 0 0 0 ) 摘要: 探讨了内嵌碳纤维筋和内嵌螺旋肋钢丝加固混凝土构件对比 试验研究, 并分析了不同筋材、 加固
2、量对被加固构件抗弯性能的 影响。结果表明: 两种加固方法均能大幅度提高被加固构件的极限承载力, 改善梁的裂缝开展情况, 但内嵌碳纤维筋加固方法易于发生黏 结破坏 , 螺旋肋钢丝 的黏结效果较好 , 且在经济性上 明显优于碳纤维材料 , 更利 于在工程实际中推广应用 。 关键词 : 混凝土梁 ;加固 ;碳纤维筋 ( c F R P) ;螺旋肋钢丝 中图分类号: T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 3 1 - 0 4 St udy on f l e xu r al s t r e ng t he ni
3、ng o f R C be ams wi t h ne ar s uac e mount e d s t e el DB V G Ya - h o n g, CHU Ha i q u a n ( S c h o o l o f He n a nP o l y t e c h n i c C i v i l E n g i n e e ri n gUn i v e r s i t y , J i a o z u o4 5 4 0 0 0 , Ch i n a ) Abs t r a c t : Di s c us s e s t h e c o n c r e t e c o n s t r u
4、 c t i o n c o mp o n e n t s wh i c h e mb e d de d CFRP a n d e mb e d d e d wi t h s pir a l rib s t e e l f o r s t r e n g t h e ning, a n a l y s i s t h e d i ffe r e n t r e i n f o r c e me n t ma t e ria l a nd r e i n f o r c i n g q u a n t ity t o b e s t r e n g t h e n e d b e a m b e
5、 n d i n g Th e r e s ul t s s h o w t h a t t h e t wo me t h o d s c a n i m p r o v e t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i ty o fr e i n f o r c e d c o mp o n e n t s , t h e s i t umi o n i n d e v e l o p i n g Whi l e, wh e n s pi ml r i b s t e e l h a v e a g o o d b o n d i n g e
6、 ffe c t , e mb e d d e d CFR P i s e a s y t O h a v e t h e c a k i n g t o de s t r o yRe s u l t s s h o w s p i r al r i b s t e e l i s m o r e a d v a nt a g e o us t O c a r bo n ma t e ria l s a n d e n g i n e e rin g 印 一 pl i c a t i o n K e y w o r d s : c o n c r e t e b e a m ; r e in
7、f o r c e ; c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r ( CF R P) ; s p i r a l r i b s t e e l 0 引言 由于多种原因造成大量工程结构承载能力、 安全性及适用 性不能满足要求, 亟需进行维修加固。 目前 C F R P虽在实际中应 用较多, 但存在成本高、 易发生剥离破坏等缺点。 针对上述情况, 采用螺旋肋钢丝做对比试验研究 , 对被加固构件应力、 应变和 裂缝开展情况等进行了系统分析, 以期得到更易于推广的加固 材料。 1 研究方法 1 1 材料 性能 试验中所采用的螺旋肋钢丝
8、是河南省向阳预应力钢丝有 限公司提供的低松弛螺旋肋预应力钢丝, 直径为 7 0 0 IT lr f l , 抗拉 强度为 1 5 7 0 MP a , 其标记为 : 预应力钢丝 7 0 0 1 5 7 0 一 WL R H G B T 5 2 2 3 2 0 0 2 。表 1 为试验用螺旋肋钢丝的力学性能指标。 表 1 螺旋肋钢丝的力学性能 本次试验所采用的结构胶黏剂是中国科学院大连化学物 理研究所生产的J G N型环氧树脂类建筑结构胶。 J G N型建筑结 构胶的各项技术指标均满足 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ( 凝土结构加固 技术规范 1 的要求。 试验用钢筋力学性能指标
9、如表2所示。 试验 中选取的混凝土强度等级为 C 3 0 。 收稿 日期:2 0 1 0 1 0 - 0 9 表 2 钢筋的主要力学指标 1 2 试验 梁 的设 计 与制作 7根混凝土梁均设计为矩形截面简支梁 , 试验梁的宽度 b 设 计为 1 5 0 mm, 高度 h为 3 0 0 h i m, 梁的跨度 L = 2 4 0 0 mm, 计算 跨度 = 2 1 0 0 mlT l ; 梁底部的受拉纵筋选用 2 1 4 ( 3 0 8 mm , 配筋率 O 7 6 ) ; 架立 筋选 用 2 + 8 ( 1 0 1 mr n 2 ) ; 在梁跨 中处选用 8 1 5 0 ( 3 3 5 ml2
10、 q ) 箍筋 , 支 座处 选用 8 1 0 0 ( 5 0 3 m m ) 箍筋 进 行抗 剪 ; 下部 受拉纵筋 的净保护 层厚度为 3 0 r n n q , 架立筋 的净 保护 层厚度为 2 5 l n i n , 模型梁的尺寸及配筋如 1 所示 。 11 + 8 1 5 b l 1 I 1 1 1 1 1 1 i。 I 如 1 200 。 图 1 试验梁的尺寸及配筋 图( 单位 : mm) 本试验通过对被加固构件进行强度 、 刚度和抗裂等性 能的 检测, 研究分析各参数对被加固构件抗弯性能的影响。 试验采用电阻应变片测量应变 , 使用 XL 一 2 0 t 0 1 B 5 数字静态
11、 应变仪进行 自动采集应变数据, 使用位移计测量构件的挠度 , 裂 31 醛 + 什 苴 什 缝则通过直接观察描绘记录。 试验加载按照GB 5 0 1 5 2 9 2 混凝 土结构试验方法标准 中结构单调加载静力试验的加载方法, 采用分级加载。 2结 果 2 1 承 载能力 分析 表 3 为各试验梁开裂荷载 、 屈服荷载 、 破坏荷载 的实测值 , 其中屈服荷载值是结合试验梁变形曲线及实测钢筋应变综合 判断确定的。 表 3 试验梁特征荷载 ( 1 ) 开裂荷 载。 从表 中可见 B F系列 ( B F 1 、 B F 2 、 B F 3 ) 加 固梁 分别为内嵌 l 根 、 2根 、 3根非预
12、应力C F R P加固的混凝土梁 , 开裂荷载提高幅度分别为 2 3 6 5 , 2 1 3 1 、 2 6 1 3 ; B S系列 ( B S 1 、 B S 2 、 B S 3 ) 加 固梁分别为内嵌 1 根 、 2 根 、 3 根非预应力螺 旋肋钢丝加固的混凝土梁, 开裂荷载提高幅度分别为 1 2 9 7 , 1 4 。 8 7 、 1 5 9 4 。 由于普通钢筋混凝土梁开 裂荷载较小 , 此时加 固筋材 的应力及应变均较小 , 加固筋材对加 固梁开裂荷载影响 较小 ; 而钢筋混凝 土梁开裂荷载受混凝 土强度影响较大 , 混凝 土强度的不均匀性将会造成试验梁开裂荷载的离散性 , 因此
13、, 采 用 内嵌非预应力 筋材加 固混凝 土梁对被加固梁 的开裂 荷载影 响较小 , 且规律不明显 , 提高幅度一般在 2 0 左右。 ( 2 ) 屈服荷载。 从表中可 以看出, B F系列加固梁中钢筋屈服 时的荷载提高幅度分别为 2 7 5 7 、 4 9 2 2 、 5 2 0 1 ; B S系列荷 载提高幅度分别为 5 6 9 、 2 9 4 3 、 3 4 7 8 。 可见加固梁中由于 非预应力筋材的存在 , 分担了钢筋的部分应力作用 , 致使加固 梁的钢筋屈服相对延迟。 屈服荷载提高程度随加固量的增加而 有所增加。 当加 固量较小时 , 提高 幅度较为明显 , 如 当加固量由 一 根
14、增加为两根时 , B F系列加固梁提高 了 2 1 6 5 , B S系列加 固梁提高了2 3 7 4 ; 当加固量较大时, 提高幅度很小, 如当加固 量由两根增加 为三根时 , B F系列加固梁仅提高 了 2 7 9 , B S系 列加 固梁提高了 5 3 5 。 可见内嵌非预应力筋材加 固混凝土梁中 加固量对屈服荷载 的影响是有一定范围的。 ( 3 ) 极限荷载 。 从表 中可见, B F系列加固梁的极限荷载提高 幅度分别为 8 2 7 8 、 1 l 3 6 8 、 1 3 6 2 7 ; BS系列提高幅度分别 为 4 5 7 3 、 8 7 5 3 、 1 3 0 9 2 。 由此可见
15、 , 内嵌非预应力筋材加 固 混凝土梁对极限荷载的影响较为显著, 且提高幅度随加固量的 增加 而增加 , C F R P最大达到 1 3 6 2 7 , 而螺旋肋钢丝也可 以达 到 1 3 0 9 2 , 加固效果 比较理想。 由上述分析可见 , 与对 比梁相 比, 内嵌 非预应力筋材加 固 混凝土梁对被加 固梁的开裂荷载影响很小 , 对 屈服荷 载在一定 范围内有一定影响, 而对极限荷载的影响则相当显著。 内嵌非预 应力螺旋肋钢丝加固梁可满足实际工程需求。 2 2变形 能力分析 由试验结果可以看出, 内嵌非预应力加固梁的荷载一 跨中 3 2 位移曲线基本以试验梁开裂荷载 、 钢筋屈服荷载为转
16、折点将曲 线分为三阶段 : 试验梁开裂前阶段、 开裂至钢筋屈服阶段 、 钢筋 屈服后阶段 , 各阶段近似为线性变化, 采用内嵌非预应力筋材 加 固的钢筋混凝土梁的荷载一 跨 中位移 曲线与普通钢筋混凝 土 梁基本相 同, 但也有一些不同的特点 。 在变形的第一 阶段 , 即混凝土开裂前 , 由于荷载较小 , 截 面 尚未开 裂 , 加 固梁表现为弹性 变形 特征 , 荷载及试验梁变形均 稳定线性增长。 加固梁刚度略大于对 比梁 , 挠度稍小 , 在接近开裂 荷载时, 加固梁的变形有加快发展趋势。 在变形的第二阶段, 即 开裂至钢筋屈服, 加固梁与对 比梁相同, 一经开裂, 荷载一 跨中 位移曲
17、线随即转折, 但加固梁转折程度较小, 刚度提高的程度 与加固量有关 , 当加同量相对较高时提高较多。 在变形的第三阶 段, 即钢筋屈服后, 变形曲线再次转折且程度较大。 普通钢筋混 凝土对 比梁 由于钢筋进入屈服 阶段 , 其 刚度降低较多 , 直至试 验梁破坏其荷载提高较少 , 变形较大。 采用内嵌法加固的试验梁 , 钢筋屈服后由于筋材的作用, 其荷载一 跨中位移曲线转折相对 较小, 在整个第三阶段其试验荷载在变形增加的同时仍能不断 提高, 特别是在加固量相对较大时, 这种差别更为明显。 可见, 内 嵌非预应力筋材加固混凝土梁对开裂荷载基本没什么影响, 对 屈服荷载有一定 的影响 , 对极限
18、荷载 的影 响则相当显著 , 且提 高程度 随加 固量 的增加而增加 , 说 明加 固梁 中的筋材在混凝土 梁开 裂后 , 有效地分担了钢筋 的受 力, 从而延缓 了钢筋 的屈服 , 钢筋屈服后, 筋材承担了全部应力, 加固梁极限承载力明显高 于对 比梁 。 22O 20O 1 80 l 6 0 z l 4 0 1 2 0 薹 m 8 0 6 O 40 2 0 跨中挠度 ( b ) 图 2荷载一 跨中挠度曲线 2 3 跨 中应变分析 ( 1 ) 混凝土应变曲线分析。 为了考察加固梁截面应变规律, 对试验梁跨中截面不同高度处混凝土的应变进行了测量。 混凝 土应变曲线如图3所示, 截面混凝土应变沿
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