中美FRP加固钢筋混凝土梁抗剪设计规范比较.pdf

2 0 1 2 年 第 2 期 (总 第 2 6 8 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 2 0 0 8 中美 F R P加固钢筋混凝土梁抗剪设计规范比较 闰续 ，滕海文 a , b 霍达 a ,b ( 北京工业大学 a 建筑工程学院；b 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要： 纤维复合材( F R P ) 以其轻质、 易安装、 耐腐蚀等特点而倍受土木工程界的关注。 根据美国A C I 一 4 4 0 委员会编写的A C I 4 4 0 2 I _ o 8 F R P 外黏加固混凝土结构设计与施工指南 ， 介绍了该指南中F R P 加固混凝土梁斜截面抗剪承载力设计的适用范围和设计方法 ， 并与我 国G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ( 混凝土结构加固设计规范 中钢筋混凝土梁斜截面加固的计算方法进行对比分析， 指出了两者在适用范围及设计方 法上的异同点， 为该方法的推广应用提供了参考。 关键词： 纤维复合材；钢筋混凝土梁；受剪承载力； 加固；设计规范 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 2 8 - 0 3 Sh ea r de s i gn c ode co m pa r i s on o f RC be ams s t r en gt he ne d b y F RP of Chi na a nd Ame r i c a YAN Xu ， T ENG Ha i we n 一 ， HUO Da ( a C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ； b T h e Ke y L a b o r a t o r y o f U r b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r E n gin e e r i n g , Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n ， B e ij i n gUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e fi b e r r e in f o r c e d p o l y me r( F R P) h a s a r o u s e d c o n c e l n f o r i t s p r o p e r t y ： t h e y arc l i g h t we i g h t ， r e l a t i v e l y e a s y t o i n s t a l l ， a n d a r e n o n c o r r o s i v e Ac c o r d i n g t o t h e Gu i d e for the De s i g n an d Co n s t r u c t i o n o f Ex t e r n a l l y Bo n d e d FRP S y s t e ms f o r S t r e ng t h e n i n g Co n c r e t e St r u c t u r e s ( AC I 4 4 0 J 2 R o 8 ) r e p o r t e d b y AC I c o mmi tt e e 4 4 0 ， p r e s e n t s the a p p l y i n gs c o p e and d e s i g nme tho do f s h e ard e s i gn c o d e o f s e n g t h e n i n g RCb e a ms b y F R P I na d d i t i o n ， c o mp a ri n g the d i ff e r e n c e s o f the s h e ard e s i gn c o d e s o f RCb e a ms s t r e n g t h e n e d b e t we e nC h i n a ( G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ) a n d Ame ri c a ， an d h e l p s to e x t e n d the me t ho d in e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n K e ywo r d s ： fi b e r - r e i n f o r c e dp o l y me r ( F R P ) ； RCb e a ms ； s b e ft c a p a c i t y ； s t r e n g t h e n i n g ； g u i d e 0 引言 混凝土外贴纤维增强复合材 F R P ( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r ) 加固法( 以下简称“ F R P法” ) 可具有轻质、 超高强、 高弹模、 易剪 裁、 易安装、 抗疲劳、 耐腐蚀等许优点， 在钢筋混凝土加固领域 得到广泛应用。 一 种新技术的推广离不开对于材料特性及设计原则的探 究。 F R P材料有着许多不同于传统建筑材料的特点。 在理论分 析及试验研究的基础上， 许多国家纷纷推出了针对 F R P加固钢 筋混凝土技术的相关规范与指导， 如我国的 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 混凝土结构加固设计规范 【 1 ( 以下简称“ 中国规范” ) ； 美国 A C I 4 4 0 委员会编写的 A C I 4 4 0 2 R - - 0 8 ( G u i d e f o r t h e De s i g n a n d Co n s t r u c ti o n o f Ex t e rna l l y Bo n d e d F RP S y s t e m s f o r S t r e n g t h e n i n g C o n c r e t e S t ruc t u r e s t： ( 以下简称“ 美国规范” ) 。 由于各国规范对 于设计要求存在一定差异， 本研究详细比较了中美两国规范中 对于加固钢筋混凝土梁抗剪设计方法在使用范围、 设计方法等 方面的异同， 可作为研究 F R P法的理论参考。 1 适 用范围比较 1 1 中国规 范 中国规范规定， 采用纤维复合材对钢筋混凝土结构进行加 固时 ， 应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载0 收稿 日期 ：2 0 1 1 8 - o 1 2 8 对于适用范围的具体要求如下 ： ( 1 ) 不适用于素混凝土构件， 包括纵向受力钢筋配筋率低 于现行国家标准 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范 规定 的最小配筋率的构件加固。 ( 2 ) 被加固的混凝土结构构件， 其现场实测混凝土强度等级 不得低于C1 5 ， 且混凝土表面的正拉黏结强度不得低于 1 5 MP a 。 ( 3 ) 纤维受力方式设计为仅承受拉应力作用。 ( 4 ) 混凝土结构长期使用的环境温度不应高于 6 O。 ( 5 ) 当被加固构件的表面有防火要求时， 应按现行 国家标 准 G B 5 0 0 1 6 -2 0 0 6 ( 建筑防火设计规范 规定的耐火等级及 耐火极限要求 ， 对纤维复合材进行防护。 1 2 美 国规 范 美国规范认为， 工程师在选择采用纤维复合材加固前， 须评 估 F R P法的可行性。 现有条件评估应包括核定现有结构承载 力、 分析结构缺陷及其成因、 检测混凝土基面状况等， 应是对结 构现状各方面作出的全面检测与分析。 在可行性评估的基础， 对于 F R P法的适用范围， 又作出了如下限制 ： ( 1 ) 本法仅适用于将 F R P受力方式设计为承受拉应力作用。 ( 2 ) 在常温环境下， 工作温度不高于 F R P加固体系中最小 玻璃态转化点 ； 对于干燥环境， 工作温度不高于玻璃态转化 点 1 5。 ( 3 ) 混凝土抗拉强度不得低于 1 4 MP a ， 抗压强度不得低于 1 7M：Pa。 ( 4 ) 结构使用强度满足公式： ( 咖 ) 既 i咖( 1 1 s 卜 O 7 5 S ) ； 式中： 为构件强度标准值， 为强度折减系数， 具体取值在美国 AC I 3 1 8 委员会编写的AC I 3 1 8 M 5 ( B u i l d i n g C o d e R e q u i r e me n t F o r S t r u c t u r a l C o n c r e t e C o mme n t a r y ) t 】 ( 以下简称 “ 美国混凝土 规范” ) 中， 根据受力情况与材料特性， 细分为多种情况进行取 值； S 阻为恒荷载， 为活荷载。 ( 5 ) 耐火等级对于结构构件强度标准值的限制： R s ； 式中： 为火灾高温下构件强度标准值。 1 3对 比分析 1 3 1 共同点 ( 1 ) 中国规范与美国规范都强调 F R P不能设计为承受压力， 而只能仅考虑抗拉作用， 应将纤维受力方式设计成承受拉应力 作用。 ( 2 ) 在混凝土强度的要求上， 两者定量基本一致。 1 3 2 不同点 ( 1 ) 美国规范强调了在使用 F R P法之前， 须作出明细的可 行性分析 ， 满足相应条件的结构才可采用此法， 但并未提及加 固前卸载。 而中国规范强调了 H 粘贴前结构需卸载， 但并未考 虑分析结构加固条件。 ( 2 ) 与中国规范相比， 美国规范缺少配筋率限制， 例如对于 曾经在构件截面的受压区采用增大截面法加大了其混凝土厚 度， 而今又拟在受拉区采用 F R P法进行加固的混凝土梁 ， 则较 有可能出现不能满足相应规范对于最小配筋率的要求的情况。 ( 3 ) 中国规范对于常温条件下长期使用环境温度的限制只 是笼统归为不高于 6 O， 对于极端环境缺少定量限制 ； 而美国 规范的工作温度限制则是因材料特性而异， 并且对于干燥环境 下工作的F R P材料有进一步限制。 ( 4 ) 对于构件适用范围及耐火限制， 美国规范均结合结构 荷载做了定量分析， 而中国规范没有针对F R P 法做特别限制。 2 设计方法 比较 2 1 中国规范 中国规范认为， 采用纤维复合材对受弯构件的斜截面受剪 承载力进行加固时， 应粘贴成垂直于构件轴线方向的环形箍或 其他有效的u形箍。具体计算方法为： ( 1 ) 根据构件实际尺寸、 材料强度 、 配筋面积、 初始剪力及 调整剪力确定纤维复合材条带材料、 尺寸及粘贴方式。 ( 2 ) 对于受弯构件， 验算加固后斜截面剪力设计值。 当 6 4时： 0 2 5 fl J b h 。 ( 1 ) 当h w l b 6时 ： 0 2 0 fl J b h 。 ( 2 ) 当4 10 8 h； 混凝土轴心抗压强度； l ， D 作用于截面的有效预应力的垂直分力。 。取 与 的较小值。 ( 6 ) 计算加固结构受剪承载力设计值。 咖 ； 西 ( D + f f ) ( 2 1 ) f 0 9 5 ， 对于环环形箍 ， 、 尸 i 0 8 5 ， 对 于u 形 箍 及 侧 面 粘 贴 ( 2 2 ) 式中： 加固F R P 后混凝土构件截面计算剪力 ； F R P抗剪强度折减系数。 ( 7 ) 加固极限验算。 3 0 O 6 6 v ； b w d ( 2 3 ) 2 3 对比分析 2 3 1 共同点 ( I ) F R P加 固钢筋混凝土梁 的破坏模式主要有 3种 ： 纤 维材料拉断的剪切破坏 、 纤维材料未拉断的剪切破坏和纤维 材料剥离引起 的剪切破坏。 但无论是 中国规范的式( 4 ) 还是 美 国规范的式( I 1 ) ， 都没有区分剥离与拉断破坏 ， 会给计算 带来较大误差 ， 令构件失效。 且这两个模型均认为梁破坏时所 有与剪切裂缝相交的 F R P均达到其抗拉强度设计值， 假定条 件过于理想化。、 ( 2 ) 中国规范中式( 4 ) 与美国规范中式( 8 ) 计算模型都要求 考虑黏结层的厚度， 这在实际设计上很难估算。 2 _ 3 2 不同点 ( 1 ) 对于加固构建的受剪承载力计算， 两部规范各有不同。 中国规范采用半理论半经验的实用计算公式 ， 而美国规范采用 的是桁架模型。 ( 2 ) 中国规范的整体设计步骤与美 国规范相 比， 简洁， 容易 操作， 但考虑影响因子较少 ， 计算结果较为粗糙 ， 有时偏于不安 全 ； 而美国规范的计算过程根据材料及构件的不同形式划分较 为精细， 计算过程较为复杂， 结果也更为接近实际工况。 ( 3 ) 美国规范提供了环形箍 、 u形箍 、 侧面粘贴三种基本 F R P粘贴方式及相应计算公式； 而在中国规范中， 只介绍了前 两种粘贴方式， 不建议在侧面粘贴条带受剪。 因为规范认为， 根 据试验表明， 侧面粘贴方式易发生呈脆性的剥离破坏 ， 受力不 可靠。 但应当注意的是， 只要 F R P的纤维的方向不与剪切裂缝平 行， 其对限制剪切裂缝宽度都是有一定效果的。 ( 4 ) 中国规范中， F R P材料的抗拉强度设计值 、 弹性模量 设计值、 抗拉应变设计值等设计计算指标做了统一规定， 而美 国规范则是在计算时使用所使材料的具体设计计算指标 。 中 国规范的处理方法更为安全 ， 不至 于因贸然采用过高的计算 指标而导致结构加固出问题 ； 对设计人员而言 ， 计算较为方 便 ， 可有效减少争议。 美 国规范的指标取用更为符合实际， 可 有效地利用材料。 ( 5 ) 比较式( 4 ) 与式( 1 1 ) 可发现， 美国规范引入了纤维材料 的粘贴角度， 有效地解决了斜向加固混凝土梁的 F R P材料受剪 承载力计算问题。 ( 6 ) 中国规范式( 4 ) 及美国规范式( 2 1 ) 均考虑了抗剪强度 的折减。 不同的是， 美国规范中的折减系数依据可靠性分析， 只 与粘贴方式有关； 中国规范的折减系数根据现有试验资料和工 程实践经验， 另考虑了不同剪跨比的影响， 较为贴合实际。 ( 7 ) 从 F R P应力分布看， 美国规范认为如果锚固长度小于 有效锚固长度 ， 这部分 F R P将不再提供剥离承载力嗍 。 这种 F R P 应力分布模型过分保守。 ( 8 ) 美国规范中， 式 ( 6 ) 表明斜裂缝处最大应变可以达到 F R P的极限应变。 但 由于混凝土梁存在局部应力集中现象 ， 斜 裂缝处的F R P条带较易拉断， 因而斜裂缝处的F R P往往达不到 极限应变， 所以式( 6 ) 的计算结果在此种情况下就会偏大。 ( 9 ) 中国规范式( 4 ) 及美国规范式( 2 1 ) 均考虑了抗剪强度 的折减。 不同的是 ， 美国规范中的折减系数依据可靠性分析 ， 只 与粘贴方式有关 ； 中国规范的折减系数根据现有试验资料和工 程实践经验 ， 另考虑了不同剪跨比的影响， 较为贴合实际。 下转第 3 5页 性有待进一步研究。 参考文献 ： 【 l 】E S K E S E N S D， T E NG B O R G P R， K A MP MA N N J ， e t a 1 G u i d e l i n e s f o r t o n n e l l i n g ris k ma n a g e me n t ： i n t e r n a t i o n a l t u n n e l i n g a s s o c i a t i o n， wo r k i n g g r o u p N n 硼 T u n n e l i n g a n d U n d e r - gr o u n d S p a c e t e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ( 1 9 ) ： 21 7 2 3 7 2 】C H O I H H， C HO H N， S E O J W R i s k a s s e s s me n t me t h o d o l o g y for u n d e r gro u n d c o n s t r u c t i o n P r o j e c t s J J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n E n g i n e e r - i n g a n d Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 4 ， 1 3 0 ( 2 ) ： 2 5 8 2 7 2 【 3 】C H O H N， C HO I H H， KI M Y B A r i s k a s s e s s me n t me t h o d o l o g y f o r i n c o r p o r a t i n g u n c e r t a i n t i e s J R e l i a b i l i t y E n g i n e e ri n gS y s t e m S a f e t y 2 0 0 2 ( 7 8 ) ： 1 7 3 1 8 3 4 1 吕林女， 胡曙光， 丁厌军 ， 等 混凝土安全性专家系统的设计J 武汉 理工大学学报， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 1 1 ) ： 1 5 1 7 【 5 5 马保国， 吕林女， 胡曙光 泵送混凝土技术专家系统的研究与应用 J 武汉理工大学学报， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 6 1 9 1 【 6 】 刘开第， 庞彦军， 孙光勇， 等城市环境质量的未确知侧度评价 J 】 系 上接第 3 0页 3结 语 F R P材料在土木工程领域应用早于理论 ， 所以目前为止， 理论分析尚处于发展初期。 美国规范中的每项规定， 都是通过 大量试验数据累积及混凝土结构理论基础分析的结果 ， 集中反 映了美国在 F R P领域的研究成果 ； 而中国规范根据现有试验资 料和工程实践经验， 亦 自成体系。 本研究通过中国及美国正在 使用的对于纤维复合材加固混凝土梁抗剪规范的比 较 ， 分析了 两部规范对于计算范围及设计步骤的异同， 希望对今后我国规 范的增改有一定借鉴作用。 参考文献 ： 川 1 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s E 京： 中国建筑工业 上接第 3 2页 蚀深度的分布进行假设检验。 列表计算统计量 D 观测值， 由表 2 最后一列比较可以得到。 表 2 对数正态分布统计 量 计算结果 D n - - ma x D ( 1 ) ， D ( 2 ) ， ， ( X ； 1 9 ) = 0 1 9 7 5 ， 给定信度 a -= 0 0 5 ， 按照N= 7 及 o F0 0 5 查表可以得到临界值 O 3 0 0 。 作统计判断 ， 比较 D n D n 因此没有理由拒绝均匀腐蚀深 度服从对数正态分布。 4结论 钢筋的腐蚀深度是表征钢筋锈蚀程度的重要指标。 在有关 统工程理论与实践， 1 9 9 9 ， 1 9 ( 1 2 ) ： 5 2 5 8 【 7 程乾生 属，I生 识别理论模型及应用 J 北京大学学报 ： 自然科学版 ， 1 9 9 7 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 2 2 0 【 8 董陇军， 李夕兵， 宫凤强膨胀土胀缩等级分类的未确知均值聚类方 法及应用 J 】 中南大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 5 ) ： 1 0 7 5 1 0 8 0 【 9 】9 曹庆奎， 刘开展， 张博文 用熵计算客观型指标权重的方法【 J 】 河北建 筑科技学院学报， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 4 0 4 2 1 0 D ON G L o n g j u n ， P E N G G a n g - j i a n ， F U Y u- h u a ， e t a1 U n a s c e r t a i n e d me a s u r e me n t c l a s s i f y i n g m o d e l of g o a f c o l l a p s e p r e d i c t i o n J J o u r n a l of C o a l S c i e n c eE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 4 ( 2 ) ： 2 2 1 2 2 4 【 1 1 】 支 开第， 吴和琴， 庞彦军， 等 不确定信息数学处理及应用 M 】 北京： 科学出版社， 1 9 9 9 作者简介 联 系地址 联 系电话 刘雁亍( 1 9 6 8 一 ) ， 女， 工程硕士， 讲师， 国家注册监理师， 主 要从事建筑工程教学、 教学管理管理与科研工作。 山西省太原市坞城南路 1 1 5 号 山西职业技术学院( 0 3 0 0 0 6 ) 1 5 5 0 3 4 5 6 9 4 5 出版社， 2 0 0 6 f 2 A C I 4 4 0 2 R一 0 8， G u i d e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t ruc t i o n of e x t e r n al l y b o n d e d F R P s y s t e ms f o r s t r e n g t h e n i n g c o n c r e t e s t ruc t u r e s S A C I ， 2 0 0 8 3 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 】 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 4 4 G B 5 0 0 1 6 -2 0 0 6 ， 建筑防火设计规范 s 北京： 中国计划出版社 ， 2 o 0 6 5 】AC I 3 1 8 M0 5 ， B u i l d i n g c o d e r e q u i r e me nt for s t ruc t u r al c o n c r e t e C O m me n t a r y S AC I ， 2 0 0 5 6 陆新征 F R P 一 混凝土界面行为研究【 D 】 E 京： 清华大学， 2 0 0 4 作者简介： 闰续( 1 9 8 8 一 ) ， 女， 研究生， 研究方向为结构工程。 联系地址： 北京工业大学建筑工程学院( 1 0 0 1 2 4 ) 联 系电话 ： 1 3 8 1 0 6 8 9 2 6 6 检测资料的基础上 ， 分析了平均腐蚀深度的统计特征 ， 通过对 数据的 K - S检验分析 ， 得出了平均腐蚀深度服从对数正态分布 的规律。 本试验的研究是在一组相关检测数据的基础上进行， 因此研究的结论仅具有探索性质。 但毕竟 目前氯离子环境钢筋 腐蚀的实测数据非常难得， 本试验探讨的平均腐蚀深度分布规 律也算是对钢筋锈蚀耐久可靠性研究的抛砖引玉。 参考文献 ： 【 1 周新刚， 初明进， 吴江龙， 等恶劣大气条件下混凝上结构的耐久性 工业建筑 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 4 ) ： 6 6 6 8 2 AN D R E S A， T o r r e s - Ac o s t a ， Mi g u e l Ma r t i n e z - Ma d ri d R e s i d u al l i f e o f c 0 r _ r o d i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t ruc t u r e s i n m a r i n e e n v i r o n me n t J u mal o f M a t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， A S C E ， 2 0 0 3 ， 4 ( 1 5 ) ： 3 4 4 - 3 5 3 【 3 】 何声武， 汪振鹏， 王万中 概率论与数理统计【 M 】 E 京： 经济科学出版 社 。 1 9 9 2 作者简介： 马亚丽( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 博士， 副教授。 联系地址： 郑州市大学中路 2 号 航院土木建筑工程学院( 4 5 0 0 1 5 ) 联 系电话 ： 1 3 5 2 5 5 7 9 0 7 4 3 5