T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算第2卷第4期2005年8月鐵道科學(xué)與工程JOURNALOFRAINSCIENCEANDENGINEERINGVoI.2No.4Aug.2005T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算周朝陽,李毅卉.賀學(xué)軍(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙410075)摘要:討論了鋼筋混凝土粱表層嵌入(NsM)纖維增強(qiáng)材料(FT)抗彎加固后的破壞形態(tài),基于平截面假定

2、和規(guī)程推薦的材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系,分析了T形截面加固梁彎曲破壞時(shí)的各種極限狀態(tài),提出了相應(yīng)的極限承載力計(jì)算公式和界限破壞發(fā)生條件,其計(jì)算結(jié)果與作者及國外已有試驗(yàn)實(shí)測值吻合較好.關(guān)鍵詞:FRP;內(nèi)嵌;加固;鋼筋混凝土;抗彎承載力;破壞形態(tài)中圖分類號:TU398文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16727029(2005)04005004PredictionofflexuralcapacitiesforT-shapedRCbeamsstrengthenedwithNSMFRPreinforcementZHOUChaoyang,LIYihui,HEXuejun(SchoolofCivilEngineeringa

3、ndArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)Abstract:ThefailuremodesarediscussedforreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithReal一surfaeemountedfiberreinforcedplastics.TheultimatelimitstatesareanalyzedfortheTshapedbeamsfailinginflexure.Theexpressionsarederivedfortheirflexuralcapacitiesba

4、sedontheplanesectionsremainplainassumptionandthestressstrainrelationshiprecommendedinthestandard.Thepredictedresultsareingoodagreementwiththemeasuredonesfromtestsoftheauthorandotherinvestigatorsabroad.Keywords:fiberreinforcedplastics;nearsurfacemounted;strengthening;reinforcedconcrete;flexuralcapaci

5、ty;faj】UremodP相對于外貼纖維增強(qiáng)材料(FRP)加固技術(shù),表層嵌入式(NearSurfaceMounted.簡稱NSM,中文可與外貼對應(yīng)簡稱為內(nèi)嵌)加固方法是FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的一種新的應(yīng)用形式,施工時(shí)先在結(jié)構(gòu)表面開槽,再向槽中注入部分粘結(jié)材料,然后將條狀的FRP(筋或板)嵌入槽中,并注滿粘結(jié)材料使之形成整體,以此改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以達(dá)到加固修復(fù)的目的.近年來,內(nèi)嵌FRP加固法開始在國外得到研究與應(yīng)用.它不僅保留了外貼FRP片材加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)_】J,還能減少表面處理工作量,提高粘結(jié)和耐火,耐碾壓性能,因而可以更充分地利用FRP材料的強(qiáng)度,更有效地用于負(fù)彎矩區(qū)域加固.因此,該技術(shù)值

6、得大力研發(fā)和推廣.本文基于國外的文獻(xiàn)資料和作者的試驗(yàn)研究,對內(nèi)嵌FRP加固T形截面鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài),受彎承載力和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論,并給出有關(guān)計(jì)算公式.1破壞形態(tài)與計(jì)算假定內(nèi)嵌FRP加固鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)可分收稿日期:20050610基金項(xiàng)目:湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(05JJ30101)作者簡介:周朝陽(1964一),男,湖南衡陽人,中南大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,從事土木工程結(jié)構(gòu)研究第4期周朝陽,等:T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算51為三大類【,分別為粘結(jié)破壞,彎曲破壞和剪切破壞.若發(fā)生剪切破壞,說明彎曲破壞得以避免.粘結(jié)破壞是后續(xù)研究工作的重點(diǎn),將另文討論.本文僅

7、研究彎曲破壞.當(dāng)彎曲破壞以混凝土壓碎為標(biāo)志時(shí),FRP材料未拉斷,鋼筋可能屈服,也可能未屈服.鋼筋屈服和混凝土壓碎同時(shí)發(fā)生為其界限狀態(tài),記為界限破壞I.鋼筋屈服以后,構(gòu)件的最終破壞特征可能是混凝土壓碎,也可能是FRP拉斷,其界限情形是FRP拉斷和混凝土壓碎同時(shí)發(fā)生,記為界限破壞.下面先分析2類界限破壞,再討論其他3種可能的彎曲破壞形式:1)鋼筋屈服前混凝土壓碎;2)鋼筋屈服后混凝土壓碎;3)鋼筋屈服后FRP拉斷.本文對加固截面抗彎承載力計(jì)算采用下列基本假定lJ:1)平截面假定;2)無滑移假定,即認(rèn)為所考慮的截面上FRP與混凝土之間粘結(jié)可靠,不發(fā)生相對位移;3)混凝土,鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)!L圖1極限

8、狀態(tài)下截面應(yīng)變關(guān)系Fig.1Distributionofstrainsatfailure2.1界限破壞工鋼筋屈服和混凝土壓碎同時(shí)發(fā)生.FRP未拉斷內(nèi)嵌FRP加固矩形截面梁抗彎計(jì)算簡圖見圖2.當(dāng)發(fā)生界限破壞工時(shí),其中=,=0.8xo;:,=fy;.f<.fu,Effo記相應(yīng)的0為o1,為1,M為uI.根據(jù)平截面假定和無滑移假定,有X01=_uho(1).CU.Y若o11.25,即hf,為第1類T形截面.對FRP作用點(diǎn)取矩,建立力矩平衡方程,可求出界限破壞工相應(yīng)的極限彎矩為系按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范500102002>>選取,FRP的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系為線彈性;4)忽略開裂截面上受拉區(qū)混

9、凝土的抗力.根據(jù)平截面假定,上述3種彎曲破壞形式和2類界限破壞狀態(tài)相應(yīng)的截面應(yīng)變關(guān)系如圖l所示.2受彎承載力計(jì)算T形截面受彎構(gòu)件在實(shí)際工程中經(jīng)常見到,如預(yù)制橋梁,吊車梁,現(xiàn)澆樓蓋梁等.根據(jù)承載力計(jì)算的需要,通常將T形截面梁按照受壓區(qū)高度分為以下2類.第1類T形截面:等效矩形應(yīng)力受壓區(qū)完全位于翼緣內(nèi),即.在計(jì)算正截面承載力時(shí),由于不考慮受拉區(qū)混凝土的抗力,因此可將此類受力狀態(tài)視為截面寬度同翼緣的矩形截面進(jìn)行分析.第2類T形截面:等效矩形應(yīng)力受壓區(qū)在梁肋內(nèi),即>h,見圖2所示.圖2內(nèi)嵌FRP加固梁截面,應(yīng)變和受力圖Fig.2Section,strainsandstressblockforab

10、eamstrengthenedwithNSMFRPMIJl=口Bx1(hfa,1)一,vA(hfho)(2a)若o1>1.25,即1>,為第2類T形截面,則MI=alf,.bx1(hf一a,1)+口1(Bb)(hfl等)一,vA(hfh0)(2b)2.2界限破壞鋼筋屈服后.混凝土壓碎和FRP拉斷同時(shí)發(fā)生當(dāng)發(fā)生界限破壞時(shí),圖2中.=0.8xo;>,口=fy;Ef=Ef,口f=flu.記相應(yīng)的為on,為n,Mu為uI1.根據(jù)平截面假定和無滑移假定,有52鐵道科學(xué)與工程20o5年8月=_hXOIIf(3)同理,2種T形截面發(fā)生界限破壞時(shí)的極限彎矩可用式(2)表示,只需將l,1分別變

11、為,Mun即可.2.3破壞形態(tài)鋼筋屈服前混凝土壓碎.FRP未拉斷在該破壞極限狀態(tài)下,圖2中=0.8xo;s<v,s=Ess;f=fu,盯fEff.記相應(yīng)的0為0.,為0,M為.根據(jù)平截面假定和無滑移假定,有:(4)scu4(5)cu由軸力平衡條件,得第1類T形截面:Bx=A+fAf(6a)第2類T形截面:(Bb)h+=OsA+fAf(6b)考慮式(4),(5),將鋼筋和FRP的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系代人式(6),可解出:(7)一2口l其中,當(dāng)h時(shí):l=B;bl=.(EfAf+EA);cl=一0.8(hfEfAf+EA0).當(dāng)>h時(shí):l=b;b1=(Bb)h+(EfAf+EA);Cl=一0.

12、8.(hfEfAf+EA0).進(jìn)而可求得Oso對FRP作用點(diǎn)取矩,建立力矩平衡方程,可求出破壞形態(tài)a相應(yīng)的極限彎矩為M=al日(hf一)一(hfho)()(8a)M=口l(hf一)+口l(Bb)(hf一等)一As(hfho)(Xa>)(8b)2.4破壞形態(tài)鋼筋屈服后混凝土壓碎.FRP未拉斷在該破壞極限狀態(tài)下,圖2中.=.,=0.8x0;>v,:;f<fu,f=Eff.記相應(yīng)的0為0b,為b,M為b.根據(jù)平截面假定和無滑移假定,有.(9)cu考慮式(9),將FRP的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系代人軸力平衡關(guān)系式(6),(7),并將式中相應(yīng)的,變?yōu)?v,b,即可得到b的表達(dá)式,形同式(7),其

13、中當(dāng)bh時(shí):l=b,bl=cuEfAff,a,Cl:一0.8.hfEfAf;當(dāng)b>h時(shí):l=b,bl=(Bb)h+.EfAf一A,cl=一0.8.hfEfAf;同理,可求出破壞形態(tài)b相應(yīng)的極限彎矩為:Mh=口lBxb(hf一)一A(hfho)(b)(10a):aL/=bxb(f一)+.(一6)(f一等)LA(hfho)(b>)(1(1b)2.5破壞形態(tài)鋼筋屈服后FRP拉斷.混凝土未壓碎在該破壞極限狀態(tài)下,圖2中<>Y:ffuo根據(jù)平截面假定和無滑移假定,有:_fu(11)c二_fuL由平衡條件,得C=f,a+Af(12)M.=/.fuAf(hfY.)+A(h0一Y.)(

14、13)對于第1類T形截面:rXc=I.盯()Bdy(14a)(e)Bydyycc一_對于第2類T形截面:(15a)c=I()BdyI,()(Bb)dy(14b)0thfYc=crrj0O-()Bydyj一()(日一b)ydyL一(15b)其中,c為截面受壓區(qū)混凝土合力,Y為合力作用點(diǎn)至受壓區(qū)邊緣的距離.由于規(guī)范中混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系分兩段用不同的函數(shù)式表達(dá),故需根據(jù)受壓區(qū)邊緣應(yīng)變的大小,分e<e0和0.<eu2種情況,按照式(14),(15)通過積分得到c和Y的計(jì)算公式,代人式(13)可求出破壞形態(tài)C相應(yīng)的極限彎矩.3分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較為了驗(yàn)證上述計(jì)算方法,完成了5根內(nèi)嵌F

15、lIP第4期周朝陽,等:T形截面鋼筋混凝土梁內(nèi)嵌FRP加固后抗彎承載力計(jì)算53加固混凝土梁的試驗(yàn)l】引,并參考文獻(xiàn)68,從有限的試驗(yàn)資料中剔除發(fā)生粘結(jié)破壞的試件,共得1O根內(nèi)嵌FRP加固矩形或T形截面梁的彎曲破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù).采用本文公式對這些試件進(jìn)行受彎承載力計(jì)算,結(jié)果見表1.可見,計(jì)算所得承載力及破壞形態(tài)均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,其中試驗(yàn)梁極限荷載計(jì)算值與實(shí)測值之比的平均值為0.977.表1加固試驗(yàn)梁極限荷載計(jì)算值與實(shí)測值比較Table1ComparisonofpredictedultimateloadswithmeasHredonesforspecimens4結(jié)論與建議1)內(nèi)嵌FRP加固鋼筋混凝

16、土梁的破壞形態(tài)可分為彎曲破壞,粘結(jié)破壞和剪切破壞三大類,其中彎曲破壞形態(tài)又可細(xì)分為3種.2)對內(nèi)嵌FRP加固T形截面梁的3種彎曲破壞形式(鋼筋屈服前混凝土壓碎,鋼筋屈服后混凝土壓碎和鋼筋屈服后FRP拉斷)和2種界限破壞情形(鋼筋屈服時(shí)混凝土壓碎和FRP拉斷時(shí)混凝土壓碎)進(jìn)行了極限狀態(tài)分析.基于平截面假定和規(guī)程推薦的材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系,提出了上述各種彎曲破壞極限狀態(tài)相應(yīng)的承載力計(jì)算公式和界限條件.3)計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較表明,本文公式用于計(jì)算內(nèi)嵌FRP加固鋼筋混凝土梁的受彎承載力和預(yù)測破壞形態(tài)是合理可行的.4)內(nèi)嵌FRP加固鋼筋混凝土梁仍有可能發(fā)生粘結(jié)破壞,今后應(yīng)重點(diǎn)對此開展研究.參考文獻(xiàn):1岳

17、清岳,李慶偉,楊勇新.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料嵌入式加固技術(shù)J.工業(yè)建筑,2004,34(4):l一4.YUEQing-rui,LIQing-wei,YANGYong-xin.TechniqueofstmcturesstrengthenedwithnearsurfacemountedFRPJ.IndustrialConstruction,2004,34(4):l一4.2李榮,滕錦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域嵌入式(NSM)加固法J.工業(yè)建筑,2004,34(4):510.LIRong,TENGJinguang,YUEQing-mi.Anewtechniqueforstrengthe

18、ningconcretestructures-nearsurfacemountedFRPreinforcementJj.IndustrialConstruction,2004,34(4):5一l0.3JRizkallaS,HassanT.Effectivenessof丌forstrengtheningconcretebridgesJ.JournalofStructuralEngineeringInternational,2002,3:8995.【4JRizkallaS,HassanT.FlexuralstrengtheningofprestressedbridgeslabswithFRPsys

19、temsJ.PCIJournal,2002,47:7693.5JDeLorenzisL,NanniA,ABondbetweenNearsurfacemountedFRProdsandconcreteinstructuralstrengthening【JJ.ACIStructuralJournal,1999(2):123132.【6jElHacha,RizkallaSH.NearsurfacemountedfiberreinforcedpolymerreinforcementsforflexuralstrengtheningofconcretestructuresJ.ACIStructuralJ

20、ournal,2004(5):717726.7jDeLorenzisL,NanniA.Shearstrengtheningofreinforcedconcretebeamswitlnearsurfacemountedfiberreiomedpolymerrods【J.ACIStructuralJournal,2001(1):6068.8DeLorenzisL,ANanni.ProposeddesignprocedureofNSMFRPreinforcementforfiexuralandshearstrengtheningofRCbeamsEB/OLj./utc/pubs/conf/2003/e4.pdf.9CECS146:2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程s.CECS146:2003,TechnicalRegulati