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预应力碳纤维板加固混凝土梁抗弯承载力设计计算方法第31卷第1期2011年2月桂林理工大学JournalofGuilinUniversityofTechnologyV
01.31No.1Feb.2011文章编号:16749057201101—0073—04预应力碳纤维板加固混凝土梁抗弯承载力设计计算方法张俊赵泽俊邓朗妮康侃贾松林
1.广西工学院土木建筑工程系广西柳州545006;2广西建工集团第五建筑工程有限责任公司广西柳州545001摘要:在确定预应力碳纤维板加固混凝土梁极限状态的基础上分别给出预应力碳纤维板在梁底面粘贴和梁两侧粘贴进行加固时的设计计算方法.算例表明:该方法同非预应力加固方法相比可有效提高其抗弯强度及刚度同时可减少碳纤维用量节省工程总造价.关键词:预应力;碳纤维板;混凝土梁;设计中图分类号:TU
375.1;TU
377.9文献标志码:A目前采用一般粘贴碳纤维CFRP片材加固方法对构件进行受弯加固时碳纤维材料主要在受拉钢筋屈服以后才发挥作用其应力始终滞后于原结构的累计应力因此虽然加固构件的极限荷载有显着提高但此时构件一般都已开裂十分严重变形也很大对正常使用阶段的性能改善无显着作用¨J.而对碳纤维片材施加预应力后再粘贴于梁受拉面进行受弯加固可以有效地解决上述问题也使碳纤维片材的强度得到更充分的利用.因此预应力碳纤维加固技术已逐渐成为研究的热点.本文在确定预应力碳纤维板加固混凝土梁极限状态的基础上对预应力碳纤维板加固混凝土梁的设计计算方法进行较为深入的研究.1极限状态的确定根据已有的研究预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的破坏形式主要有以下几种:
①在尚未达到正截面抗弯承载力之前碳纤维板与混凝土梁发生剥离破坏;
②钢筋尚未屈服碳纤维板未拉断受压区混凝土压碎而破坏;
⑧混凝土未被压碎钢筋屈服后碳纤维板达到极限拉应力发生破断;
④碳纤维板未达极限拉应力在钢筋屈服后混凝土压碎而破坏.以上4种破坏形式中第1种破坏模式较为突然属脆性破坏且构件破坏时延性较差在工程中可通过加强碳纤维板端部锚固措施以及保证粘结的有效性来避免.第2种破坏模式是在梁中配置较多钢筋以致钢筋不屈服混凝土就压碎在此情形下不宜采用预应力碳纤维板对其受拉区进行加固建议采取其他加固方式来提高承载能力.第3和第4种破坏形式在钢筋屈服后挠度发展较明显破坏前有明显的预兆属于塑性破坏.其中第3种破坏形式是由碳纤维板拉断控制的预应力碳纤维板材拉断引起的弯曲破坏发生在加固梁配筋率很小且配纤率亦很小时延性相对低且碳纤维板拉断会给人造成不安全的感觉.故在抗弯承载力加固设计中应尽可能按照第4种破坏模式即碳纤维板未断混凝土压碎的承载力极限状态进行设计并以此作为加固设计目标之一.2设计计算步骤对于预应力碳纤维板加固混凝土梁其设计收稿日期:2010—09—18基金项目:广西自然科学基金项目2010GXNSFB013006;广西自然科学基金重点项目桂科自0832002Z;柳州市科学研究与技术开发项目2009010301作者简介:张俊1965一男实验师研究方向:工程结构加固与检测zhangjun2396@sina.com.引文格式:张俊赵泽俊邓朗妮等.预应力碳纤维板加固混凝土梁抗弯承载力设计计算方法[J].桂林理工大学2011311:73—
76.74桂林理工大学2011正计算步骤如下:
①初步拟定碳纤维板的规格和张拉控制应力or….由于碳纤维板材料规格较为固定在进行进行加固计算前应选定加固所用的碳纤维板.对于碳纤维板的张拉控制应力or…的选择已有的试验及理论分析结果表明:碳纤维板的张拉控制应力一般初选为or..=30%~40%为碳纤维板的极限拉应力设计值在此范围既能满足碳纤维板的张拉工艺要求对构件的延性控制也较为有利.
②计算出有效张拉应力仃和碳纤维板的有效预拉应变.碳纤维板的有效张拉应力=or…一or..为碳纤维板的预应力损失.预应力损失的计算可以在确定了构件的几何尺寸材料性能后借鉴我国现行的《混凝土结构设计规范》对预应力碳纤维板加固混凝土结构产生的预应力损失分项进行计算;也可以在设计前对所产生的预应力总损失值进行估算:经一系列的试验研究表明采用预应力碳纤维板加固技术产生的预应力损失明显要比普通预应力混凝土梁要少预应力总损失估算值可取为张拉控制应力的10%~15%.
③进行加固设计计算.将设计弯矩作为加固目标已知按照加固设计计算方法校核承载力是否满足要求并验算公式的适用条件.3设计计算方法
3.1基本假定设计计算的基本假定为:
①加固后构件满足平截面假定;
②碳纤维板和混凝土之间粘结可靠无相对滑移;
③混凝土钢筋的应力一应变关系按《混凝土结构设计规范》GBJ50010--2002选取碳纤维板的应力一应变关系为线弹性;
④弯曲极限状态下受拉纵筋屈服;
⑤不考虑开裂截面受拉区混凝土的作用.
3.2底面粘贴预应力CFRP加固混凝土梁计算方法s8ce分别表示为预应力损失发生后碳纤维板和混凝土的有效应变由力学原理可知张拉后碳纤维板的有效预拉应变8以及混凝土的预压应变有如下关系:%去+丢.2式中:E.和分别为混凝土和碳纤维板的弹性模量;A为碳纤维板的截面面积;A.分别为梁换算截面的面积和惯性矩;e为碳纤维板所在表面至换算截面中性轴的距离.完成预应力施工后此时片材中应变为s开始加载弯矩使梁截面上部受压下部受拉.当弯矩到达某一特定值时碳纤维板所在位置的混凝土应变为零称之为混凝土的消压状态.此时相对于加载之前该位置混凝土的应变增加了…由于碳纤维板与混凝土不发生纵向相对位移碳纤维板的应变也增加了8…设下缘消压状态下碳纤维板应变为s则=s+.随着弯矩的进一步增加截面上缘压应变和下缘拉应变逐渐增大此时梁截面上边缘和碳纤维板所在位置的混凝土的应变为.和占.根据界面无滑移假定碳纤维板应变相对消压时增加了.设碳纤维板的总应变为则.:+.加固后梁截面应力分析如图1所示.图1底贴预应力碳纤维板加固时的正截面应力Fig.1Normalsectionstressfigureofthestrengthenedbeamsunderside—bondedwithCFRP由平衡条件fobx=fra+orfA3由于弯矩作为加固目标已知极限弯矩M=orfAfhf—x/2+frah0一x/
2.4将式3代入式4解出等效受压区高度::olt;lt;h05一^^V\一/A=6;B=一2bh;C:2frah—h0+2M.由=
0.8x.求出受压区高度;由平截面假定b=hf—/x.6将代入式6求出混凝土下边缘应变值由or.=E+.+s解出碳纤维板的应力值最后根据式3求出碳纤维板的截面面积A第1期张俊等:预应力碳纤维板加固混凝土梁抗弯承载力设计计算方法
753.3侧面粘贴预应力CFRP加固混凝土梁计算方法在实际的加固工程中当有一些管道线路等紧挨着梁底面通过或在梁下有墙体等障碍物时在梁底面通长粘贴预应力碳纤维板进行结构补强施工难以实现在梁侧面受拉区部位粘贴预应力碳纤维板理论上也能起到所需的加固作用.由于侧贴碳纤维板会涉及由梁底向上不同的加固层数其设计计算方法及步骤与底面粘贴加固略有不同.假设从梁侧面由下至上共对称粘贴了n层预应力碳纤维板其中or为第i层碳纤维板的拉应变A为第i层碳纤维板的截面面积为受压区高度为侧面第i层预应力碳纤维板的粘贴高度为侧面第i层预应力碳纤维板截面面积的形心至受压区外边缘的距离h=h—h.在进行抗弯加固时先假定只进行第1层预应力碳纤维板加固同
3.2节所述取定碳纤维板的张拉控制应力…求出碳纤维板的有效张拉应变s进而求出混凝土的有效预压应变
8.以及碳纤维板的消压应变确定预应力碳纤维板的粘贴高度h加固后梁截面应力分析如图2所示.a图2Fig.2侧贴预应力碳纤维板加固时的正截面应力Normalsectionstressfigureofthestrengthenedbeamsside.bondedwithCFRP弯矩作为加固目标已知对预应力碳纤维板合力作用点取M=
0.8fobxh.一
0.4x.+LAh.一a7上式可解出受压区高度;由平截面假定占b=sh.jo—./x.8可解得粘贴碳纤维板处混凝土的应变值;由=Es+占算出碳纤维板的应力值.;由平衡条件
0.遥bx一A一A=09即可求出所需预应力碳纤维板的加固面积A.若粘贴一层碳纤维板面积不满足加固要求则在确定第1层碳纤维板加固面积的前提下进行第2层预应力碳纤维板加固计算取定占进而求出.以及确定预应力碳纤维板的粘贴高度h对第2层预应力碳纤维板合力作用点取矩M=
0.8fcbxh.m一
0.4x+fyah一a+Efn+bIAnhl2一h.n10由平截面假定bl:.hml—/x11由式10可解出受压区高度代人式11解得bl0同理由=h一/x解出进而求出n和f
2.由平衡条件
0.8fcbx.一∑A.-fyA=012可解得所需第2层预应力碳纤维板的截面面积A..若仍不满足加固要求在确定好第2层预应力碳纤维板的截面面积A.后按照上述方法进行第3层预应力碳纤维板加固设计以此类推.
3.4验算公式适用条件为了保证加固梁的极限状态为钢筋屈服后混凝土压碎而破坏而此时碳纤维板未发生破断必须对以上计算结果进行校核.为防止出现钢筋尚未屈服受压区混凝土压碎的超筋破坏应满足lt;为界限相对受压区高度按《混凝土结构设计规范》选取.为防止碳纤维板拉断破坏应满足gt;.为碳纤维板拉断的同时混凝土压碎临界状态的相对受压区高度根据平截面假定临界状态的受压区高度为=—一hb=
0.8xd.13cu1-b式中:为混凝土的极限压应变按《混凝土结构设计规范》选取.在临界状态碳纤维板达到极限拉伸应变占因为不考虑相对滑移其所处受拉表面混凝土的协调应变为bu:一fe—.14由式13可计算临界破坏的受压区高度.并计算相应的临界相对受压区高度当gt;时破坏模式为混凝土压碎;当lt;时破坏模式为碳纤维板拉断.因此预应力碳纤维板加固混凝土梁设计计算76桂林理工大学2011年公式的适用条件为lt;lt;.4算例某框架梁截面尺寸b×h=200mm×300mm梁跨度为
4.2m受拉钢筋为2l6箍筋为68@200按《混凝土结构设计规范》验算跨中受弯承载力设计值..为
28.9kNm按实际受力组合其弯矩设计值为
39.9kNm无法满足其正截面承载力要求.拟采用预应力碳纤维板对该框架梁进行加固碳纤维板宽度50mm厚度
1.2mm拉伸设计强度为2300MPa强度模量为
1.73X10MPa.粘贴方式为梁底加固加固的碳纤维板长度为
3.0m.按照上述计算步骤:
①碳纤维板的张拉控制应力值.初选在梁底采用1根预应力碳纤维板进行加固张拉控制应力=35%=
0.35×2300=805MPa.
②计算出有效张拉应力or和碳纤维板的有效预拉应变.预应力总损失估算值可取为张拉控制应力的13%碳纤维板的有效拉应力值or=
700.4MPa;碳纤维板的有效预拉应变=
0.
00405.
③加固设计计算.按照式1和式2计算混凝土的有效预压应变=
9.03×10~.按照式5解出等效受压区高度~B±2A==
82.8mmc将带人式6求出混凝土下边缘应变值即b:hf—/x=
0.0087;由orf=Ef占b++fe=
1.73×10×
0.0087+
0.0000903+
0.00405=
2221.4MPa.带人式3解得碳纤维板的截面面积Af=
43.8mm.采用上述型号的碳纤维板加固1根碳纤维板A=60mln已满足加固要求.5结束语碳纤维材料作为新型高强材料若粘贴前将其预先张拉到一定设计应力后锚固于混凝土结构表面同非预应力加固方法相比可有效提高其抗弯强度及刚度.同时采用预应力技术可以减少碳纤维的用量节省工程的总造价因此预应力碳纤维加固混凝土结构比普通粘贴法具有明显的优势.本文基于受弯截面的极限状态分析分别给出预应力碳纤维板在混凝土梁底面粘贴和梁两侧粘贴进行加固时的设计计算方法可为实际工程中预应力碳纤维板加固混凝土梁设计提供参考.参考文献:[1JTavakkolizadehMSaadatmaneshH.Strengtheningofsteel—concretecompositegirdersusingcarbonfiberreinforcedpoly—merssheets[J].JournalofStructuralEngineering20031291:30—
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50.BendingBearingCapacityCalculationofConcreteBeamsStrengthenedwithPrestressedCFRPPlatesZHANGJunZHAOZe-junDENGLang.niKANGKanJIASong.1in
1.DepartmentofCivilEngineeringandArchitectureGuangxiUniversityofTechnologyLiuzhou545006China;
2.FifthConstructionEngineeringCompanyofGuangxiConstructionEngineeringGroupLiuzhou545001ChinaAbstract:BaseonthedeterminationoftheultimatestatethedesigncalculationmethodsofthestrengthenedRCbeamsunderside—bondedandside—bondedwithprestressedCFRPplatesareproposedrespectively.TestsshowthattheprestressedCFRPplatescanincreasethebendingbearingcapacityandstiffnessofconcretebeamandreducethecostinCFRPandthewholeproject.Keywords:prestress;carbonfiberreinforcedpolymerplateCFRPplate;concretebeam;design。