外贴碳纤维片材加固混凝土梁的延性分析.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 4 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．6 N o v ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 6 0 7 1 2 - 0 5 外贴碳纤维片材加固混凝土梁的延性分析 殷惠光1 ，李秉南2 1 ．徐州工程学院土木系，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．东南大学建筑设计研究院，江苏南京2 1 0 0 9 6 摘要碳纤维片材 C F R P 具有轻质、高强度、耐腐蚀等性能，外贴碳纤维片材正成为一项越来越 具有吸引力的混凝土结构加固技术．基于混凝土结构设计规范中抗弯设计计算的基本原理，提出 了外贴碳纤维片材加固混凝土梁截面延性的计算方法，并讨论了其影响因素．结果表明，C F R P 用量及其滞后应变是影响梁加固后延性的主要因素，加固梁的破坏类型不同，C F R P 用量对延性 的影响也不同． 关键词碳纤维片材；加固；延性；滞后应变 中图分类号T U3 7 7 ．9 ；T u3 1 1 ．4文献标识码A D u c t i l i t yA n a l y s i so fC o n c r e t eB e a mS t r e n g t h e n e db yE x t e r n a l l y B o n d i n gC a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP o l y m e r Y I NH u i g u a n 9 1 ，L IB i n g n a n 2 i ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g ，X u z h o uE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．A r c h i t e c t u r a lD e s i g n ＆R e s e a r c hI n s t i t u t e ，S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，C h i n a A b s t r a c t C a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP o l y m e r C F R P p o s s e s s e sm a n yg o o dp e r f o r m a n c e ss u c ha s l i g h t n e s si nw e i g h t ，h i g hs t r e n g t ha n dh i g hc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ．E x t e r n a l l yb o n d i n gC F R Pt ot h e c o n c r e t es t r u c t u r e si sb e c o m i n ga na t t r a c t i v et e c h n o l o g y ．B a s e do nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo f f l e x u r a ld e s i g nc a l c u l a t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r e ，ac a l c u l a t i o nm e t h o do fc r o s ss e c t i o nd u c t i l i t yo f c o n c r e t eb e a ms t r e n g t h e n e db yC F R Pw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ni tw e r e d i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a n t i t yo fC F R Pa n di t sl a g g e ds t r a i na r et h em o s ti m p o r t a n t f a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed u c t i l i t y ．T h ei n f l u e n c eo ft h eq u a n t i t yo fC F R Po nt h ed u c t i l i t yv a r i e sw i t h f a i l u r et y p e so ft h es t r e n g t h e n e db e a m ． K e yw o r d s C F R P ；s t r e n g t h e n i n g ；d u c t i l i t y ；l a g g e ds t r a i n 外贴碳纤维片材 C F R P 加固混凝土结构是 一种新型的结构加固方法，它是利用树脂类胶结材 料将碳纤维片材黏结于混凝土表面，达到对构件补 强加固的目的．研究表明，外贴C F R P 可以明显提 高混凝土梁的承载能力和刚度[ 1 ’2 ] ，使结构依靠弹 性后的变形来吸收和耗散能量．而加固构件的延性 是其抗震性能的一个重要指标，因此，加固构件的 截面延性是加固设计计算的一项重要内容．本文旨 在提出外贴C F R P 加固混凝土梁截面延性的精确 计算方法，并讨论其影响因素，为工程实践提供理 论指导． 1C F R P 加固梁的破坏类型 根据实验，C F R P 加固后梁的弯曲破坏类型主 要有4 种口‘4 ] 1 受拉钢筋先达到屈服，然后受压区混凝土 被压坏，此时C F R P 未达到其允许拉应变[ e c f ] ； 2 受拉钢筋先达到屈服，然后C F R P 超过其 收稿日期2 0 0 4 0 4 1 6 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 8 0 1 5 作者简介殷惠光 1 9 6 1 一 ，男，江苏省徐州市人，徐州工程学院剐教授，工学硕士，从事建筑结构方面的研究 万方数据 第6 期殷惠光等外贴碳纤维片材加固混凝土梁的延性分析7 1 3 允许拉应变[ ￡c f ] ，并达到极限拉应变而拉断，而此 时受压区混凝土尚未压坏； 3 加固量过大，在受拉钢筋达到屈服前受压 区混凝土压坏； 4 在达到正截面承载力前，C F R P 与混凝土 产生剥离破坏． 后两种破坏带有明显的脆性，应通过控制加固 量和黏结及锚固措施加以避免．受弯加固按前两种 破坏形态进行设计．截面延性分析时，只对前两种 的破坏进行分析． 结构工程中的截面延性一般是指在超越弹性 极限后，截面承载能力无明显变化情况下的耐受变 形的能力．令对应于极限强度M 。的曲率为极限曲 率九，对应于弹性极限M ，的曲率为j 6 y ，以p g o ／g , 作为延性指标来衡量外贴C F R P 加固后混凝土梁 的截面延性． 2 延性分析 2 ．1 基本假定 1 平面假定．梁受弯后，截面混凝土、钢筋及 C F R P 应变分布符合平面假定． 2 碳纤维片材应力应变关系．C F R P 应力砧 一E 。f e c f ，且达到承载能力极限状态时，碳纤维片材 的拉应变不超过碳纤维片材的允许拉应变． 3 混凝土应力应变关系．受压区混凝土采用 现行规范建议模型睛引．受拉区混凝土不参加工作． 4 钢筋应力应变关系．钢筋假定为理想弹塑 性体． 5 一般外贴的C F R P 较薄，认为C F R P 中心 离梁顶的距离与梁高相等，即h 。t ． 6 加固碳纤维片材的理想黏结假定．即达到 受弯承载力极限状态前，碳纤维片与混凝土之间不 发生黏结剥离破坏． 2 ．2C F R P 的滞后应变 外贴C F R P 加固混凝土构件截面延性计算一 般需要考虑二次受力，所以首先要计算C F R P 的滞 后应变E c t o 。具体计算方法可以参照文献L 5 ] 的相关 内容，在此不予赘述． 2 ．3 屈服曲率的计算 当受拉钢筋屈服时，令受压翼缘混凝土的压应 变为e c ，根据平面假定￡c 罕e y ．假设c c 小于e 。． K 此时截面受力如图1 所示． 图1 中e c f 0 为C F R P 的滞后应变．其中 受压区混凝土的压力F 。为 吖 图1 钢筋屈服且岛小于￡o 时截面受力 F i g ．1 T h ei n t e r n a lf o r c ew h i l et h et e n s i l es t e e l b a r sy i e l d i n ga n d 岛l e s st h a nE o F e b J “ 0 卜舢b [ 一 一志 n o g O 2 ] d z L - ＼L l 一冠／J 丘施。詈半[ ，一旦3 e o 字] ．㈩ 受压钢筋的压力R 为 R ≈∥。E s ￡c 孚以’。尸，． 2 受拉钢筋的拉力F s t 为 F s t A 。 ． 3 C F R P 的拉力F c f 为 F c r E c ，A d [ 生二半勺一岛幻] ． 4 由F c 凡一F 。。 F c f 可以求出k 值． 此时尚需根据k 来确定受压翼缘混凝土应变 是否达到￡0 ．对不同种类钢筋，令受压翼缘混凝土 应变是否达到e 。时k 值为k “，则k bi ．L ． 若k 值大于k e ，说明受压翼缘混凝土压应变e c 小于e o ，则屈服曲率屯一彘． 若k 值小于k “，说明受压翼缘 昆凝土压应变￡c 大于e 。，需按下面的方法计算屈服曲率．将压区混 凝土的压力F 。分为两部分计算，h 。部分混凝土压 应变大于i f 0 ；h 。部分混凝土的压应变小于e 。．截面 受力如图2 所示．其中 图2 钢筋屈服且￡c 大于c o 时截面受力 F i g ．2T h ei n t e r n a lf o r c ew h i l et h et e n s i l es t e e l b a r sy i e l d i n ga n d 岛l a r g e rt h a n6 0 z 一。， ， 。一忌 。一 。一 。 ] - - k - - 勺t Z ．_ 9 _ o 五 ， h ，部分受压混凝土压力疋。为 F c l 工6 1 一正‰ ] - - k - - i e o 。愚 ， 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 h 部分受压混凝土压力F c 。为 F e z b f h 0 2 [ ，一 ，一意 2 ] d z 一号 她c 等f 。b k h 。． 受压区混凝土的压力F c 为 F 。 F c l F c 。 L b 。 1 “一蠡志 ． 5 受压钢筋的压力F 。为 F 。一A s 尸，． 6 受拉钢筋的拉力F s t 按式 3 计算；C F R P 的拉 力F 。f 按式 4 计算． 由F 。 F 。一F s t F c f 求出k 值后，屈服曲率丸 豆 M o ‘ 2 ．4 极限曲率的计算 极限曲率应根据 1 、 2 两种破坏类型，分别 计算．首先假定发生第 1 类破坏．此时截面受力如 图3 所示．其中 图3 发生第 1 类破坏时截面受力 F i g ．3T h ei n t e r n a lf o r c eu n d e rt h ef i r s tf a i l u r e 受压区混凝土的压力R 为 F 。一／。b x ． 7 受压钢筋的压力凡按式 6 计算；受拉钢筋的 拉力凡按式 3 计算． C F R P 的拉力F 。f 为 F 。f E a A 。f f 幽鱼一e c f 0 1 ． 8 由F 。 F 。一F 。 F 。f 可以求出z 值． 看．2 7 大于￡f b ￡f b 为C F R P 达到兵允许拉应 变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高 度 ，取色佑 ≤‰，则极限曲率九 坠笋． 若z 小于￡f b h ，将发生第 2 种破坏，只需将屈 服曲率计算公式中s v 用再了R F n o 丽瓦 [ 钳] 岛t 。 替 换，求出k 值后，极限曲率丸一再L 彳e a F ．J 面C a 瓦o ． 3 影响因素分析 一般来说，影响外贴C F R P 加固混凝土梁的截 面延性的因素很多，如配筋率、混凝土材料强度、 C F R P 用量和C F R P 滞后应变等[ 7 ] ．但对于具体加 固结构而言，在进行截面延性设计时，其配筋率、混 凝土材料强度已经确定，设计者仅可以通过调整 C F R P 用量和C F R P 滞后应变来改变截面的延性 指标．因此本文仅讨论C F R P 用量和C F R P 滞后应 变对加固构件延性的影响． 下面取文献[ 8 ] 的实验梁为算例来说明这两者 的影响．梁截面为宽1 5 0m m ，高3 0 0m m 的矩形截 面．纯弯曲段不配箍筋，其余箍筋为声6 8 0 ．A 。一 3 0 8m m 2 ，A ts 一5 7m m 2 ，h o 2 7 0m m ，a t , 3 0m m ， 3 7 4M P a ，E 。一2 0 0G P a ．混凝土抗压强度工一 2 4 ．2M P a ，混凝土弹性模量E 。 3 9G P a ．碳纤维布 贴于梁底，宽1 4 0m m ，每层厚0 ．1 1 1m m ，长17 0 0 m m ，碳纤维布抗拉强度 r 35 5 0M P a ，碳纤维布 弹性模量E 。f _ 2 3 5G P a ． 3 ．1C F R P 用量的影响 本文计算了不贴C F R P 和C F R P 分别贴1 层 至5 层时该梁的延性，计算时不考虑二次受力，即 取C F R P 的滞后应变为0 ． 屈服曲率、极限曲率和延性系数的计算结果分 别如图4 a ，4 b ，4 c 所示． 图4C F R P 用量对加固构件延性的影响 F i g ．4 E f f e c to fd i f f e r e n tq u a n t i t yo fC F R Po nd u c t i l i t yo fr e i n f o r c e ds t r u c t u r e a 不同C F R P 用量时屈服曲率变化曲线； b 不同C F R P 用量时极限曲率变化曲线； c 不同C F R P 用量时延性系数变化曲线 从图4 a 可以看出C F R P 用量越大，梁的屈服曲率越大，呈线性变化．而图4 b 表明，随着C F R P 万方数据 第6 期殷惠光等外贴碳纤维片材加固混凝土梁的延性分析 7 1 5 用量越大，极限曲率却不一定增大．分析可知，若梁 发生第 2 类破坏，则C F R P 用量越大，极限曲率越 大，本例中可以提高7 ％以上；若梁发生第 1 类破 坏，则C F R P 用量越大，极限曲率将减小．图4 b 中 的极限曲率变化的分界点为界限破坏点，即C F R P 达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生的情况． 由于屈服曲率和极限曲率的上述变化趋势，致使本 例中被加固梁的延性系数先增大后减小 图4 c ， C F R P 达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生 的情况是其变化的分界点． 3 ．2C F R P 滞后应变的影响 被加固构件一般都存在二次受力问题，即外贴 的碳纤维片材存在滞后应变e 跏．本文取该梁贴3 层碳纤维布的情况进行计算分析．假定碳纤维片材 的滞后应变分别为0 ，0 ．0 0 05 ，0 ．0 0 1 ，0 ．0 0 15 和 O ．0 0 2 ． 屈服曲率、极限曲率和延性系数的计算结果分 别如图5 a ，5 b ，5 c 所示． 图5C F R P 滞后应变对加固构件延性的影响 F i g ．5 E f f e c to fl a g g e ds t r a i no fC F R Po nd u c t i l i t yo fr e i n f o r c e ds t r u c t u r e a 不同C F R P 滞后应变时屈服曲率变化曲线； b 不同C F R P 滞后应变时极限曲率变化曲线； c 不同C F R P 滞后应变时延性系数变化曲线 从图5 a 可以看出，C F R P 的滞后应变越大，屈 服曲率越小，两者是线性关系．而图5 b 表明，C F R P 的滞后应变越大，极限曲率越大，两者也是线性关 系．相应地，C F R P 的滞后应变越大，延性系数线性 增加 图5 c ．所以若不考虑此滞后应变，在受弯延 性计算时，屈服曲率的计算值将偏大，极限曲率的 计算值将偏小，由此导致计算的延性系数偏小． 当滞后应变为0 ．0 0 2 时，梁的受拉钢筋的应变 位于屈服应变附近，可以取此滞后应变值分别考虑 不同的碳纤维布用量，分析滞后应变对延性计算结 果的最大影响程度．图6 为相应的计算结果．从图 中可以看出，碳纤维滞后应变对C F R P 加固的混 凝土梁的延性的计算有时会影响很大，本例中若不 考虑滞后应变，引起的延性系数的误差最大可达 图6C F R P 滞后应变对延性系数的影响 F i g ．6 E f f e c to fl a g g e ds t r a i no fC F R P o nd u c t i l i t yc o e f f i c i e n t 2 1 ％．因此，要精确计算其延性系数，必须考虑 C F R P 的滞后应变． 4 结论 上述计算方法是碳纤维加固混凝土构件受弯 延性的精确计算方法．计算的前提是保证碳纤维布 与混凝土之间不发生黏结破坏，设计时必须对碳纤 维的锚固长度进行验算．通过计算分析研究，得到 如下结论 。 1 C F R P 用量和其滞后应变是影响梁加固后 延性的主要因素；C F R P 用量越大，梁的屈服曲率 越大，呈线性变化． 2 若梁发生第 2 类破坏，则C F R P 用量越 大，极限曲率越大；若梁发生第 1 类破坏，则 C F R P 用量越大，极限曲率将减小． 3 C F R P 用量越大，加固梁从第 2 类破坏到 第 1 类破坏，延性系数先增大后减小，C F R P 达到 其允许拉应变与混凝土压坏同时发生的界限破坏 是其变化的分界点． 4 C F R P 的滞后应变越大，屈服曲率越小，两 者是线性关系；同样，C F R P 的滞后应变越大，极限 曲率越大，两者也是线性关系． 参考文献 [ 1 ] I - 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6 ． 责任编辑骆振福 中国矿业大学学报 2 0 0 4 年第4 期被E i 收录论文 论文题目 第一作者 综放采场J 型通风系统治理高瓦斯涌出的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王凯 不同水煤浆添加剂与煤之间的相互作用规律研究 分散剂用量对水煤浆流变特性的影响 Ⅳ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯邹立壮 硫脲氧化反应的热效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王舜 煤吸附水的微观机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯聂百胜 三维地质模型可视化中直接三维交互的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯曹代勇 人工冻结过程中温度场的试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王文顺 石油磺酸盐作为轻油、水和煤三元混合燃料分散剂的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯朱红 非矩形截面柱下混凝土板的冲切强度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯刘文照 基于M O D I S 数据的组分温度反演研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯宋小宁 露天矿分区过渡期间合理开拓运输系统选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯尚涛 钢一混凝土组合扁梁受力性能的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯石永久 基于C A N 总线的煤矿监测监控系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯徐钊 交通隧道火灾时车辆临界安全距离的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯顾正洪 非线性智能组合预测模型及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯曹永强 巷道火灾燃烧过程热动力与热阻力特性的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯傅培舫 二元气体等温吸附一解吸中气分的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯唐书恒 金属橡胶弹性迟滞回线的一种新的建模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯敖宏瑞 摘自E n g i n e e r i n gV i l l a g e2 万方数据