内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁变形特性研究.pdf
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1、第 3 4卷第 1 O期 2 0 1 2年 1 O月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI LWAY S 0CI ETY Vo 1 34 No 1 0 Oc t o b e r 2 O 1 2 文章编号 : 1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 2 ) 1 0 0 0 9 7 0 6 内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁变形特性研究 丁亚红 ,张美香 。 ,孙 博 ,曾宪桃 ( L 河南理工大学 土木工程学院 , 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ;2 新余学 院 建筑与规划学院 ,江西 新余 3 3 8 0 0 0 ) 摘要 : 针对原有加固方法的不足
2、, 提 出内嵌预应力螺旋肋 钢丝加固混凝土梁加固技术 , 分析这种加 固梁 的变形特 点 , 并依据普通钢筋混凝 土梁 的变形原理和内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁 的特点 , 推导内嵌预应力螺旋肋 钢丝加固梁不同受力 阶段的刚度表达式 , 得到内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固梁的刚度计算公 式。在考虑预加力产生 反拱的前提下 , 计算加固梁不 同受力 阶段 的变形量。对 4根内嵌预应力螺旋 肋钢丝加 固混凝土梁进 行了试验验 证 。结果表 明: 试验结果与计算结果 吻合较好 , 内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁能有效延缓裂缝的发展 , 减小 构件变形, 提高构件刚度 。研究结果为该加固方法在工
3、程实际 中的应用提供 了理论依据。 关键词 :混凝土 ;预应力 ;内嵌加 固 ;螺旋肋钢 丝;变形 中图分 类号 : U4 4 8 3 5 文献标志码 :A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 0 2 0 1 2 1 0 0 1 6 Re s e a r c h o n De f o r m a t i o n o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Be a m Emb e d d e d wi t h Pr e s t r e s s e d He l i c a l Ri b S t e e l W i
4、 r e s DI NG Ya ho ng , ZH ANG M e i x i a n g , SUN Bo , ZENG Xi a n t a o ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i ne e r i n g,He na n Po l y t e c h ni c Un i v e r s i t y ,J ia o z u o 4 5 4 0 03 ,Ch i n a; 2 Sc h o o l o f Ar c h i t e c t u r e a n d U r b a n Pl a n n i n g, Xi n y u U n i v e r
5、 s i t y , Xi n y u 3 3 8 0 0 0,Chi n a ) Ab s t r a c t : Ai mi n g a t ma k i n g u p t h e d e f i c i e n c i e s o f t h e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e r e i n f o r c e me n t me t h o d s , t h e r e i n f o r c e me n t t e c h n o l o g y a d o p t i n g p r e s t r e s s e d h e
6、 l i c a l r i b s t e e 1 wi r e s b o n d e d i n s a we d g r o o v e s i n t h e c o n c r e t e c o u r s e wa s p r e s e n t e d Th e d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f S O r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms we r e a n a l y z e d On t h e b a s i s o f s u c h b
7、 e a m d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e d e f o r ma t i o n p r i n c i p l e o f o r d i n a r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( RC) b e a ms , t h e s t i f f ne s s e x pr e s s i on s o f t he RC b e a ms e mbe d de d wi t h pr e s t r e s s e d he l i c a l
8、r i b s t e e l wi r e s i n d i f f e r e nt s t r e s s i n g s t a ge s we r e de r i ve d a n d t h e s t i f f ne s s c a l c ul a t i on f o r m ul a s o f t h e RC b e a ms e m be dd e d wi t h pr e s t r e s s e d he l i c a l r i b s t e e l wi r e s we r e s e t U n de r t he p r e mi s e
9、t ha t i nv e r t e d a r c hs we r e g e n e r a t e d i n p r e s t r e s s i ng, t h e m a g n i t u d e s o f d e f o r ma t i o n o f t h e RC b e a ms e mb e d d e d wi t h p r e s t r e s s e d h e l i c a l r i b s t e e l wi r e s i n d i f f e r e n t s t r e s s i n g s t a g e s we r e c
10、 a l c u l a t e d Te s t s we r e m a d e wi t h f ou r RC b e a m s e m b e d de d wi t h p r e s t r e s s e d he l i c a l r i b s t e e l wi r e s The t e s t r e s u l t s a n d c a l c u l a t i o n r e s u l t s s ho w g o od a gr e e me n t The RC be a m e mbe d de d wi t h pr e s t r e s s
11、 e d h e l i c a l r i b s t e e l wi r e s c a n e f f e c t i v e l y d e l a y de v e l opme n t o f c r a c ks,r e d uc e me mbe r d e f o r m a t i o n a nd s t r e ng t he n m e m b e r s t i f f ne s s Th e r e s e a r c h r e s ul t s l a y a t he o r e t i c a l b a s i s f o r a p pl i c a
12、 t i o n of t he ne w r e i n f o r c e m e nt me t h od i n e ng i ne e r i ng pr a c t i c e Ke y wo r d s: c o nc r e t e;p r e s t r e s s e d c o nc r e t e;e m b e d de d r e i n f o r c e m e n t ;he l i c a l r i b s t e e l wi r e;d e f or ma t i o n 增大截面法 、 粘钢加 固法等传统混凝土梁加固方 法大多都是直接加固结构构件 ,
13、 在加 固的同时存在一 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 5 3 1 ; 修回 日期 : 2 0 1 0 1 0 - 0 8 基 金项 目: 国家 自然科 学基 金 ( 5 1 1 0 8 1 6 1 ) ; 河南 省重点 科技 攻 关项 目 ( O 9 2 1 O 2 2 4 0 0 0 9 ) ; 河南 省重点 学科项 目( 5 0 9 9 1 9 ) ; 河 南理 工 大学研究生创新基 金( C X2 0 1 0 3 9 ) 作者简介 : 丁亚红( 1 9 7 3 一) , 女, 河南商丘人 , 副教授 , 博士。 E- ma i l : d i n g y a h o n g h p
14、 u e d u a n 定 程度 的 限制 和 不足 , 如 自重 加大 、 成本 提高 等 。随着 新型加 固技术的发展 , 轻质高强等高性能材料的应用 , 是加固技术的发展趋势 。外贴纤维复合材料 、 体外预 应力等加固方法相继 出现, 但它们 因易受外界环境影 响 、 防火性 能差 、 与邻 近 构 件锚 固不 好 等 缺点 , 逐 渐 被 9 8 铁 道 学 报 第 3 4卷 内嵌加固方法所取代 。内嵌非预应力筋材加固法对被 加固构件承载能力的提高作用较为明显 , 但对被加 固 构件的变形影 响很小 1 。因此, 本文提出了内嵌预应 力螺旋肋钢丝加固混凝土梁这一新型加固技术 。由于
15、内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁 的特殊性, 其变 形计算与普通加固梁及预应力钢筋混凝土梁均有所不 同。因此, 本文依据普通钢筋混凝土梁变形计算基本 原理 , 对内嵌预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁变形进 行分析研究 。 1 内嵌预应力螺 旋肋钢 丝加 固混 凝土 梁变形 计算特点 内嵌 预应 力 螺旋 肋 钢丝 加 固混凝 土梁 变形 计 算与混凝土梁相 比, 有 两方 面不 同 : 前 者 由于 施加预应力 , 其 开裂荷 载相对较 高 ; 加 固梁 自开 裂直至破坏阶段 , 预应力螺旋肋钢 丝相对 于钢筋 和 粘贴部位混凝土具有超前应变 , 在 一定程度 上减少 了相应荷载 下 的钢筋
16、应 变 。而 与预应 力 钢筋 混凝 土梁相 比, 内嵌预应力螺旋肋钢 丝加 固混 凝土梁 由 于 所 施 加 的预 应 力 相 对 较 小 , 虽 然 可 以 在 一 定 程 度 上提高加 固梁 的开裂荷 载 , 但 这种 作 用相 对较 小 , 加 固梁 的主要受力 阶段仍是 带裂缝 阶段 , 其主要受 力 阶段与普 通混 凝 土梁 类似 。正是 内嵌 预应 力 螺 旋肋钢丝加 固混凝土梁 的这些 特点 , 在 进行变形计 算时可 以在普通混凝土梁变形 计算公 式 的基础 上 , 进一步考虑筋材 的预加力对 钢筋应 力的降低作 用 , 从而达 到完成变形计算 的 目的。 2 内嵌预应 力螺
17、旋 肋钢 丝加 固混凝 土梁变 形 计算公式 2 1 加 固梁 设计及 加 固方案 加固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 mm, 梁 的跨度 L一 2 4 0 0 mm, 计算跨度 z =2 1 0 0 mm; 梁底部 的受拉纵 筋选用 2 虫 1 4 ( A 一3 0 8 mm , 配筋率 P 一0 7 6 ) ; 架 立筋选用 2中8 ( A 。 =1 0 1 mm。 ) ; 在梁跨中 1 3处选 用中8 1 5 0 ( A =3 3 5 mm。 ) 箍筋 , 支座 1 3处选 用 中 8 1 0 0 ( A。 :5 0
18、3 mm。 ) 箍筋 进行 抗 剪 ; 下 部 受拉 纵 筋的净保护层厚度 a 。 一3 0 mm, 架立筋的净保 护层厚 度a :2 5 mm, 则混凝土梁的有效高度 h 。 =2 7 0 mm。 试验初始预应力水平采用螺旋肋钢丝极限抗拉强度的 4 5 , 分别 内嵌一 根 、 两 根 、 三 根进行 加 固 , 并设 置一 根 未加固梁作为试验对 比梁, 加固梁 的开槽位置和尺寸 示 意 图如 图 1所示 , 加 固方案 见表 1 。 量E 画 画 图 1 开槽尺寸和位置示意图 表 1 加 固方案 2 2 加 固梁 变形计 算公 式 内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁弯曲变形 由 两部分组成
19、 : 一是由外荷载产生的变形 , 】 , 二是 由预 加力引起的反拱 , z , 这两部分变形 的叠加 即是加 固梁 的变形总量 , =f 一f z 。根据 混凝土结构设计规范 规定, 受弯构件的变形计算公式 3 为 r 厂、M l , 1 M l ,1 、 一 乙百一L百 : (2) 式 中: C为与荷载形式 、 支撑条件有关 的荷 载效应系 数 , 本文所做试验简支梁 计算跨 中变 形 C:2 3 2 1 6 ; l 为梁的计算跨度 ; B为梁 的截面抗弯刚度 , 其物理意 义就是欲使截面产生单位转角所需施加的弯矩 , 它体 现了截面抵抗弯曲变形的能力 ; 对于预应力所产生 的 反拱 ,
20、的计算式中, 短期截面刚度可取 E 。 I 。 , 考虑 到 预加力长期影响后的截面刚度为 0 5 E L; N。为混凝 土法向预应力等于零时预应力和非预应力钢筋 的合 力 ; e 。 为混凝土法向预应力 等于零时全部纵 向预应 力 和非预应力钢筋的合力 N 的作用点至受拉 区纵向预 应力和非预应力钢筋合力点的距离。 材料力学中所研究 的梁 , 其 刚度 B=EI为一 常 数 , 即梁的变形 厂与弯矩 M 为直线关系。而对于混凝 土加固梁 , 上述关于匀质弹性材料梁 的力学概念仍 然 适用 , 但由于加固梁为不匀质的非弹性材料 , 因而其截 面抗弯刚度不是常数而是变化的, 因此首先应对加固 梁
21、刚度进行分析 。 0 : 一 回 学 第 1 o期 内嵌 预应力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁变形特性研究 9 9 2 3加 固梁 刚度分 析 在进行钢筋混凝土梁刚度分析时 , 主要有忽略受 拉混凝土的截面分析方法 、 解析刚度法和有效惯性矩 法 3种分析方法 , 本文采用解析刚度法对 内嵌 预应 力螺旋肋钢丝加 固混凝土梁开裂后的刚度进行分析。 当加固梁截面和材料给定后 , 梁的 E 1 为常数 , 加固 梁在受弯 时其刚度在弹性 阶段为一常 数 , 且 随荷载 的增 加而改变。混凝土开裂前, 梁处于弹性阶段 , 在梁的纯 弯段内, 压区混凝土应变及受拉钢筋应变沿梁长几乎均 匀分布 。随着荷载的增
22、大 , 受拉 区混凝 土拉应 力达到混 凝土的抗拉强度时, 在梁混凝土抗拉强度最弱的截面上 将出现第一批裂缝 。随着 M 的增大 , 拉 区混凝土裂缝 将陆续出现, 直到裂缝间距趋于稳定 , 裂缝在纯弯段内 近乎等间距分布 。试验表明, 裂缝稳定后 , 加固梁预应 力筋 的应 变增量沿梁长是非 均匀 分布 的 , 而是 呈波浪形 变化 , 开裂截 面应 变达 到峰值 , 裂缝 中间 处预 应力 筋 的 应变较小 ; 随着 M 增 加 , 开 裂 截面 增大 , 混 凝 土参 与 受 拉程度减小 , 平均截面应变越接近开裂截面预应力筋应 变 ; 由于裂缝 的影 响 , 混凝 土梁 在 纯弯 段
23、平均 中和 轴 高 度发生变化 , 随着 M 增大, 平均中和轴高度减小。 考虑到加固梁裂缝 出现后的应变分布特点 , 建立 混凝土开裂前后的刚度计算公式 。 2 4 加 固梁 刚度计算 2 4 1 混凝土 开裂前 刚 度计算 加 固梁开裂 前截 面 符 合 弹性 材 料 特 征 , 并考 虑混 凝土 的塑性 特 征 , 加 固梁开 裂前 刚度表 达式 s - 6 为 B一 0 85 E J 0 式 中 : E 为 混 凝土 弹性 模 量 ; j 。 为 加 固梁 换 算截 面惯 性 矩 。 2 4 2 混 凝土 开裂后 刚 度计算 在材料力学 中, 截 面 刚度 BEl 是 通 过 以下 3
24、个 关系建立的截面内力与变形 的关系: 平截面假定给 出的应变曲率的几何关系 一 ; 弹性材料胡克定 律 给 出的应力 应变 物 理关 系 e 一 E; 按 直线 应 力 分 布给 出的应力 与内力 的平衡 关 系 o =My I 。 。上述 3 个 关系的具体内容对于产生裂缝后加固梁均不再适 用。 但是, 通过这 3 个关系建立刚度计算公式的一般途径仍 然是有效的, 只是在每一关系中需要赋予适合加固梁特 点的参数 : ( 1 ) 几何 关 系 : 虽然 由于裂缝 的影 响 昆 凝 土及 预应 力筋、 钢筋的应变沿梁长是非均匀的, 但平均应变e 、 e 、 e 及平均 中和轴在纯弯段内是不变的
25、, 而且符合平 截面假定 , 即 = 警 一 警 ( 2 ) 物理关系: 压区混凝土的平均应变接近于开裂 截面应 变 , 考虑混 凝 土的塑性 变形 , 引 入混凝 土变形 模 量 E = v E 。钢 筋 在 屈 服 前 服 从 胡 克 定 律 , e = 。 E , 由于拉 区混 凝 土 参 与 , 引 入 钢 筋应 变不 均 匀 系 数 I J , 则可建立钢 筋应变e 。 与开裂面钢筋应 变( 力 ) 。 的关 系 。 = 一 。 E : hp- ho h 。 一h o ( 3 ) 平衡关系: 将开裂截面 昆 凝土压应力图形用等 效矩形应力 图来 代替 , 平均应 力为 , 压 区高
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- 预应力 螺旋 钢丝 加固 混凝土 变形 特性 研究
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