复合内嵌碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁承载力分析.pdf

2012年第5期玻璃钢／复合材料33复合内嵌碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁承载力分析任振华1’孙，曾宪桃1，周丰峻3(1．湖南工程学院建筑工程学院，湖南湘潭411104；2．河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；3．总参工程兵科研四所，北京100850)摘要：用碳纤维筋和预应力螺旋肋钢筋共同嵌入到混凝土梁受拉区保护层中对混凝土梁进行加固，能更有效地改善混凝土梁的受力性能。为更有效地分析复合内嵌碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁的破坏形态、极限状态及正截面承载力，通过对预应力状态下梁各阶段受力情况分析、承载力计算及界限状态的判别，提出了加固混凝土梁对应不同破坏形态下承载力的计算公式。为验证所得分析结论的合理性和可靠性及计算公式的准确性，对7根碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固的混凝土梁进行弯曲试验，结果表明，被加固梁的破坏形态、极限状态分析是合理的，所提出的计算公式能准确计算加固梁抗弯承栽能力。关键词：复合内嵌；碳纤维筋；预应力螺旋肋钢筋；加固；混凝土梁；承载力中图分类号：TB332；TU375．1文献标识码：A文章编号：1003—0999(2012)05—0033—05用胶粘剂将碳纤维筋、预应力螺旋肋钢筋嵌入到混凝土梁拉区混凝土保护层中，能显著提高梁的承载能力¨。J。梁体系中包括混凝土、受拉钢筋、碳纤维筋、螺旋肋钢筋、胶粘剂等材料。加固梁承载力的大小与复合加固梁中各材料要素的破坏模式息息相关。界面的破坏又涉及胶粘剂、混凝土及碳纤维筋和预应力螺旋肋钢筋四个界面。粘接失效破坏的部位不同，对CFRP(Carbonfiberreinforcedplastic)筋及螺旋肋钢筋断面上总内力的计算方法不同。8J。本文从试验结果出发，全面分析了采用碳纤维筋和预应力螺旋肋钢筋加固的混凝土梁的破坏形态、受弯承载力和设计方法，并给出了相关计算公式。1受力分析及承载力计算1．1受力分析当螺旋肋钢筋张拉到预定预应力值，还未内嵌到梁内时，假设此时扳手施加给螺旋肋钢筋的力(即测力计所示的力，螺旋肋钢筋的预加力)Ⅳ为，此时梁与螺旋肋钢筋的位置关系如图1所示。假设被加固梁在受力以前螺旋肋钢筋的预张拉应变为s加，螺旋肋钢筋所受拉力为：N=E^A^s加(1)式中，A。为螺旋肋钢筋的横截面积；E。为螺旋肋钢筋弹性模量。图1张拉体系受力图Fig．1Forcediagramofthebeam图2截面换算与梁张拉时的受力图Fig．2Transformedsectionandfbrcediagramofthebeam如图2所示，在混凝土梁受拉区保护层中开槽，在槽中嵌入非预应力碳纤维筋A，，和预应力螺旋肋钢筋A。。其步骤为先在梁底开槽，将处于张拉状态的螺旋肋钢筋放入槽中，并用特定树脂将槽道充填，待树脂固化后，放松张拉锚具，同时在余下的空槽中嵌入非预应力碳纤维筋，用同样的树脂对槽道进行充填。考虑各种损失后，螺旋肋钢筋内的实际张力记Ⅳ为，。梁放张时截面的受力如图2(C)所示，则张拉结束放张螺旋肋钢筋后，螺旋肋钢筋的总拉力可表收稿日期：2011-11．10基金项目：湖南省教育厅优秀青年项目(118033)；中国工程院咨询项目(116001)；湖南省科技计划项目(2010GK3198)作者简介：任振华(1981．)，女，讲师，博士，主要从事建筑结构评估及维修加固工作。FRP／CM2012．No．534复合内嵌碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁承载力分析2012年9月刀i为：N1=E^A^占^=A^盯^1(2)式中，s。为螺旋肋钢筋的总应变；盯。，为考虑各种预应力损失后，螺旋肋钢筋中的总应力。设梁的截面及配筋如图2(a)所示，则可根据钢筋与外围混凝土应变相同的条件，将钢筋混凝土材料的截面换算成单一混凝土材料的截面，如图2(b)所示，其中dE为钢筋的弹性模量E；与混凝土的弹性模量E。之比，a：为螺旋肋钢筋弹性模量B与混凝土的弹性模量E。之比，a名为碳纤维筋弹性模量E。，与混凝土弹性模量E。之比。则由偏心受压构件计算理论可得混凝土受拉边缘(图2中为下边缘)的应力为：％=警+N石1(3)盯c・21■+石oj，式中，盯。，为螺旋肋钢筋放张时梁下边缘的应力；e为螺旋肋钢筋中心到换算截面形心轴的距离；Y。为换算截面形心轴距梁截面下边缘的距离，Y。=e+危。／2。此时，梁下边缘混凝土的应变为：8。，=o-。。／E，，梁上边缘混凝土受到的拉应力为：矿以：坐掣立(4)矿c22————F—一L斗，若盯以>，(混凝土抗拉强度)，上边缘有可能开裂。当梁在外荷载作用下，使其下边缘混凝土建立起来的预压应力or。，正好与外荷载产生的拉力相等时，叫消压状态。此时，弯矩峨可由盯。。：萼丛，得：Mo：_O\'c110：盯。。砜(5)式中，砜为内嵌螺旋肋钢筋钢筋混凝土梁换算截面弹性抵抗矩，眠=-o；Yo为梁底部混凝土纤维至中性轴的距离。故在消压状态时，螺旋肋钢筋中的应力为：％咆睁警】㈤此时，下边缘混凝土中的压应力为零，碳纤维筋中的压应力为：嘶叫[等+筹一警】㈩盯讥-钏z【1■+石一百J…J随着外荷载的继续加大，换算截面中性轴和拉压混凝土的弹性模量会发生改变。当拉区混凝土应力达到rZ∽。o时，混凝土出现裂缝，此时外荷弯矩即ji攀螺攀麟：l凄熬．蕊运攀|为开裂弯矩M。可表示为：Mc，=Mo+r^取(8)式中，r。为截面抵抗弯矩塑性系数，按《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)口¨123取用；厶为混凝土抗拉强度标准值。1．2承载力计算1．2．1屈服弯矩的计算峨I^lh4r譬图3补强梁屈服时应力・应变关系Fig．3Stress・strainrelationofbeamatbending补强后的混凝土梁钢筋屈服时，即认为达到了屈服阶段，组合加固梁截面应力一应变关系如图3所示，由图可得：吼2点B(9)因为：占^28cf所以：以叫=寰旷警s。(10)式中，s。为混凝土的压应变；s地为由消压状态到钢筋屈服阶段螺旋肋钢筋的应变增量；占。忍为由消压状态到钢筋屈服阶段碳纤维筋的应变增量。此时，螺旋肋筋的总应变为：s^3=s^1+s^2(11)CFRP筋的总应变为：,8cf3=s啦+占印l(12)其中，Shl=嚣啊=毒嘶=半=Ecf8旷警2面_占护12百盯妒，2—F2也印t一1_占妒=；竽盯柚=E。・s躬盯c，=Ec，・占c，受拉混凝土合力C可由积分求得阳1：C=f，bxn意(卜砉)㈣，Sn＼jSn，式中，s。=0．002为f所对应的峰值应变乒为混凝土抗压强度。合力作用点至截面上边缘的距离为：y。：芸华石。(14)yc2丁刁n(14’2012年第5期玻璃钢／复合材料35由力的平衡关系得：C=t+M+妒一r(15)即：胁意(1一砉)卅s+O\'h3Am≯c，叫A：(16)通过式(16)可求得戈。，再将z。回代入式(14)可得Y。，则加固梁的屈服弯矩可由下式求得：My=LA。(ho—Y。)+盯^3A^(h^一Y。)+盯。，4。，(hc厂一Y。)+≯盯：(y“。一：)(17)1．2．2极限承载力的计算(1)‘”“界限情况5]被加固梁的螺旋肋钢筋和CFRP筋均被拉断，受压区混凝土破坏同时发生。此时，压区混凝土压应变达到其极限压应变s。，钢筋的应变s：大于屈服应变s，，螺旋肋钢筋和CFRP筋均达到其允许拉应变([吼]，[8。，])，设螺旋肋钢筋(CFRP筋)由消压状态到此时的应变增加量为s。。(占如)，则有：s。m=[占吼]一占删(sh=[占^]一s矗I)(18)此时，被加固梁的应力、应变关系如图4所示，由图可得：‰=ixb=半=孙=鲁：学：0．8占。。．h一咒n气+再_咖式中，孝柚(亭加)为当发生临界破坏时混凝土相对受压区高度，这里取受压高度与梁高的比值。旨她}(l-一F=石t锄)．tN=EnAae&}E，aj￡：j图4临界状态应力一应变关系Fig．4Therelationatcriticalstateofstress・strain由图4可知，当亭<孝¨(亭。硒)时，发生破坏模式⑤，即当受拉钢筋屈服时，螺旋肋钢筋(CFRP筋)达到极限拉应变，而混凝土未破坏；当孝>f舶(‰)时，④发生破坏模式，即当受拉钢筋屈服时，压区混凝土破坏而螺旋肋筋(CFRP筋)未达到极限拉应变。(2)内嵌CFRP筋一预应力螺旋肋钢筋混凝土梁极限承载力分析当f<孝胁(亭帕)时(主筋屈服后螺旋肋钢筋(CFRP筋)拉断破坏)由图4结合图3可知：z；。==fhh㈣戈^-x．)、z；一。c∥i，(2—0一)占c2lsh(咖)t)此时，螺旋肋钢筋的总应变达到[占。]，CFRP筋的总应变达到[s。，]，故螺旋肋钢筋和碳纤维筋的总拉力为：N2=E^A^[占^]+E盯A。r[占c，](21)根据混凝土应变的不同，受压区混凝土的合力C需积分求得。当亭<手胁(亭。历)≤且当占。岛时，压区混凝土的合力c按式(13)求得，Y。由式(14)求得，力的平衡关系有：fcbx。毒(卜蠡)_f,a。+Nz可4：(22)得到C，Yc，聋。后，可得极限弯矩为：M。=工A，(ho—Y。)+E^A^[s^](h^-y。)+E一巧[sc，](h∥一Y。)+盯：A：(y。一o：)(23)当亭<鼠(‰)且当勖f硒(如)时，受拉钢筋屈服后，压区混凝土破坏而螺旋肋钢筋和CFRP筋未屈服。此时，压区混凝土的合力由等效矩形应力图求得，如图2所示。假设此时螺旋肋钢筋(CFRP筋)的应变比消压状态时增加了占。(s。，)，由图3可知：戈0．8x。0．8e。。矗^Ecu+最占。(s矿)+元_了五：五占n(s矿)(28)g斛=占尬+s靠1s∞=占巧+s讲l(29)鹄=E^Ahs斛+E≯扩妒(30)嗣隧yCM20重2．No．5瓮慨36复合内嵌碳纤维筋预应力螺旋肋钢筋加固混凝土梁承栽力分析2012年9月fcbx=‘A，+E^A^占^4+层c，AE芦护一(r4：(31)2试件设计及试验结果对比分析表1系列加固梁试验结果TablelTestresultsofthebeams…篙脓Ny／黼kN焉／kN‰载丽若需筹M\'．IM_燃……叠业坩昔一l基0F啊fIFl^糙ir”1。|Iv0／峨帆试验值蛾计算值心。提高率／％…～1。5“cB309311038．5028．061．37／弯曲破坏，砼被压坏BF\'2PI-3045180297103．95113．360．92170砼被压坏，筋未断，弯曲破坏BF2PI-4560200301105．35118．510．89173．602根CFRP筋断，砼被压坏弯曲破坏BF2PI-6070220293102．55103．260．99166．40砼被压坏，筋未断，弯曲破坏BFIP2-305612320973．1578．150．9490砼被压坏，筋未断，弯曲破坏BFIP2-456514020270．7076．430．9383．60砼被压坏，筋未断，弯曲破坏BFIP2-607016019066．5076．i00．8772．70砼局部剥离，筋未断，弯曲破坏利用本文提出的计算公式，对作者试验的7根内嵌CFRP筋一预应力螺旋肋钢筋的混凝土梁进行了对比计算，其计算结果与试验结果如表1所示。本试验中没有出现超筋破坏，主要为钢筋屈服后，发生的弯曲破坏。共设计了7根钢筋混凝土梁，混凝土的强度等级为C30，截面尺寸为150×300×2400mm，计算跨度L=2100ram，梁底部受拉纵筋选用2咖14；架立筋选用24,8；布置鄙@150和邸@100的箍筋进行抗剪；采用的CFRP筋及HRB的长度均为2400mm，直径均为7mm。梁的截面及配筋情况如图5所示。9险型-j———————————_一函翼曩嚣习墅氨照囊豢；i!牵嘲嗵』必图5梁截面及配筋图Fig．5Beamsectionandreinforcement7根试验梁中，1根对比梁(CB)，6根加固梁，其中3根编号为BF2P1(内嵌1根预应力螺旋肋钢筋，2根碳纤维筋)，对HRB施加预应力水平为其极限强度的30％、45％、60％；3根编号为BFIP2(内嵌2根预应力螺旋肋钢筋，1根碳纤维筋)，对HRB施加预应力水平为其极限强度的30％、45％、60％。由试验结果可知，施加预应力的加固梁与对比梁相比，可明显改善混凝土梁的破坏形态，提高试件在正常使用阶段的承载力和变形性能。并且施加合适的预应力可延迟裂缝的开裂，提高加固梁的刚度。3结论(1)本文所做的理论导出公式与试验结果对比，吻合程度较好，对后续的研究和工程计算有一定的参考价值；(2)对螺旋肋钢筋施加合适的预应力再与CFRP筋组合嵌入到混凝土梁中是一种有效的加固方法，预应力的作用改善了混凝土梁的工作性能，提高了其极限承载能力；(3)由试验分析的结果可知，施加合适的预应力水平对加固梁的加固效果为最佳。参考文献[1]曾宪桃，段敬民，丁亚红．内嵌预应力碳纤维增强塑料筋混凝土梁正截面承载力计算[J]．工程力学，2006，23(增刊2)：112．116．[2]曾宪桃，任振华，赵晋，丁亚红．表层内嵌桁架螺旋肋筋加固混凝土梁抗弯试验研究[J]．土木工程学报，2010，43(1)：64-69．[3]王兴国等．预应力CFRP片材加固Rc梁荷载一挠度分析[J]．玻璃钢／复合材料，2010，3：7-11．[4]王兴国等．预应力cFRP板加固混凝土桥梁研究与应用[J]．玻璃钢／复合材料，2009，4：83-85．[5]丁亚红。任振华等．外贴玻璃钢板加固混凝土梁弯曲试验研究战避丑N庠妒≈竹魏2012年第5期玻璃钢／复合材料37[J]．玻璃钢／复合材料，2010，2：66-70．[6]姚谏，朱晓旭，周延阳．混凝土表层嵌贴CFRP板条的粘结承载力[J]．浙江大学学报：工学版，2008，42(1)：34-38．[7]RenZhenhua，ZengXiantao．Quasi-plane—hypothesisofstraincoordi-nationforRCbeamstrengthenedwithextemal-bondedornear—sur—facemountedcarbonfiberreinforcedplasticstrip『J]．AdvancedMa—terialsResearch，2011，(255-260)：54-58．[8]任振华．内嵌CF曲筋一预应力螺旋肋钢筋复合加固混凝土梁抗弯试验研究[D]．河南：河南理工大学，2009．[9]飞渭，江世永，彭飞飞，陈正平，李庆枫，陈龙．预应力碳纤维布加固混凝土受弯构件正截面承载力分析[J]．四川建筑科学研究，2003，29(3)：42_45．[10]腾智明．钢筋混凝土基本构件[M]．北京：清华大学出版社，2001．[11]GB50010-2002，混凝土结构设计规范[s]．[12]CECSl46：2003，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[s]．[13]王天稳，尹志强．FRP筋NSM加固混凝土构件二次受力时抗弯承载力计算方法[J]．武汉大学学报(工学版)，2005，38(4)：55_58．[14]彭晖，尚守平，刘兴彦．预应力碳纤维片材张放后端部粘结应力分析[J]．交通科学与工程，2009，25(2)：66-70．[15]HakanNordin，SjomTaljsten．Concretebeamsstrengthenedwithpre—stressednearsurfacemountedCFPR[J]．JournalofCompos—itesforConstruction，2006，10(1)：60-68．ANALYSISFORBENDlNGCAPAClTYo重1RElloRCEDCoNCRETEBEAMSMULTⅡ’LESTRENGTHENEDWITHNEAR．SURFACEMoUNTEDCARBoNFIBERREINFORCEDPLASTICBARANDPRE．STRESSEDHELICALRIBBARRENZhen-hual“，，ZENGXian—ta01，ZHOUFeng-jun3(1．SchoolofBuildingEngineeringofHunanInstituteofEngineering，Xiangtan411104，China；2．KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；3．ThefourthEngineerScientificResearchInstituteoftheHeadquartersoftheGeneralStaff，Beijin9100850，China)Abstract：RCbeamscanbestrengthenedwithCarbonFiberReinforcedPlastic(CFRP)andpre—stressedHeli-calRibBar(HRB)thatareinsertedintotheconcretecoveroftensileregionintheconcretebeams，whichcanef-fectivelyimproveforceperformanceofthebeams．Inordertoanalyzethefailureform，ultimatestateandnormalsectionbearingcapacityofRCbeamscompositesstrengthenedwithnear-surfacemountedcarbonfiberreinforcedplasticbarandpre—stressedhelicalribbar，thebearingcapacityequationofstrengthenedbeamscorrespondingtodifferentfailuremodeswassuppliedbyanalyzingforceineachstageofbeamsinpre—stressstate，bearingcapacitycalculatingandlimitstate．Inordertoinspectandverifytherationalityandthereliabilityoftheconclusionsandtheveracityoftheequation，theflexuralexperimentalstudiesweretestedonsevenconcretebeamsstrengthenedwithnear・surfacemountedcarbonfiberreinforcedplasticbarandpre-stressedhelicalribbar．Theresultsindicatethatthefailuremodesandlimitstateofstrengthenedbeamsarereasonable，theequationcanveraciouslycalculatethebendcapacityofstrengthenedbeams．Keywords：multiplynear・surfacemounted；carbonfiberreinforcedplastic；pre—stressedhelicalribrebar；strengthened；concretebeam；flexuralcapacityFRPI／CM2012,No．5