预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯正截面承载力分析.pdf
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1、2 0 1 4年 第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 4 No 1 J a n u a r y 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯 正截面承载力分析 詹 妮 , 苏有 文, 李超 飞, 马倩 雯 ( 西南科技大学土木工程与建筑学院 , 绵 阳 6 2 1 0 0 0 ) 摘要 : 碳 纤维布具有轻质 、 高强、 耐 久性好 等特性 , 预 应力碳纤 维布加 固技 术 已成为一种新型建 筑加 固技 术。 在 试 验 基 础 上 对 预 应 力 碳 纤 维加 固 钢 筋 混 凝 土 梁
2、 的 受 力 性 能 进 行 了 分 析 , 提 出 了预 应 力碳 纤 维 布 加 固钢 筋 混 凝 土梁的抗弯正截面承载力的计算公式 , 计 算公式 与试验 结果较 为接 近 , 试验值 略高于理论值 , 说 明理论计算有一定 的 安 全储 备 较 为保 守安 全 关键词 : 预应力碳纤维布 : 加 固技术 ; 抗弯承载力 Ab s t r a c t :B e c a u s e o f h a v i n g l i g h t we i g h t , h i g h s t r e n g t h , g o o d d u r a b i l i t y a n d o t h
3、e r c h a r a c t e r i s t i c s , p r e s t r e s s e d C F RP r e i n f o r c e me n t t e c h no l o g y ha s be c o me a ne w ki nd o f r ei n f o r c e me n t t e ch n o l o g yBa s e o n t h e t e s t ,t he me c ha n i c a l p r o pe r t i e s o f p r e s t r e s s e d C F RP c o n c r e t e
4、b e a ms a r e a n a l y z e d T h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a f o r n o r mal s e c t i o n fl e x u r a l c a p a c i t y o f t h e p r e s t r e s s e d CF RP c o n c r e t e b e a ms i s p u t f o r w a r d T h e t e s t r e s u l t s a r e g e n e r all y s l i g h t l y h i g h e r t
5、h a n t h e r e s u l t s g o t b y t h e c al c u l a t i o n f o rm u l a , wh i c h s h o w s t h a t t h e t h e o r y c a l c u l a t i o n v a l u e s a r e c o n s e r v a t i v e a n d h a v e t h e s e c u ri t y o f r e s e rve s Ke y wo r ds :Pr e s t r e s s ed CF RP;Re i n f o r c e me
6、n t t e c h no l o gy ;Fl e x ur a l c a pa c i t y 中图分类号 : T U 3 7 5 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 1 5 3 一 O 6 0前 言 粘贴碳纤维复合材料 ( C F R P ) 加 固法是利用树 脂类胶结材料将纤维织物粘贴 于需要加 固的构 件 表面 , 从 而达到提高结 构构件承载力 , 减少构件变 形 和限 制结 构裂 缝扩 展 的 目的 。该法 具有 施 工简便 迅 速 、 不 增加 结 构 自重 、 适 应 各 种结 构 外 形 、 不 影 响 结构
7、外 观、 能有效封闭裂缝 、 耐久性好 、 抗疲劳性能 佳等优点。多数金属的疲劳极限仅为其极限抗拉强 度 的 4 O 5 0 , 而碳纤维复合材料 ( C F R P ) 可达到 7 0 8 0 t “ 因而被 越来 越 多的 学者所 重 视 。 虽 然粘贴碳纤维复合材料 ( C F R P ) 加 固技术有 着 上述 诸 多 的优 点 但也 存 在着许 多技 术缺 陷 : ( 1 ) 由于 C F R P抗 拉 强 度很 高 , 而 钢 筋 、 混 凝 土 的抗拉强度较低 使得 C F R P在受拉钢筋屈服时发 挥 的强 度 不 到 2 O 。 因而 利 用 率 不 高 : 钢 筋 屈 服
8、后 其 高 强 性 能才 能得 到体 现 , 而 此 时构 件 挠 度 已经 很 大, 裂缝已相当严重 , 超过 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 凝土 结构设计规范 结构正常使用状态下的裂缝 、 挠度 范 围 。 ( 2 ) 对 构件 刚度 , 尤其 是早 期 刚度 提高 不大 。 ( 3 ) 无法有效抑制构件挠度变形和裂缝发展。 基金 项 目 : 国家 8 6 3计 划项 目( 2 0 0 9 A A 0 3 2 3 0 4 ) ; 四川 I 省支撑 计划项 目( 2 0 1 1 G Z 0 2 5 0 ) 。 ( 4 ) 由于胶粘剂粘结强度一定 , 当外加荷载增 加时 ,
9、 胶粘 剂剪 切变 形增 加 , 导致 C F R P与混 凝 土剥 离 , 出现粘 结破 坏 , C F R P强度 不 能充分 发挥 。 为 了更 充分 利 用碳 纤 维 布 的特 性 可 对碳 纤 维 布施加预应力 , 这样在加 固中可 以使碳纤维布更早 地发 挥作 用 , 从 而 大大 突 出其 高强 的特性 。 本 文在 试 验研 究 基础 上 , 进 一 步 进行 了理论 分 析 推 导 出 了预应 力 碳纤 维 布加 固钢 筋混 凝 土 梁抗 弯正截面承载力的计算公式 可为实际工程加固提 供理论依据。 1 基 本假 定 根据材料力学嘲 及钢筋混凝土基本原理问 中对 受 弯构 件
10、承载 力 分析 的基 本 假 定 ,以及 C E C S 1 4 6 : 2 0 0 3 ( 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 _7 l 中的相 关 规定 , 对碳 纤 维布 加 固钢 筋 混凝 土 梁 的正 截面承载力计算做 以下基本假定 : ( 1 ) 弯曲变形的平面假定 : 即变形前 原为平面 的受弯构件 的横截面 , 变形 后仍保持为平面 。 且仍 然垂 直 于变 形后 的构件 轴线 ,这是 受 弯构件 正 截 面 计算 的最基本假定 。 ( 2 ) 忽 略剪 切 变 形对 梁 变形 的影 响 。 由于 在 实 际过程 中 ,梁 的剪切 变 形对 梁 变 形有 一 定 的 贡献 。
11、 但 由于其影响较小, 为了简化计算 , 忽略不计 。 一 5 3 2 0 1 4年第 1 期 混凝土与水泥制品 第 2 1 3 期 ( 3 ) 假定混凝土 、 钢筋、 碳纤维布三者之间粘结 可靠 , 无相对滑移。 ( 4 ) 梁开裂后 , 忽 略梁受拉 区混凝 土的拉应力 作用 。由于梁开裂后受拉区混凝土逐渐退出工作 只有较小的拉应力存在 , 还存在的混凝 土拉应力值 与钢筋 、 碳纤维布的拉应力值相 比较小且难 以确定 的因素, 故计算时忽略。 ( 5 ) 忽略碳纤维布厚度对梁高的影响。由于碳 纤维布较薄, 可认为碳纤维布到梁顶部的距离等于 梁的高度 。 但在计算碳纤维布应力时不能忽略碳纤
12、 维布的厚度。 ( 6 ) 材料本构关系的基本假定 混凝土本构关 系 : 根据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混 凝土结构设计规范 嗍 的规定 , 取混凝土应力一 应变 曲线关系如图 1 所示。 图 l棍 凝 土 应 力一应 变 关 系 当 占 0 时 : = 一 当 占 时: = ( 2 ) 其中 : n = 2 一 亩 一 5 0 ) ( 3 ) 8 O =0 0 0 2 + 0 5 - 5 0 ) x l O ( 4 ) 占 = O 0 0 3 3 一 ( ,: 一 5 0 ) x 1 0 ( 5 ) 式 中 , 一 混凝 土压 应变 为 时 的混凝 土压应 力 ;
13、一 混凝土轴心抗压强度代表值 , 按式 ( 1 8 ) 取用 : 8 0 一 混凝土压应力刚好达到 时的混凝 土 压应变 , 当计算的 值小于 0 0 0 2时 , 取为 0 0 0 2 ; 一 正截面的混凝土极限压应变 , 当计算的 值大于 0 0 0 3 3时 , 取为 0 0 0 3 3 ; 础一混凝土立方体抗压强度标准值 ,按式 ( 2 1 ) i g 用 : r 一 系数,当计算的 r 值大于 2 0时,取为 2 0。 一 5 4 一 其 中 , 混凝土强度值 以实测的 、 保证率不低 于 9 5 的混凝土强度标准值作为混凝土强度计算 的代 表值。 钢筋本构关系:钢筋的应力一 应变曲
14、线采用 完 全 的弹塑性 模 型 , 如 图 2所示 。 图 2钢 筋 应 力一 应 变 关 系 当 时 : O s = 8 ( 6 ) 当 o 8 y 时 : o r = ( 7 ) 式中 , 一 钢筋 的屈服应力代表值 , 按式 ( 8 ) 和式 ( 9 ) 取 用 ; 一 钢 筋刚屈 服时 的钢筋 应变 : 最 一 钢筋弹性模量代表值。 其中 , 钢筋屈服强度以其三根钢筋的实测抗拉 屈服强度作为其强度计算代表值 , 即: H P B 2 3 5级钢筋 : 3 = 牛= 2 7 4 9 7 M P a ( 8 ) H R B 4 0 0级钢 筋 : 3 = 牛= 4 2 8 O 1 M P
15、 a ( 9 ) 碳纤维布本构关系:碳纤维布应力一 应变关 系采用完全弹性模型 如图 3所示。 图 3 碳纤维布应力一 应变关系 当 8 ,f 时 : = e ,f ( 1 0 ) 式中, 一 碳纤维布的极限抗拉强度; 咖 一 碳 纤维 达 到极 限抗 拉 强度 时 的碳 纤 维 应变, 百f e tu 。 詹妮 , 苏有文 , 李超飞, 等 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯正截面承载力分析 2 预 应 力 碳 纤维 布 加 固梁 的抗 弯 正截 面承 载 力分 用 ( 梁 底受 压 , 梁 顶受 拉 ) , 如 图 5所示 。 析 2 1 预应 力施 加 阶段 的应力 分析 预 应 力碳
16、纤 维 布 加 固 钢 筋 混 凝 土 梁 的基 本 原 理 是 先对 碳 纤维 布 施 加一 定 的 预加 应 力 , 再 粘 贴 于 梁 的 受拉 区 , 待 有 效锚 固后剪 断 碳 纤 维 布 。 由于 预 应 力 的 存在 , 碳 纤 维 布收 缩 对梁 底 受拉 区可 产 生 一 定的压应力 , 对梁顶受压区产生一定 的拉应力。在 梁 加 载 时 , 荷 载 对 梁 底 混 凝 土 产 生 拉 应 力 , 对 梁 顶 混凝土产生压应 力。荷载持续增加 , 当荷载对梁底 混 凝 土 产 生 的拉 应 力 刚好 等 于碳 纤 维 布对 梁底 混 凝 土 产生 的压应 力时 , 梁 底
17、混凝 土 应力 为零 。此过 程 称 为消压 阶段 9 1 。此 后 。 预 应力 加 固 的钢 筋混 凝 土 梁受力模式与普通碳纤维布加 固钢筋混凝 土梁 的 受 力模 式相 同。预应力 碳纤 维 布加 固 的承载 力 比普 通 碳 纤 维 布加 固 的承 载力 的提 高 值 即 等 于 消压 阶 段的弯矩值 。 ( 1 ) 碳 纤 维 布预 应 力 : 在 预应 力施 加 阶段 , 可 以 通过直接或间接测量施加预应力值 的大小 得到施 加 的 预应力 对 梁底 混凝 土产 生 的压应 力值 。 对于外部 张拉的预应力施加方法 , 可以通过 测 力计 直接 测 量预应 力 大小 。 对于先
18、锚后张预应力施加方法 可以同计算 张拉端 紧固螺栓的紧同量间接计算预应力大小 。 对于反拱预应力施加方法 , 可通过测量反拱 挠度 , 按近似圆弧的方法计算碳纤维布的应变 占 。 , 从 而得 到预 应 力大小 如 图 4所示 图 4反 拱 法 预 应 力 度 计 算 简 图 即 : 碳纤 维 布预 应力 O r e f ,o : o ( 1 1 ) 式 中 , 。 一 碳 纤 维 布 的应 变 ,反 拱法 可按 图 4近 似圆弧求得 : E 碳 纤 维布 弹性模 量 。 根据文献 1 0 1 综合考虑碳纤维布预应 力施加过 程 中 的各 项 预 应 力 损 失 ,总 量 约 为控 制 预 应
19、 力 的 1 0 。 即碳 纤 维 布 实 际预 应 力 取 上 述 计算 值 的 0 9 倍 。 ( 2 ) 钢筋 与混 凝 土应 力 、 应 变 碳纤 维布施 加的预应力对梁底混凝土与 钢筋 的影响等 同于偏心受压构件 : 包括预应力沿梁中性 轴 产 生 一 个 轴 心 受 压 应 力 与 一 个 偏 心 距 对 梁 的作 l 4 0 碳纤维布 图 5琐应 力施 加 时混 凝 土 、 钢 筋 与 中 性 轴 位 置关 系 简 图 根据力的平衡关系有 : = 等+ 半 = +半 ( 12 ) A o Jo 、 式 中 , O r 。 一 梁底 部 混凝土 压应 力 ; ,。 一碳纤维布预应力
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