钢板-混凝土组合加固带损伤钢筋混凝土T梁的抗弯性能试验.pdf

第 2 7卷 第 3期 2 0 1 0年 9月 建筑科 学与 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo1 2 7 No 3 Se p t 2 0 1 0 文章编号： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 9 4 0 8 0 钢板一 混凝土组合加 固带损伤钢筋混凝 土 T梁的抗弯性能试验 王春 生 ， 高 珊 ， 任腾先 ， 徐岳 ( 长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室 ， 陕西西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ： 为 了研 究钢 板一 混凝 土组合加 固钢 筋混凝 土 T 梁在 静 载作 用 下的抗 弯性 能 ， 对 带损 伤 的 2 混凝 土 T 梁组合 加 固后 进行 了抗 弯承载 力试验 ， 得到 了构件破 坏 时的极 限抗 弯承 载 力 以及 受 力 性 ， 揭 示 了钢 板一 混凝 土组合加 固钢 筋混凝 土 T梁的 弯 曲破 坏机理 ； 建 立 了钢板一 混凝 土组合加 固 筋混凝土 T 梁的有限元模型， 并进行 了非线性静力计算。结果表 明： 考虑材料非线性的静力计 结果与 试验 结果吻合 良好 ； 采 用塑性分析 方 法建立 的试 验 梁极 限抗 弯承 载 力 简化 计 算公 式 的计 结果 与试验 结果 吻合 良好 。 关 键词 ： 桥 梁工程 ； 钢 板一 混凝 土组合加 固； 钢 筋混凝 土 T梁 ； 抗 弯承 载 力； 损 伤 中图分 类号 ： U4 4 2 文 献标 志码 ： A Be nd i n g Be h a v i o r Ex p e r i me nt o f Da ma g e RC T b e a ms wi t h S t e e l Pl a t e a nd Co n c r e t e Co m p o s i t e S t r e ng t h e n i ng W ANG Chu n s he ng，GAO Sha n，REN Te ng xi a n，XU Yue ( Ke y L a b o r a t o r y f o r B r i d g e a n d Tu n n e l o f S h a a n x i Pr o v i n c e ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y ，xi a n 7 1 0 0 6 4 ，S h a a n x i ，Ch i n a ) Abs t r a c t ： I n o r de r t O s t ud y t he be nd i n g be ha vi o r o f s t e e l pl a t e a n d c on c r e t e c o m p o s i t e s t r e ng t he ni n g T be a m un de r s t a t i c l o a ds ， b e n di n g c a p a c i t y e x p e r i me n t s o f t WO d a ma g e d RC b e a ms wi t h s t e e l p l a t e a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r e n g t h e n i n g( S P CCS )we r e c a r r i e d o u t ，a n d t h e u l t i m a t e b e n di n g c a p a c i t y a n d me c ha ni c a l b e h a v i o r of t he s p e c i me n we r e ob t a i n e d， a n d t h e f l e x u r a 1 f a i l u r e me c h a n i s m o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e( RC)T b e a ms wi t h S PC CS wa s s u mma r i z e d Th e n，a f i ni t e e l e me n t mod e l of RC T b e a ms wi t h SPCCS wa s e s t a b l i s h e d。 f u r t he r m o r e， t he no n l i n e a r s t a t i c c a l c u l a t i o n wa s p r e s e n t e d Re s u hs s h ow t ha t t he n u m e r i e a l r e s u l t s o f no nl i n e a r s t a t i c a na l y s i s a r e i n g o od a g r e e me n t wi t h t he e x pe r i m e nt r e s ul t s The u l t i ma t e b e nd i n g c a pa c i t y c a n b e c a l c u l a t e d by pl a s t i c a na l y s i s m e t ho di t c a n b e i l l u s t r a t e d t ha t t he c a l c ul a t i on r e s u l t s a r e i n g o od a c c o r da n c e wi t h t he e x p e r i me n t r e s u l t s Ke y wo r d s：b r i dg e e n gi n e e r i ng；s t e e l p l a t e a n d c on c r e t e c o m p o s i t e s t r e ng t he ni n g；r e i nf o r c e d c o n - c r e t e T b e a m ；b e n di n g c a pa c i t y；d a ma g e 引 仁 随着交通运输业的发 展和通行荷载等级 的提 高 ， 大量现役桥梁需要进行荷载 提升和维修加 固。 同时 由于地震及 钢筋 锈 蚀 等 自然 因素 ， 以及 施 工 不 当、 超载 、 汽车撞击以及火灾等人为因素的影响， 混 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 7 2 0 基金项 目： 陕西省交通科技项 目( 0 7 0 3 K) 作者简 介： 王春生( 1 9 7 2 一 ) ， 男 ， 黑龙江绥化人 ， 教授 ， 工学博士 ， Ema i l ： w c s 2 0 0 0 w c s 1 6 3 t o m。 片 特 钢 算 算 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王春生， 等 ： 钢板一 混凝土组合加 固带损伤钢筋混凝土 T梁的抗 弯性能试验 9 5 凝土桥梁整体或局部的损坏 日益严重 。在尽量不影 响交通的情况下， 如何有效地对混凝土桥梁进行加 固和维修 是 亟 待 解 决 的 问题 。钢 板一 混 凝 土 组 合 加 固是在钢一 混凝土组合梁基础上发展起来 的一种新 型 加 固技 术 ， 也 是加 大 截 面加 固法 及 粘 钢加 固法 的 有 效组合 l 1 。它 不仅 成 功 地 利用 了这 2种 方 法 的 优 点 ， 更有 效地避 免 了两者 原有 的缺 点 ， 是对 结构 加 固技 术 的一 种创 新 与 发 展 。钢 板 混 凝 土 组 合 加 固 是通 过在 钢板上 焊接 栓钉 、 在原混 凝土 表面植 筋 、 在 原结构及加固钢板 间浇注混凝土等措施使加固部分 与原混 凝 土结构形 成整 体共 同工作 。组 合加 固方法 充分利 用 了新 、 旧材料 的性能 ， 而且 新老 混凝 土及钢 板与新 混凝 土之 间都 有 必要 的连 接 构 造 ， 受 力性 能 可靠 。新 老 混凝土 通 过 植筋 协 同工 作 ， 钢 板 和后 浇 的混凝 土通过 栓钉 相 连 接 ， 而 新混 凝 土 则 作 为钢 板 与原结构 之 间的连 接层 ， 这 样 原结构 和新混 凝 土 、 钢 板形成了共同工作 的整体 ， 使加 固后的结 构具有承 载 力高 、 刚度大 、 抗震 性能好 、 自重增加 较小 、 施工 快 速 方便 、 耐久性 好等优 点 。 目前 ， 国外 尚无钢 板 混凝 土组 合加 固的研 究 报 道 ， 但 有学 者在钢 板一 混凝 土组合 结 构方 面 做 了一些 研究L 5 j ， 并取得 了较 好 的研 究 进 展 。在 中 国 ， 有 学 者对混 凝土梁 桥 的损 伤 状 况 、 承 载力 与 加 固方法 开 展 了有 益 的研 究 工 作 。 ， 其 中聂 建 国等 首 先 提 出 了钢 板一 混 凝 土 组 合 加 固的 构 思 ， 并 进 行 了 试 验 研 究 。钢筋 混凝 土 T 梁在桥 梁 中有着 广 泛 的应 用 ， 由 于 设计标 准与交 通 需求 的变 化 ， 大 量 的 既有 钢 筋 混 凝 土 T梁 需要 通过加 固来 提 高其 承 载力 ， 因此 开展 钢板一 混凝 土组 合加 固钢 筋 混凝 土 T梁 抗 弯 承 载力 理论 与试验研 究 十分 必 要 ， 不 仅 可 以深 入 认 识这 种 新型加 固结构 的受 力 行 为 ， 而 且 可 为这 种 新 型加 固 技 术在 桥梁工 程 中的推广 应用 奠定基 础 。 1 抗弯承载力试验 1 1 试 验模型 设计 为 了更好 地 模 拟 实 际 工 程 中钢板一 混 凝 土 组 合 加 固钢筋混 凝土 T梁桥 的 受力 与 损 伤情 况 ， 设计 了 由 5片钢筋混 凝 土 T梁 组 成 的单跨 简 支 全桥 模 型 。 在 进行钢 板一 混凝 土组合 加 固之前 ， 对 全 桥模 型施 加 荷载使 T梁形成了典型损伤， 各梁裂缝分布如图 1 所示 ， 其 中 1 、 5 边梁 以竖 向裂缝 为 主 ， 2 、 4 中梁 有竖向裂缝和斜裂缝 ， 3 中梁 以斜裂缝为主。钢筋 混凝 土 T梁横截 面尺 寸如 图 2 所 示 。 为 了对 带损 伤 的 钢 筋 混 凝 土 T 梁 进 行 加 固前 ： ： ： 竺 ： = ( a ) 1 梁 ： ： ： ( b ) 2 梁 ： ： ( c ) 3 墚 ： ： ： ： ( d ) 4 梁 ： ! ： ! ( e ) 5 墚 图 1 钢筋混凝土 T梁裂缝分 布( 单位 ： mi l 1 ) F i g 1 Cr a c k Di s t r i b u t i o n s o f RC T- b e a ms( Un i t ： mm) 图 2 钢 筋 混 凝 土 T梁 横 截 面 ( 单 位 ： mm) F i g 2 Cr o s s s e c t i o n o f RC T - b e a ms( Un i t ： ram) 后 承载力 的对 比分 析 ， 首先对 3 T梁采 用跨 中单 点 加载 的方式进行抗弯承载力试验 ， 得到 的最终破坏 荷载 为 1 5 8 k N。由于 1 、 5 梁 主要 以竖 向裂 缝 为 主， 本文中对其进行钢板一 混凝土抗弯组合加 固。为 了不增加梁高 ， 梁底不植筋 ， 梁底与加固钢板间仅填 充砂浆 ， 主要依靠梁体侧面栓钉 、 植筋和新浇混凝土 实 现与 原结 构保持 共 同工作 。模 型设计 的 目标 是保 证 组合加 固后 试验 梁仍 能发生 弯 曲破坏 ， 也就是 说 ， 当构件处于极限状态时 ， 在加固钢板 的应力达到屈 服强度 的同时 ， 混凝 土 受 压边 缘 应 变 也 达 到极 限压 应变 ， 因此需要合理确定加固构造与细部尺寸， 如加 固钢板的厚度等。加固钢板的厚度除了满足栓钉焊 接的构造要求外 ， 还要保证加 固钢板屈服时受压区 混凝 土被 压坏 。经 过 有 限元 分 析 ， 确 定 加 固 钢板 的 合理厚 度 为4 mn l 。试验 梁 组合 加 固构 造 如 图 3 所示 。 钢筋 混 凝 土 T 梁 的 混 凝 土 设 计 强 度 等 级 为 C 3 0 ， 混凝 土 采 用 与试 件 同 条 件 养 护 的立 方 体标 准 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 0血 4 5 0 图 3组 合 加 固后 钢 筋 混 凝 T梁 构 造 f 单位 ： ram) F i 窖 3 D e t a i l o f RC T - b e a ms wi t h S P CC S( Un i t ： mm 试块 测 试 其 立 方体 抗 压 强 度 ， 采 用 3 0 0 mm 1 5 0 minx 1 5 0 mm的棱柱体试块测试其弹性模量 。 2 8 d的混凝土立方体抗压强度平均值为 4 5 9 MP a ， 弹性 模量 平均值 为 2 8 8 GP a 。纵 向受拉 钢筋 为 6 雪 1 6 ， 屈 服强 度为 3 9 0 MP a ； 受压 钢 筋 、 箍筋 及 纵 向 分布钢筋均选择 乒 6的钢筋， 屈服强度为 3 1 7 MP a ； 箍筋 间距 为 1 5 0 m m。加 固部分 混凝土的设计强度等 级为 C 4 0 。加固钢板采用 Q 2 3 5钢材， 厚度为4 mm， 屈 服 强 度 为 3 3 7 MP a 。加 固 用 植 筋 选 用 1 6的 HRB 3 3 5 钢 筋 ， 植 入深度 为 6 0 r T I 1T I ， 为 了避免 在同一 个 断面上 造 成 过 大 截 面 削 弱 ， 植 筋 沿 梁 交 错 布 置 。 加 固钢板通过栓钉与加固混凝土连接 ， 栓钉型号为 1 0 5 5， 屈服强度为 3 1 0 MP a ， 极 限抗拉强度为 4 6 0 MP a ， 在加 固钢 板上 焊 接 的 问距 为1 0 0 mm。为 了保证整 体性及 传力 均匀 ， 构造钢 筋 网片采用 6的 光 圆 钢 筋 绑 扎 成 形 。 植 筋 胶 选 用 喜 利 得 HY1 5 0 MAX， 其属 于快凝 型植筋 胶 。 1 2加载装 置与 测点 布置 该试 验所选 用 的 2片钢 板一 混凝 土组 合 抗 弯 加 固试 验梁 编 号 为 S P C C S B 一 1及 S P C C S B - 2的梁 ， 其 中 S P C C S B - 1 对 1 粱经 过钢 板一 混凝 土 组合 加 固后 并对原梁混凝土表面进行了凿毛处理 ， 增加新老混 凝 土 的结合 能力 ； S P C C S B 一 2对 5 梁 进行 钢 板 混凝 土组加 固， 原 有混 凝 土 表 面未 凿 毛 。 由 2片 试 验梁 可 以了解 原有 混凝 土梁表 面凿 毛与否对 组合 加 固承 载能力的影响。试验采用跨 中单点加载方法， 根据 有 限元 分 析所 得 的极 限承 载力 选择 5 0 0 k N 千 斤顶 进行加载 ， 荷 载 由压力传感器测量 ， 采用 T D S 一 6 0 2 静 态 电阻应 变仪对 试验 全过 程的应变 和位 移进行数 据采 集 。 为了准 确反 映试验 梁在外 荷载作 用下 的应变 分 布及变形， 明确钢板一 混凝土组合加固钢筋混凝土梁 的受力 机理和破 坏 形 式 ， 试 验 中主 要测 量 了跨 中及 1 4截 面 的竖 向 挠度 、 新 老 混 凝 土 结 合 面 的相 对 滑 移 、 加 固钢板与 加 固混 凝土 界面 的相对 滑移 、 加 固钢 板应 变 、 混 凝土应 变及 原结构 钢筋 应变等 ， 其布置 见 图 4 ， 其 中 ， S B表 示 栓 钉应 变测 点 ， S Z J表 示植 筋 应 变测点 ， S 1 S 1 6表示 箍 筋应 变测 点 ， S S 1 、 S S 2 、 S S 3 表示 主筋 应 变 测 点 ， S C T 表 示 混 凝 土 顶 面 应 变 测 点 ， S F表示 底 面 钢 板 应 变测 点 ， S W 表 示 侧 面钢 板 应变 测点 ， 位 移 计 DH1 、 D H2 、 DH5 、 DH6 、 DH9 、 DH1 0测 新 老 混 凝 土 相 对 滑 移 ， DH3 、 D H4 、 DH7 、 D H8 测 新混 凝土 与钢板 相对 滑 移 ， D W 表示 腹 板应 变测点 。试验梁 S P C C S B - 1与试验梁 S P C C S B - 2的 测 点布 置相似 。 1 3试验 结果与分 析 1 3 1荷 载一 位 移 曲线 图 5为钢板一 混凝 土组合加 固试验梁及钢筋混 凝土对 比梁跨 中截面荷载一 位移曲线 。由荷载一 位移 曲线 的变 化趋势 可 以看 出 ， 试 验 梁 的 工作 过程 可 分 为 3个 阶段 ： ( 1 ) 当荷载 小 于 0 2 P 时 为弹 性 阶段 ( P 为 破 坏荷 载 ) ， 荷 载一 位 移关 系 曲线 基 本 呈 线性 关 系 。此 时加 固钢 板及 原结 构钢 筋 的应 变水 平 都 较低 ， 远 未 达 到屈服 应变 。 ( 2 ) 当荷载 大 于 0 2 P 小 于 0 8 P 时 ， 荷 载一 位 移呈 非线性 关 系 ， 混凝 土开裂 ， 试件 刚度 有一定程 度 的下降。当荷载约为 0 4 P 时 ， 端部新老混凝土斜 坡界 面 出现横 向裂缝 ， 主 要是 由于新 老混 凝 土之 间 的粘结 力 丧 失造 成 的 ； 当荷 载 达 到 0 5 P 时 ， 腹 板 混凝 土 开始 出现斜裂缝 ， 这 一 阶段 裂缝 开展缓慢 ， 裂 缝 宽度增 长不 大 ， 试 验梁进 入 弹塑性 阶段 。 ( 3 ) 当荷载 超 过 0 8 P 时 ， 荷 载一 位 移呈 上 升 的 非线 性关 系 ， 截 面 刚 度远 小 于 弹性 阶段 。这 时试 验 梁跨 中截面塑性开始发展 ， 原结构受拉钢筋及侧面 加 固钢 板 的下 半 部分 相 继 屈 服 ， 跨 中竖 向位移 的增 长速 度加快 ， 试验梁进入破坏 阶段 。当加载 到3 1 5 k N 时， 试验梁发出响声 ， 上翼缘加载点处混凝土开始崩 裂 。此后 ， 试验 梁 S P C C S B - 1荷 载 增 长 很 小 而变 形 迅 速增 加 ， 当外 荷 载增 加 到3 4 5 k N时 ， 达 到 极 限承 载力 ； 试验梁 S P C C S B - 2在荷载达到 3 1 5 6 k N时破 坏。试验过程 中 2片试验梁的新老混凝土、 加固钢 板与加 固混凝土均能够较好地共同工作 ， 无显著剥 离破坏 现象 。试验 表 明 ， 钢板一 混 凝土 组合 加 固钢筋 混 凝 土梁具有 较 高的抗弯 承载 力和延性 性能 。试 验 梁 的破 坏形式 如 图 6所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王春生， 等 ： 钢板一 混凝 土组合加 固带损伤钢筋混凝土 T梁的抗 弯性能试验 9 7 nl I L L L J 。 一L 。 I 一 = =l=； 一 】一 3= l = ； l一 = ； = =【 一 l一 4 ：； 3= =； I ! I J 4 l 50 f a ) 钢 筋 测点 3 870 ( b ) 栓 钉 测 点 f c ) 立 面 3 3 2 重 2 饕 1 I | ( d ) 平 面 ( e ) 位 移测 点 i 应 变 片 虫 位移 计 。 两面 都 有 图 4测 点 布 置 f 单 位 ： mm) F i g 4 Ar r a n g e me n t s o f Me a s u r i n g P o i n t s( Un i t ： mm) 位 移 mm 图 5跨 中荷载一 位移 曲线 Fi g 5 Loa d - d i s pl a c e m e n t Cu r v e s of M i d - s p a n 1 3 2 新老 混凝 土之 间的相对 纵 向滑移 图 7为 2个试验梁新老混凝土结合 面的荷载一 纵 向滑 移 曲线 。从 图 7可 以看 出 ， 试 验 梁 S P C C S B - 2的滑移量 明显 大于 试 验梁 S P C C S B - 1的纵 向滑移 量 ， 由此 可见 ， 在原结 构 混凝土 表 面采 取凿 毛处 理可 有效提高新老混凝土结合面的粘结强度， 保证新老 混凝土的共同工作 ， 以确保组合加固效果。 ( a ) 试验 梁S P C C S B 1 ( b ) 试 验粱 S P CCS B一 2 图 6 组合加 固试验梁的破坏形式 F i g 6 Fa i l u r e M o de s o f Te s t Be a m s wi t h Co mp o s i t e St r e n gt he ni n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0血 赫 枢 纵 向滑 移 ram 图 7 新老混凝土结合面的荷载一 纵向滑移 曲线 Fi g 7 Lo a d - v e r t i c a l Sl i p Cu r v es o f I nt e r f a c i a i Bo n di n g o f Ne w t o Ol d Co nc r e t e 从 图 5 、 7可 以看 出 ， 无 论对 原结 构 混凝 土 表 面 是否采 取凿 毛处 理 ， 组 合 加 固后 结 构 均 可 以达 到 其 塑性抗弯极限状态 ， 对原结构混凝土表面进行凿 毛 处 理 的试 验梁 S P C C S B - 1的抗 弯 承 载 力 、 刚度 较 未 经凿毛 处理 的 S P C C S B - 2略高 。 1 3 3 跨 中截 面沿 梁高方 向的应 变分布 图 8为钢板一 混凝 土抗弯组合加固混凝土梁在 各级荷载 P作用下跨 中截面的纵 向应变沿梁高方 向的分布 。图 8纵坐标表示测点在梁高方向的相对 位置 ， Y轴 0点 为 试 验 梁 下 翼 缘 ， 其 中正 值 为 拉 应 变 ， 负 值为压 应变 。 吕 矗 桓 应 变 1 0 图 8 跨 中截 面 应 变 沿 梁 高 分 布 Fi g 8 Di s t r i bu t i on s o f M i d - s pa n S e c t i o n S t r a i n Al o ng Be a m De pt h s 从 图 8 可 以看 出 ， 在各 个加 载阶段 ， 试验梁 截 面 变 形基本 上符 合 平截 面 假 定 。在加 载 初 期 ， 试 验梁 截 面处 于弹性 阶段 ， 随着荷 载 的增 大 ， 应 变从加 固钢 板 底 面到混凝 土上翼 缘呈 线性 分布 ； 随荷载 的增大 ， 受压区应变增长速度与受拉区应变增长速度都有所 增加， 但受拉区应变增长速度 的增长幅度大于受压 区 ， 说 明试验 梁受拉 区先 于受压 区进入 弹塑性 阶段 。 试验结果表明， 随着荷载的增大 ， 底面加 固钢板首先 屈 服 ， 而后 侧 面加 固钢 板 从 下至 上 依 次达 到 屈 服极 限 ， 最后受 压 区混凝 土压碎 。 1 3 4 跨 中加 固钢板 的荷栽一 应 变关 系 图 9为跨 中截 面位置 原结构 受拉 主筋与加 固钢 一侧 面钢 板S W1 距 底 面边 缘l 1 0 mm 一 一 侧 面钢 板S W2 距 底 面边 缘7 0 mm 一侧面钢扳s w3 距底面边缘3 0 mm 一加 固钢 板底 面 一原 结构 受拉 主 筋 2 4 6 8 1 0 1 2 应变 1 0 图 9 跨中主筋及 加固钢板 的荷载一 应变 曲线 Fi g 9 Lo a d s t r a i n Cu r v e s o f M i d - s pa n Re i n f or c e d Ba r s a n d S t e e l Pl a t e s 板 不 同位 置 处 的荷 载一 应变 关 系 。从 图 9可 以看 出 ， 随着荷 载 的增 大 ， 底 面加 固钢板 首先 达到屈服 ， 而后 原 结构受 拉 主筋进 入 屈 服状 态 ， 最 后侧 面加 固钢板 由下至上 依次 达 到屈 服 极 限 。由此 可 知 ， 加 固钢 板 充 分发挥 了其抗 拉强 度 ， 同时也 说 明 了钢板一 混 凝土 组 合加 固混凝 土梁 有 效地 提 高 了结 构 承 载力 ， 而且 结 构的延 性也得 到 了充分发 挥 。 1 4 抗 弯承载 力与 刚度分 析 钢板一 混凝土组合加 固梁与钢筋混凝土对 比梁 的 主要 试验 结 果 见 表 1 。从 表 1可 以 看 出 ， 组 合 加 固试 验梁 S P C C S B 一 1的 抗 弯 承 载 力 提 高 了 近 1 2 倍 ， 试验梁 S P C C S B 2的抗弯承载力提高了近 1 倍。 在整个 加载 过程 中 ， 新 老 混 凝 土 之 间及 加 固钢 板 与 加固混凝土之间均能够很好地共 同工作 ， 没有发生 界面剥 离现 象 ， 试 验 梁 的破 坏 形 式 为 弯 曲破 坏 。混 凝 土 的开 裂是结 构 刚度下 降 的主要 因素 ， 钢 板一 混凝 土组合 加 固的外包 加 固钢 板很 大程度 地限制 了裂缝 的发展 ， 提高了梁体的刚度 。另外加固混凝土不仅 起 到使加 固钢板 与原 结 构混 凝 土 共 同工 作 的作 用 ， 而且增加 了结构的横截面 ， 提高了刚度 。 表 1 抗 弯 承 载 力 试 验 结 果对 比 Ta b 1 Co m pa r i s o n s o f Ex pe r i m e nt Resul t s o f Be nd i n g Ca pa c i t i e s 试验梁编号 抗弯承载力试验值 k N 提高率 对 比 梁 1 5 8 O SP CCS B一 1 3 4 5 0 1 1 8 O SP CCS B 2 3 1 5 6 9 9 7 1 5裂缝分 布 由于钢板一 混凝土组合加 固混凝 土梁 的加 固钢 板 位于梁 体外侧 ， 因此梁体 的裂缝 不外 露 ， 加上 加 固 部 分对原 结构混 凝 土具 有 很 好 的 约束 作 用 ， 很 大 程 度上限制 了裂缝的出现和发展。组合加固试验梁裂 缝分布如图 1 O所示。从图 1 0可 以看 出， 除了跨中 区域有些弯曲裂缝外 ， 梁体裂缝以腹板斜裂缝为主， 这 主要是 原梁箍 筋配 置数量 较少 所致 。 0 O O 0 O O O O 如 加 ： 2 引 z 藕挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王春生， 等： 钢板一 混凝土组合加固带损伤钢筋混凝土 T梁的抗弯性能试验 9 9 ( a 试 验梁S P C C S B - 1 ( b 试验 梁S P CCSB- 2 图 l O 钢 板- 混 凝 土 组 合 加 固钢 筋 混 凝 土 T梁 的裂 缝 分 布 Fi g 1 0 Cr a c k Di s t r i b ut i o n s o f RC T- b e a ms wi t h S PCCS 2 数值分析 2 1有限元模 型 为 了对试验 梁在 外荷 载作用 下 的响应进 行较 好 的模 拟 ， 采 用 壳 单 元 S h e 1 1 1 4 3模 拟 加 固钢 板 ， 三 维 实体 单 元 S o l i d 6 5模 拟 混 凝 土 ， 两 节 点 单 元 L i n k 8 模拟 钢筋 。建模 时假 设新 老混凝 土之 间及加 固钢 板 与加 固混凝 土之 间 无纵 向滑 移 ， 采 用 共用 节 点 的 方 法实 现界 面之 间的连 接 。 2 2 有 限元计 算结 果与试 验结 果 的比较 从表 2可 以看 出 ， 考虑 了材料 非 线 性 的有 限元 计算 结果 P 与 试 验 实测 结 果 P 十分 接 近 。说 明 有 限元 模型 可 以较好 地 模 拟 结构 的真 实 受力 状 态 ， 并用 于构件抗 弯 承载力 的计算 。 表 2 有 限元计算 结果 与试验结果的 比较 Ta b 2 Co m p a r i s o n s o f Fi ni t e El e m e nt Ca l c ul a t e d Re s u l t s a nd Exp e r i m e nt Re s u l t s 荷 载 P1 k N P2 k N P1 P P 1 7 1 1 5 8 1 O 8 Py 2 5 7 2 3 1 1 1 1 P 3 7 7 3 4 5 1 0 9 注 ： Pu为 组 合加 固前 梁 破 坏 时 的 极 限荷 载 ； P 为 组 合 加 固后 加 固钢板底面达到屈服应力时的屈 服荷载 。 图 1 l 为跨 中荷 载 位 移 曲线 。从 图 1 1可 以看 出 ， 数值计 算结 果与试 验所 得 的构 件跨 中荷载一 位 移 关 系曲线 变化规 律一 致 ， 在 弹性 阶 段荷 载一 位移 关 系 曲线基 本重 合 。当构 件 进 入 弹 塑 性 阶 段 后荷 载一 位 移关 系曲线有 一定 的差 异 ， 同一 荷 载作 用 下 位 移 的 计 算值 小于试 验值 ， 这是 由于 计 算分 析 时 采 用公 用 节点的方法 ， 忽略新 老混凝土之问及加 固钢板与加 固混凝 土之 问的滑 移 ， 将其 视 为整体 共 同工作 ， 导致 梁 体计算 刚度 大于 实际值 。 3 计算分析 若假 设新 老混凝 土之 间及加 固钢 板与加 固混 凝 图 1 1 跨 中荷 载 一 位 移 曲线 对 比 Fi g 1 1 Co m pa r i s o n s o f Loa d - di s pl a c e me nt Cur v e s o f M i d- s pa n 土 之 间能 够共 同工 作 ， 则 可 采 用 钢筋 混 凝 土 双筋 梁 的塑性分析方法计算钢板一 混凝土组合加固梁的极 限抗 弯 承载力 。 正截面受 弯承载力 的计算模 型如 图 1 2所示。 当加 固钢 板及 受拉 钢 筋 属 于适 筋 梁 范 围 内 时 ， 可得 到 正截 面受弯 承载 力 的计 算公 式为 口 1 6 f z+ y A 一 p ( 厂 p y A。 p f + 2 A ) +f s A。 ( 1 ) MJ f s A ( 五 。 一) + A p f ( 五 一 t s p 一 号 ) + 2 A ( 一 一 鲁) 十 A ( 吾一n ) ( 2 加 ( a ) 侧 面 b ， b ( b ) 截 面 图 1 2 钢 板一 混凝 土组合加 固正截面 承载 力的计算模型 Fi g 1 2 Ca l c ul a t e d M o d e l of Be a r i ng Ca pa c i t y wi t h S PCCS 量 土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 0 建筑科 学与 工程 学报 2 0 1 0晕 = ( 3 )4结语 。一 O s p o k ( 4) 式 中 ： 为考虑 二 次 受力 影 响 时 ， 加 固钢 板抗 拉 强 度达不 到设计 值而 引用 的折减 系数 ， 当 。 1 O 时 ， 取 一1 0 ； e 为考虑二 次受 力 影 响 时 ， 加 固钢 板 的滞后应变 ， 若不考虑二次受力 ， 取 e 一0 ； 为受 压 区混凝 土矩形 应力值 与混 凝土轴 心抗压 强度设 计 值的比值 ， 小于 C 5 0的混凝土 ， a 一1 o I c 为混凝土 极 限压应 变 ， 取 = = = 0 0 0 3 3 ； f 。 为 加 固钢板 的屈 服强 度 ； f s 、 分别 为 受拉 、 受压 钢 筋 的屈 服 强度 ； E 。 为加固钢板的弹性模量 为综合考虑受弯构件 开裂 截面 内力臂 变化 、 钢 筋 拉应 变 不 均 匀 以及 钢筋 排列影响的计算系数 ； n 为纵 向受压钢筋合力点至 混凝土 受压 区边缘 的距离 ； h 。 为 构件 加 固前 的截面 有效高度； h 。为构件加固后的截面有效高度； h为构 件加 固后 的截 面高度 ； A 、 A 分别 为结 构受 拉 、 受 压 钢 筋面 积 ； A。 r 为加 固钢板 底 板 面 积 ； A 为侧 面 加 固钢板面积 ； h 为侧面加 固钢板高度 ； M 为作用 在 原结构 上 的初 始弯 矩 。 由于 这 2 片试 验梁 组合加 固前 结构上 的作用 效 应 Mo 较 小 ， 经计 算 ， 应力 水 平指 标 B o 2 ， 而且 在 加 固前卸掉 了作用 在原结构上 的外 荷载 ， 应力滞 后现 象不 明显 ， 所 以不 考虑 二次 受力 影 响。采用 式 ( 1 ) ( 4 ) 及 参考 相关 材性 试验 得 到 的实 际 材 料 强度 计 算 结构 的极 限抗弯 承 载力 ， 计 算 结果 与 试 验结 果 的 比 较 见 表 3 。计 算 时 采 用 材 性 试 验 实 测 值 f o 一 4 O 5 5 MP a ， f s 一3 9 0 MP a ， f 一3 3 7 MP a 。表 3中 M u ， 为 由试 验 得 到 的极 限 弯矩 ， Mo ， 为 由计 算 得 到 的极 限抗弯 承载力 。 表 3 极限抗弯承载 力计算结果与试验结果的比较 Ta b 3 Co mpa r i s o ns o f Ca l c u l a t e d Re s ul t s a nd Ex p e r i me nt Re s u l t s of Ul t i mat e Be n di ng Cap a c i t i e s 试验梁编号 M ( k N m) M ( k N m) M MZ S PCCS B一 1 3 8 9 8 3 4 5 O 1 1 3 S PCCS B- 2 3 8 9 8 3 l 5 6 1 Z 4 从 表 3可以看 出 ， 按 双 筋梁 的塑 性 方法 计算 钢 板一 混凝 土 组合 加 固梁 S P C C S B - 1的极 限抗 弯 承 载 力结果 与试 验结果 吻合很 好 ， 说 明理 论 简化 计 算模 型能够 较 好 地 反 映 试 验 梁 的极 限 抗 弯 承载 力 。但 S P C C S B - 2的计算 结 果 与试 验 结 果 偏 差 较 大 ， 主要 因为本 文 中提出 的简化计 算模 型 尚无 法计入 界面结 合程度及其相对滑移的影响。 ( 1 ) 通过模型试验得到了钢板一 混凝土组合加固 钢筋混凝土 T梁的抗弯承载力以及模型的变形特 征 、 跨 中截面应 变变化 规律 和应变分 布规律 ， 揭示 了 钢板一 混凝土组合加固钢筋混凝土 T梁的受弯破坏 机理 。 ( 2 ) 在 原结构 混凝 土表 面 采取 凿 毛措 施 可 有效 提高新老混凝土结合面的粘结强度， 保证新老混凝 土的共 同工作。不进行凿毛处理虽然会使承载力有 所降低 ， 但仍可使组合加固钢筋混凝土 T梁达到塑 性 抗 弯极 限状 态 。 ( 3 ) 组合加固中， 界面剥离破坏为脆性破坏， 设 计时应该避免 。试验证 明： 通过合理配置植筋及栓 钉 剪力 连接件 ， 可 以实 现新 老 混 凝 土之 间及 加 固钢 板与加固混凝土之间 良好 的共同工作 ， 加固试件呈 现 出典 型