碳纤维布加固钢筋混凝土梁常幅疲劳荷载作用下的疲劳寿命预测.pdf
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1、1 4 桥梁检测与加固 2 0 1 1 年第 1 期 碳 纤维布加 固钢筋混凝土梁常幅 疲劳荷载作用下的疲劳寿命预测 邹 力, 吕宏奎 , 田文姜 ( 中铁大桥局集 团武汉桥梁科学研究 院有限公司 , 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要 : 通过 粘贴碳 纤维 布可 以有效地 改善钢 筋混凝 土梁的疲劳性能, 提高钢筋混凝土梁的使用寿命。结合碳纤 维材料( C F R P ) I 固钢筋混凝土梁的疲劳破坏形式, 通过分 析加 固梁 中受力钢筋 的 S N 曲线来 预测加 固梁 的疲劳寿 命 , 以及 通过疲劳 累计损伤理论来预测加 固梁 的疲劳寿命 。 关键词: 碳纤维布 力 口 固
2、; 疲劳荷载; 寿命预测 1 引 言 由于碳纤维材料 ( C F R P ) 优 良的力学性能 , 以 及 C F RP加固技术诸多 明显 的技术优势 , C F R P加 固技术被越来越多推广到桥梁工程加 固中。对于公 路桥梁 、 铁路桥梁等结构 , 除 了承受静载作用外 , 还 要承受重复循环荷载作用 , 结构常常在低 于使用荷 载的情况下发生疲劳破坏。因此 , 桥梁结构加 固后 的疲劳性能成为国内外学者广泛关 注的研究热点。 近年来对碳纤维材料加固钢筋混凝土梁的疲劳试验 研究 比较常见 , 这些研究大多是加 固梁在疲劳荷载 作用下受力性能的分析研究 , 而在碳纤维布加 固梁 的疲劳寿命方
3、面的研究不多见。本文结合碳纤维布 加固钢筋混凝土梁常见 的 4种疲劳破坏形式 , 加 固 梁疲劳破坏始于受力钢筋屈服属于正 常的破 坏形 式 , 通过分析加 固梁 中受力钢筋 的 S N 曲线来预 测加 固梁的疲劳寿命 ; 运用疲劳累计损伤理论预测 加固梁的疲劳寿命。 2 Js N 曲线经验 法 2 1 加固梁疲劳破坏形式 碳纤维片材加 固修复混凝 土结构技 术规程 ( C E C S -1 4 6 : 2 0 0 3 ) 和 碳纤维增强复合材料加固混 凝土结构技术规程 ( D J T J 0 8 0 1 2 2 0 0 2 ) 中认 为 , 碳纤维布加固钢筋混凝 土梁进行正截面抗弯加 固后
4、, 加固梁可能的破坏形式为 : 钢筋屈服后 , 纤 维布未拉断 , 混凝土压碎 ; 钢筋屈服后 , 纤维布拉 断 , 混凝土未压碎; 钢筋未屈 服, 混凝土压碎; 钢筋未屈服或纤维布未拉断 , 碳纤维布从混凝土表 面剥落。以上几种破坏形式 中、 均为延性破坏, 是可以接受的破坏形式; 、 为不允许 出现的破坏 形式 , 属于脆性破坏 , 主要靠加强锚固和提高施工质 量来 控制 。 碳纤维布具有很高的强度, 与钢筋有相 同的弹 性模量 , 当承受一般疲劳荷载时, 碳纤维布的疲劳强 度几乎没有降低 , 在正常破坏形式下 , 碳纤维布加 固 钢筋混凝土梁的疲劳寿命 由受力钢筋和混凝土的疲 劳寿命来控
5、制 , 因此我们可以通过预测加 固梁 中受 力钢筋的疲劳寿命来预测加 固梁的疲劳寿命 。 2 2 加固梁中受力钢筋的 s N 曲线 从 C F R P加固钢筋混凝 土梁的疲 劳破 坏形式 可以看出: 、 破坏形式为延性破坏 , 是正 常的破 坏形式, 破坏始于钢筋屈服 。国内外许 多学者认为 钢筋混凝土构件的疲劳寿命主要取决于钢筋的疲劳 寿命, 相关疲劳试验也都是以第 1 根钢筋的疲劳断 裂作为构件破坏 的标 志。故研究 C F R P加 固梁 中 受力钢筋的疲劳行为非常重要。 钢筋的疲劳破坏可分为 3个阶段 : 形成初始 裂纹 ; 裂纹扩展 ; 当钢筋薄弱截面 的有效面积 不能承受所施加的荷
6、载时 , 试件发生突然脆性断裂 。 钢筋的疲劳寿命曲线表达式见式( 1 ) 1 。 l g ( N)一 A + ml g ( A o ) ( 1 ) 式中, N为疲劳失效时的总循环次数 ; 为钢筋应 力幅; A为钢筋s N曲线截距 ; 为钢筋S N曲 线斜率。 将 国内外相关试验的钢筋应力幅寿命数据用 散点图表示 , 见图 1 。对收集到的试验数 据作 回归 收稿 日期 :2 0 1 1 一O 3 一O 4 作者简介 : 邹力 ( 1 9 8 2 一) , 男 , 助理工程师 , 2 0 0 6年毕业于兰州交通大学桥梁与隧道工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 9 年毕业于兰州交通 大学桥梁
7、 工程专业 , 工学硕士。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 6 期 碳纤维布加固钢筋混凝土梁常幅疲劳荷载作用下的疲劳寿命预测 1 5 分析时, 得到的钢筋 s N 曲线表达式为 : l g ( N)一 7 3 1 9 5 0 0 0 5 6 1 g ( A o ) ( 2 ) M e i e r( 1 9 9 2 ) B a r n e s ( 1 9 9 9 ) S h a h a w y ( 1 9 9 9 ) _ P a p a k o n s t a n t i n o u ( 2 0 0 1【 ) A i d o o( 2 0 0 4 ) Y o
8、 n g t a o ( 2 0 0 3 ) + H e f e r a n a n d E r i k ( 2 0 0 4 ) 图 1钢 筋 的 N 散 点 图 通过公式( 2 ) 可以反推出构件 承受 2 0 0万次循 环荷载时对应的钢筋应力幅限值 , 反推得到 的数据 列于表 1 。表 l中同时列出了由其 他研究机构得到 的钢筋 S N 曲线反推得到的对应 2 0 0万次循环荷 载时钢筋的应力幅限值 。 表 1 钢 筋应力幅限值 比较 MP a 资料来源 资料来 源 公式( 2 ) 1 8 1 9 B S 5 4 0 0 ( 未加 固) 9 1 2 3 铁科院 1 0 3 7 J R E
9、 A 1 7 3 6 EC C S 1 0 0 4 铁道标准 1 3 8 5 J S CE 1 3 6 7 ACI ( 1 9 9 2 ) 1 2 1 4 由表 1 可知 , 经过 同样 荷载作用次数后 , C F R P 加固梁 中钢筋的应力幅限值 明显高于未加固构件 中 钢筋的应力幅限值 , 说 明 C F RP对提高构件疲劳寿 命有非常积极 的作用 。分析 C F RP对构件 疲劳寿 命提高的原 因主要有 : 由于 C F R P直 接承受 拉 力 , 分担了钢筋的应力 , 直接减小 了钢筋的应 力; C F R P在构件寿命后期 限制 了构件变形 的发展 , 使 钢筋的应力在整个寿命周
10、期 内变化不大, 达到提高 钢筋使用寿命 的 目的。 3 疲劳 累积损伤理论 疲劳损伤是指由于重复荷载作用而引起的结构 材料力学性能衰减的过程 , 即疲劳微裂纹的发生、 发 展、 形成宏观裂纹 、 发生破坏的全过程 。 C F RP加 固 梁 的 疲 劳 试 验 过 程 , 实 际 上 是 C F R P加 固梁各项 材料力学性能逐渐退化的过程 , 随着疲劳荷载作用循 环次数 的增加 , C F R P加 固梁 各项材料的疲劳损伤不断累积 。它依次引起各项材 料微裂缝的起 裂 、 扩展 、 直到形成控 制 的宏 观主裂 纹。这个过程还伴随着混凝土、 受力钢筋、 C F RP材 料的弹形模量的逐
11、渐变小, 钢筋和混凝土间的粘结 、 加 固层与本体梁 间的粘结性能慢慢减弱 , 宏观上表 现为加固梁截面刚度 降低 , 在同样荷载作用下挠度 增大 , 随着疲劳荷载作用次数的增加 , 加固梁的刚度 逐渐退化 、 残余挠度增大、 昆 凝土残余应变增大等 。 3 1 疲劳抗弯刚度与疲劳损伤累积 随着荷载循 环次数的增加 , C F R P加 固钢筋混 凝土梁的破坏过程经历 了混凝土开裂 、 碳纤维布剥 离 、 钢筋断裂 3个 明显的过程。在构件整体力学性 能上, 表 现 为加 固 梁 抗 弯 刚 度 B 的退 化 。根 据 C F RP加 固钢筋混凝土梁疲劳试验研究 资料可知 , 抗弯刚度 B演化
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