预应力FRP加固混凝土梁的变形性能研究.pdf
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1、第2 5 卷第3 期 2 0 0 8年 9月 华中科技大学学报( 城市科学版 ) J 0 f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo 1 25 NO 3 S e p 2 0 0 8 预应力 F RP加 固混凝土梁的变形性能研究 司马玉洲 ,朱宏平 ,张建文 2 ( 1 华中科技大学 a 土木工程与力学学院;b 控制结构湖北省重点实验室,湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ; 2 南阳理工学院 土木工程系 ;河南 南阳 4 7 3 0 0 4 ) 摘要 :结合试验 结果对预应力 F R P加 固混凝土梁 的变 形性 能进 行了理论研 究。推
2、导了考虑预应 力损 失的截 面屈服曲率、极限曲率和相应的屈服弯矩、极限弯矩表达式:计算了试件在不同预应力度、不同F R P补强率、 不同纵筋含钢率情况下的截面曲率延性系数 ,并进行了相关因素分析;简化M 曲线为两折线模型。分析 结果表明:预应力度、预应力 F R P补强率、纵向受拉钢筋配筋率P和纵向受压钢筋配筋率p 对截面曲率延性 都有影响,其中纵向受拉钢筋配筋率 P和纵向受压钢筋配筋率 P 对截面曲率延性影响较显著。推导的理论计 算公式和试验结果吻合较好。 关键词:预应力;F R P ;延性;屈服弯矩;极限弯矩 中图分类号:T U3 7 5 1 文章标识码:A 文章编号:1 6 7 2 7
3、0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 2 2 6 0 4 预应力 F R P 加 固混凝土梁可充分发挥材料 的高强度, 又能有效抑制构件裂缝和变形的发展 , 使其在混凝土结构工程加固领域 中得到广泛的研 究和应用【 1 2 】 。目前 ,国 内外主要对预应力 F R P 加 固混凝土梁 的抗弯、 抗剪承载力、预应力损失、 弯 曲疲劳性能、粘结滑移性能、 施工工艺、机具、 锚 固方式等方面进行 了研究,而针对其变形性能 方面 的研究很少 。文献【 3 7 】 提到:预应力 F R P 和非预应力 F R P 加固混凝土梁可显著提高其承 载力,减小变形,但延性 比非预应力 F R P加固
4、的 混凝土梁和普通钢筋混凝土梁低。延性是评估结 构抗震性能的一个重要指标。因此 ,有必要对预 应力 F R P加固混凝土梁的变形性能、 延性指标及 其影响因素进行深入研究,为工程抗震设计提供 参考 。 1 计算假定 对预应力 F R P 加固混凝土梁进行变形性能 研究采用如下假定: ( 1 )平截面假定。试验研 究表明:预应力 F R P加 固混凝土梁的截面变形符合平截面假定。 ( 2)混 凝 土 应 力 一 应 变 关 系 采 用G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计规范中的 曲线。 ( 3 )钢筋应力一 应变关系为理想的弹塑性模 型,不考虑应力强化。 ( 4 )F R
5、P应力一 应变关系为线弹性关系 。 ( 5 )不考虑混凝土的抗拉强度。 2 截面曲率及相应弯矩 2 1 屈服 曲率 和屈服弯矩 纵筋屈服时, 截面的应变和应力分布如图 1 。 ( a ) 应变分布 ( b ) 应力分布 图 1 纵筋 屈服 时截 面的应 力应变 由应变几何关系容易求得混凝土压区边缘应 变 和受压钢筋应变 。 为预应力 F R P从消 压弯矩状态到纵筋屈服时增加的应变 , 。 为考虑 收稿 日期 :2 0 0 8 04 2 0 作者简介:司马玉洲( 1 9 6 4 ) ,男,河南南阳人,副教授,博士研究生,研究方向为结构工程数值方法、混凝土结构 性能 ,s my z h 9 8
6、3 3 1 6 3 c o m。 0 一 第 3期 司马玉洲等:预应力 F R P加固混凝土梁的变形性能研究 2 2 7 预应力损失后消压弯矩状态 F 预应力 F R P 的应 变 , e f 为纵筋屈服时预应力 F R P的总应变 , , 。和 e f 2 的计算可参考文献【 3 】 ,E f 为预应力 F R P 的弹性模量 。图 1中,由力的平衡条件可得 去 + : 厂 v + E f 4 e ( 1 ) 当截面参数一定 ,由式 ( 1 )可计算出混凝 土受压区高度 ,再 由弯矩平衡条件求得 M M y=I 二E 。 易 ( 一 ) + f 一 a s ) + g f A fe f 口
7、( 2 ) 同时,可得屈服 曲率 ( 3 ) 2 2 极限曲率 和极限弯矩 构件端部锚固可靠时, 预应力 F R P加固混凝 土梁可能发生两种破坏情况。 当 P f 时,F R P未断 ,压区混凝土被压碎 ,称为 I I 型破坏 , 为 F R P界 限补强率 。其 中以 I型 破坏为主,不管是哪种破坏形式,纵向受拉钢筋 都达到了屈服强度 。 2 2 1 I 型破 坏 当预应力 F R P拉断, 压区混凝土未碎 的情况 下,截面的应变应力分布如图 2 。 Mu fy A s ( a ) 应 变 分 布 ( b ) 应 力 分 布 图 2 I 型破坏 时截面 的应力应变 为预应力 F R P从消
8、压弯矩状态到被拉 断时增加的应变, 为预应力 F R P 的极限拉应 变。由力的平衡条件得 要 易 + = , v + E f 4 e f ( 4 ) 同理,把截面参数代入,可求得 ,进而 由 弯矩平衡条件求得 M = 易 ( 20 一 言 ) + Es e A s ( ,z0 一 1 十 4 (5 ) 当 2 时,令 X c =2 a 。 , 此时混凝土受压 区合力作用点与纵 向受压钢筋合力点重合 ,截面 对该重合点取矩,可得 M = ( h 0 , ) 十 E f A f E , ( h a s ) ( 6 ) I 型破坏时截面的极 限曲率 为 = ( 7 ) 一 2 2 2 型 破 坏
9、当受压区边缘混凝土达到极限压应变时,截 面的应变和应力分布如图 3 。 , l -_ 电 ( a ) 厦 变 分 布 工 s 篷=I = 6 l yA s : s Er Af ( 凸 l S u) 蜃 f ( Sf l +of t u ) ( b ) 应力分布 ( C ) 等效应力计算 图3 I I 型破坏时截面的应力应变 为预应力 F R P从消压弯矩状态到混凝 土被压碎时增加的应变 。由力的平衡条件可得 十 , = L 4+ 辱 4( + ) ( 8 ) 把截面参数代入,可求得 X c ,进而 由弯矩平 衡条件求得 M = 譬 + ( , z0 一 n ) 十 ( + ) ( 9 ) 当
10、2 a 。 时, 令 =2 a 。 , 截面对受压区压 力重合点取矩,可得 = 4 ( 一 ) + 耳 4 (+ 辱 ) (|Iz一 ) ( 1 0 ) I I 型破坏时截面 的极限曲率 为 = ( 1 1 ) 3 试件 计算分析中采用了三组试件,截面如图 4 所 2 2 8 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) 2 0 0 8年 示 。东南大学【 8 J 、华东交通大学【9 】 、深圳市海川 实业股份有限公司博士后科研工作站 分别对 A 组、B组、C组预应力 F R P加固混凝土梁进行了 抗弯性能试验研究。截面计算参数如表 1 所示。 B组试件的预应力度不同,C组试件的 F R P 补强率不
11、同。表中 。为预应力 F R P的极限抗拉 强度;P e = A e t, h o 为预应力 F R P补强率; 为 预应力 F R P弹性模量与混凝土弹性模量比; 表 中 其他参数规定同 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计 规 范 。 匿 j 州i 1卜 + ( a ) A组试件 ( b ) B组试件 ( C ) C组试件 表 1 试件参数 图4 试件截面尺寸及配筋 mm 4 曲线 由上面推导的截面屈服 曲率 , 极限 曲率 和相应的屈服弯矩 M ,极限弯矩M 表达式计算 各试件的截面 曲率延性系数 ,如表 2 所示,并 绘 出 曲线,如图 5所示。表中M ,M 分
12、别表示屈服弯矩、极限弯矩计算值,M ,M 分 别表示屈服弯矩、极限弯矩试验值,计算值均不 超过试验值。由表 2可看出:极限弯矩计算值和 试验值吻合较好,而屈服弯矩计算值和试验值有 一 定误差。可能因为一方面试验 中屈服弯矩点的 测定不易准确定位, 另一方面 C组和 B组试件的 尺寸偏小,计算中没有考虑尺寸效应影 响,造成 试验值比计算值大。B组试件尺寸最小,误差最 大;A组试件尺寸最大( 易 h = 2 0 0 3 0 0 ) ,弯矩计 算值 M ,M 与试验值吻合最好。 表 2 各试件截面曲率延性系数 U o 及相应弯矩 C组试件除 F R P补强率不同外,其他参数均 相同。由表 2可看出,
13、随补强率增加,截面延性 略有下降,补强率对截面延性影响不显著 。补强 率对截面屈服弯矩、极限弯矩均有影响。随补强 率加大,截面的屈服弯矩、极限弯矩增大 ,其 中 极限弯矩提高幅度更大。C 1试件和 A 组试件相 比,预应力度 、预应力 F R P补强率、纵 向受压钢 筋配筋率接近 ,纵向受拉钢筋配筋率相差较大, 当纵向受拉钢筋配筋率 P增大时,截面延性明显 降低,纵向受拉钢筋配筋率 P对截面延性有显著 影 响 。 B组试件除预应力度不同外,其他截面计算 参数均相同。由计算结果可看出,随预应力度增 加 ,截面延性有所下降。由于试件破坏时,F RP 被拉断,F R P的强度得到了充分发挥 ,所 以
14、预应 力度对极限弯矩影响很小,但随预应力度提高, 第 3期 司马玉洲等:预应力 F R P加固混凝土梁的变形性能研究 2 2 9 试件的屈服弯矩增加。B 3试件和 A试件相 比, 预应力度接近,A试件纵向受拉钢筋配筋率 P、 预应力 F R P补强率都比 B 3试件低 ,但其截面延 性系数低于 B 3试件, 主要原因是 B 3试件 的纵向 受压钢筋配筋率比 A试件高。因此,当提高纵向 受压钢筋配筋率 P 时,截面延性会得到显著改 善 。 -5 2 t l O 。 mm o l O mm 1 0 。 5 mm ( a ) A 组试件 ( b ) B组试件 ( C ) C组试件 图 5 试件 的
15、曲线 图 6简化后 的 曲线 图 5中的 曲线表明: 纵 向受拉钢筋屈服 之前,预应力度、预应力 F R P补强率对试件 刚度 影响不明显;纵向受拉钢筋屈服后,随预应力度 、 预应力 F R P补强率增加,试件的刚度增加。预应 力度对试件刚度影响不明显, 预应力 H 补强率 在纵筋屈服后对试件刚度影响较显著。纵 向受拉 钢筋屈服后,试件 的刚度比屈服之前显著下 降。 简化后的F R P 加固混凝土梁的 曲线可用两折 线模型表示,如图 6所示,转折 点对应屈服弯矩 和屈服曲率。 5 结论 ( 1 )预应力 F R P加 固混凝土梁的截面延性 主要和 F R P补强率、预应力度、纵向受拉钢筋配 筋
16、率、纵向受压钢筋配筋率等 因素有关。其中, 纵 向受拉钢筋配筋率 P、 纵 向受压钢筋配筋率 P 对 F R P加固 混凝土 梁 的截 面延 性影 响显 著 。 ( 2 )增大纵 向受压钢筋配筋率 p ,减小纵 向受拉钢筋配筋率 p,降低预应力度或减小 F R P 补强率,可提高截面延性。 ( 3 )提出了预应力 F R P加 固混凝土梁截面 屈服 曲率、极限 曲率和相应 的屈服弯矩、极 限弯 矩计算公式,计算 结果与试验结果吻合较好,推 导的公式可为工程设计人员参考。 ( 4 )预应力 F R P加固混凝土梁 的 曲线 可简化为两折线模型。 参考文献 【 1 Wi g h t R G Gr
17、e e n M E r k i M AP r e s t r e s s e d F RP S h e e t s f o r P o s t S t r e n g t h e n i n g Re i n f o r c e d Co n c r e t e b e a ms J J o u rna l o f Co mp o s i t e s f o r Co n s tr u c ti o n , 2 0 0 1 , 5 ( 4 ) : 2 1 4 2 2 0 【 2 】 Bu r o n g Z h a n g , Br a h i m Be n mo k r a n e ,Ad
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