带蒙皮FRP格栅增强混凝土板受弯理论分析.pdf

2 0 1 4 年 第1 1期 (总 第 3 0 1期 】 Nu mb e r 1 1 i n 2 01 4( To t a l No-3 01 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 1 0 1 1 带蒙皮 F R P格栅增强混凝土板受弯理论分析 欧阳懿桢 ，庄勇 ，刘伟庆 ，方海 ( 1 南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ；2 中铁大桥勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 提出了一种全新的F R P 一 混凝土的组合形式( 带蒙皮 F R P格栅增强混凝板 ) ， 与之前的F R P格栅增强混凝土板件不同， 该 类型板件的最大特点在于 F R P 格栅下侧增设有 F R P蒙皮 。 因此在浇筑时， 该蒙皮既能充当浇筑混凝土时的模板 ， 又能参与成型后板 件的受力； 预测了该类型板件可能出现的三种破坏模式， 并且推导出了该类型板件在不同破坏模式下板件的抗弯极限承载力公式。 关键词 ： 带蒙皮 F R P 格栅增强混凝土板 ；F R P蒙皮 ；抗弯承载力 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 4 ) 1 1 - 0 0 4 4 0 3 B e n d i n g t h e o r y a n a l y z i n g o f c on c r e t e s l a b s t r e n g t h e n e d b y F RP gr i d w i t h f a c e s h e e t OUYANG Yi z h e n ， ZHUANG Yo n g 2 LI U We i q i n g ， F ANG Ha i ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Na n j i n g T e c h U n i v e r s i t y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ； 2 C h i n a Z h o n g t i e Ma j o r B r i d g e R e c o n n a i s s a n c e a n dD e s i g n I n s i t u d e C o ， L t d ， Wu l t a n 4 3 0 0 5 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e e s s a y a d v a n c e s a n e w f o r m o f F l I P c o n c r e t e s l a b ( c o n c r e t e s l a b s t r e n g t h e n e d b y F RP g r i d wi t h F R P f a c e s h e e t ) ， b e in g d i f - f e r e n t f r o m t h e f o r e c o n c r e t e s l a b s s t r e n gth e n e d b y F RP g r i d i t s r e ma r k a b l e f e a tu r e i s t h a t t h e f a c e s h e e t wo r k s a s t wo f a c t o r s wh e n t h e c o n c r e t e i s c a s t i n g， t h e f a c e s h e e t c a n be the mo u l d a nd a fte r t h e s l a b i s s h a pe d， t h e f a c e s h e e t c a n a l s o b e a r t h e l o a d a s a po r t i on o f t h e s l a b T h e e s s a y a l s o f o r e c a s t s t h r e e f a i l u r e mo d e s o f b e n d i n g a n d d e r i v a t e s t h e fl e x u r a l c a p a c i ty u n d e r t h e t h r e e f a i l u r e mo d e s Ke yw or ds ： c o nc r e t e s l a b s t r e ng t h e n e dbyF RP g r i dwi t hFRPf a c e s he e t ； FRPf a c e s h e e t ； fle x u r a l c a pa c i ty 0 引 言 钢筋混凝 土在土 木丁程 中一直是处于主导地位 的建 筑材料 ， 其优点在于 良好的可塑性 、 整体性 、 耐火性等 ， 而 其 内部钢筋 的腐蚀破坏作为混凝土结构耐久性破坏 的最 首要因素一直制约着它 的发展。 据统计表明 ， 在 国外 ， 由于 钢筋混凝 土结构 中的钢筋腐蚀破坏 而造成 的经济损失高 达其 国民经 济总产值的 2 4 。 同样地在我 国， 此类问题 表现 的 十分严重 ， 据相关专家预测 ， 在未来 的一至 三十年 内 ， 将是我 罔基础设施维修 的高峰期 ， 而由此带来 的经济 损失可想而知_ 1 。 因此 ， 混凝 土结构今后 的发展 ， 在 很大程 度上 ， 除了取决于其耐久性研究的深入及工程结构 因钢材 锈蚀事 故的避免和减少 ； 另一方面 ， 更取决于新型材料的 发展和应用。 凶此 ， 要求寻找一种能抗腐蚀 的配筋材料代 替原混凝土结构中的钢筋必将成新时期混凝土结构研究 和发展 的主要方 向。 国 内外的许多研究和工程应用表 明， 树脂基纤维高强复合材料( 简称 F R P ) 及其相关产品是增 强和改善混凝土结构 的一种新的优 良材料 ， 它能在一定较 好地满 足新时期机构材料 的要求 。 因此 ， 济南大学 的徐新 生 、 纪涛等闭 则对 F R P 筋混凝土梁 的弯矩试 验和设计方法 进行 了探索 ， 并且采取 了有 限元模拟 分析进 行对 比； 赵德 芳 等l 3 l对 F R P平 面正交格栅加筋混凝 土梁 的弯 曲行为和 破坏模式进行 了试验研究 ， 黄金等同 对碳纤维编制格栅混 凝土梁 的受弯性能 。 在 国外 ， Ma s m o u d i 、 B e n mo k r a n e 等53 研 究 了 C F R P平面格 格栅加筋 混凝 土单 向板 的受弯性 能 ； J o s e p h 、 C h a r l e s l 等则对采 用了 F R P模塑格栅作 为增强构 件的混凝土梁进行了弯 曲试验研究。 1 带蒙皮 F RP格栅混凝土板简介 1 1 F RP格 栅 概 况 树脂 基纤维增强复合材料格栅 ( 简称 F R P格栅 ) 一般 主要指采用不饱和聚酯树脂作为基体材料 ， 玻璃纤维作为 增强材料 ， 通过一定 的成 型工 艺( 包括模 塑成 型工艺和拉 挤成型工艺 ) 制作而成的带有许多网格的板状材料 ， 如图 l 所 示 。 根 据其 成型工 艺 的不 同 ， 可分 为 F R P拉 挤格 栅和 F R P 模塑格栅( 本研究为F R P 模塑格栅) 。 F R P格栅于上 世 纪 6 O 年代在美 国问世 ， 并 日益受 到社会大众 的广泛认 可。 F R P格栅的优势主要体现于以下几个方面 ： ( 1 ) 耐腐蚀性强 ； ( 2 ) 轻质高强 ； ( 3 ) 阻燃性强 ； ( 4 ) 抗冲 击性强 ； ( 5 ) 耐老化 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 5 0 4 基 金项 目：同家 自然科学基金重点项 目( 5 1 2 3 8 0 0 3 ) ； 江苏省 自然科学 基金( 5 5 1 3 0 0 0 5 ) 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 合材料底 板上各点 的线应变沿其 厚度变化 不大 ， 均 等于 ) ， 由几何关系可得到 8 。 、 8 、 三者的表达式如下 ： 对于 I 型破坏 ， 8 l = 垒 ! 二 ，sF ( h - x - h g ) 一 u 8 y； u 对于 I I 型破坏 ， s ， 8 2 = e u ( h e -x u -h g ) ，s y； ， c u ， c u 对于 I I I 型破坏 ： ， 2 = 一 8 = ( h - x u - h g ) 一 ， y 戈u 2 2 4 确定 二 三 种破坏模式下截面受压区高度 对于 I 型破坏 ， 根据钢筋混凝 土原理 中等效矩形理 论， 由图( b ) 根据静 力平衡关系可知 ： O l t 6 u ：= n 6 h ( ) A ( 1 ) 将 2 2 - 3 代人 ( 4 ) 整理后 ， 可得 ： 2 l b 。 。 2 c u ( 1 2 g E g b g g + b A sb ) u + s c u ( 1 1,g E g b g h ； 一 2 n g E g b g h g h 一 2 h E b A s b ) = 0令 a = 2 a 1 6 ， b = 2 s n g E g b g g + b) ， c 。 n g E g b g 一 2 n g E g b g h g h 。 一 2 h 。 E b A s b ) 可得 I 型破 坏极限状态下的受压区高度 的计算式( 2 ) ： 、 6 一 4 n c b n ( 2 ) 当发生 I I 型破坏时 ， 由于受压区混凝 土并未达到其 极限压应变 ， 所以不能用之前 I 型破坏 中的等效矩形应力 系数 ( 即： O t = 1 0 ， = 0 8 ) 来计算受压区混凝土的应力值 ， 而需 要根据 规范给定 的混凝土材 料的本构关系进行 积分。 若根据之前 的 I 型破坏 ， 仍可将受压 区实际混凝土的应力 图形等效为一矩形应力图 ， 则有 ： D c = k 1 f c b c = O r 1 6 。 卢 l ( 3 ) 式中： k 混凝土矩形应力图形系数 ， 即： kl= 垒 一 ，0 。 8 0 3 6 1 一 ， 0 8 。 3 一 ( 4) ( 5 ) ，0F I 6 一 e 。 一 ( 0 ， s 。 ) 范 围内则换用 oo ( C O , ) ， 从 而联立式 ( 5 ) 和式 ( 6 ) 求得 。 对于 I I I 型破坏 ， 由图( a ) 可知， 根据几何关系， 可得 ： 三 ： ( 91 g u h c - u 所以有 ， 韭 ( 1 0 ) gu 十 g 2 2 5 确定三种破坏 的极限弯矩 眠 由图( b ) 可知 ， F R P格栅增强混凝土板 的极 限弯矩可 由 3 部分组成 ，即受压 区混凝土对截面中性轴的弯矩 、 复合材料受拉底板对截面中性轴 的弯矩 眠 以及复合材料 受拉格栅对 中性轴的弯矩 ， 且三者的计算式如下 ： 对 于I 型 破 坏 ， M c= a ， 6 x u - 1 ( 1 1 ) 将 1 = 1 0 ， 3 = 0 8 t 吖 弋 人式( 1 0 ) 中， 可得 ： 帆 ： 0 4 8 Ab ( 1 2 ) Mb = E b c A h o - x u 十 ) ( 1 3 ) 将 2 2 _ 3 中的计算式代入式 ( 1 2 ) 中， 可得 ： Mb = E b A b ( + ) ( 1 4 ) J c- xo- hg E g e g n g b s y d y ( 5 ) 将 2 2 3中的计算式代入式( 1 4 ) 中， 可得 ： n g ( 一 ) 一 ( 。 一 h ) ( 1 6 ) j 综上可得 ， F R P格栅增强混凝 土板 I 型破 的坏极限弯 矩 帆 的计算式如式( 1 7 ) ： u= + b+ g = 0 4 8fi b j 2 + 墨 垒 ! =： A ( h - x u + ) + 喜 E g 6 。 ( 。 叫 ) 3 ( h - x o - h g ) ( 1 7 ) 3 r E 同理 ， 可得 型破坏 的 眠 为： a ,f b 3 1x o ( 譬 ) A ( 。 u+ 争 ) + n g E b 如 u ) 3 ( h c- X h g ) 3 ； ( 1 I I I 型破坏的 帆 为 ： Mu - O 4 8 fib x 1 b A ( 。 u 十 ) + n g E b g ( h 。 ) 一 ( 。 I广 ) 3 】 ( 1 9 ) 3结论 ( 1 ) 提 出了一种新型的 F R P 一 混凝土组合板结构形式 ， 即带蒙皮 F R P格栅增强混凝土板 。 该类型板件制作方便 ， 可直接在预制的带蒙皮的 F R P格栅板上直接浇筑混凝 土 制成 ， 其最大 的特点在于下表面蒙皮 既能充 当混凝 土浇筑 时的模板 ， 又能作为受力构件参与板件的受力过程 。 下转第 5 2页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土的劈裂抗拉强度 MP a ( 2 ) 制砂混凝土 的劈裂抗拉强度与抗压强度之问的拟 合关 系用普通混凝 土的拟合方 程计算值偏 小 。 结 合本研 究 ， 推荐机制砂混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度拟合方程 为A= 0 1 9 x ( 1 + 0 1 ) ， 。 参考文献 ： 【 1 】 李溪 浒泊机制砂与河砂混凝土力学性能的对比研究f J 1 山西建 筑 ， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 8 ) ： 1 1 2 1 1 3 2 1张剑波， 杨长辉 ， 胡善铨， 等 混合砂混凝土性能研究【 J 重庆建 筑大学学报， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 3 ) ： 8 7 9 0 3 肖保怀 ， 姜涵 ， 宋留强 机制砂及矿渣微粉配制 C 5 0 C 8 0 高性能 上接第 4 6页 ( 2 ) 预测 了带蒙皮 F R P格栅混凝 土板可能 出现 的三 种破坏模式 ： a 混凝 土受压破坏( I 型破 坏 ) ； b F R P蒙皮受 拉破坏 ( I I 型破坏 ) ； c 界限破坏( I I I 型破坏 ) 。 ( 3 ) 针对不 同的破坏模式 ， 推导 出了构件相应 的抗弯 极限承载力计算公式 ， 为今后该类型板件受弯性能的深入 研究提供 了理论 支撑和公式参考 。 参 考 文献 ： 1 】陈丽金 昆凝土结构钢筋腐蚀的产生、 危害与修复技术f J 1 中国 建材科技 ， 2 0 0 3 ( 1 ) 【 2 】 徐新生 ， 郑永峰F R P筋力学性能试验研 究及混杂效应分析【 J J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ( 6 ) 【 3 】 赵德芳， 李昶， 刘忾 F R P 格栅加筋混凝土梁试验研究 J 山东交 通学院学报 ， 2 0 1 2 ( 2 ) 【 4 黄金 ， 姚立宁 ， 何军拥碳纤维格栅混凝土抗弯性能研究【 J J 河南 科学 ， 2 0 0 2 ( 6 ) 上接第 4 9页 的表达式 ， 混凝土强度等级与损伤加速度的换算 系数 麟 和 损 伤速度 的换算 系数 K 、 ， 呈指数函数关系 ， 可通过换算 系 数和干湿循环试验数据来预测干湿循环 的相对动弹模量。 参考文献： 【 1 NE V I L L E A T h e c o n f u s e d w o d d o f s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 5 1 2 9 6 【 2 】HE KA L E E， K I S HAR E， MO S T AF A H Ma g n e s i u m s u l f a t e a t t a c k o n h a r d e n e d b l e n d e d c e me n t p a s t e s u n d e r d i f f e r e n t c i r c u ms t a n c e s J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 4 2 1 1 4 2 7 【 3 金祖权， 孙伟， 张云升 混凝土在硫酸盐、 氯盐溶液中的损伤过 程U 1 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 3 0 6 3 5 【 4 金祖权， 孙伟， 赵铁军， 等0 昆 凝土在硫酸盐一 氯盐环境下的损伤 失效研究 【 J 1 东南大学 学报 ： 自然 科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( I I ) 增刊 ： 2 0 0 -2 0 4 【 5 】余红发盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与使用寿命预 、 I 方法 O 1 南京 ： 东南大学材料科学与工程学院 ， 2 0 0 4 5 2 混凝土研究f J 1 混凝土， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 5 4 5 5 4 徐健 ， 蔡基伟 ， 王稷良， 等 人工砂与人工砂混凝土的研究现状 I J l 国外建材科技， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 【 5 】江京平 机制砂超缓凝 H P C的研 制与 工程应 用 J 1 施工技术 2 0 0 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 8 1 9 【 6 】 周静海 ， 何海进 ， 孟宪宏 ， 等 再生混凝土基本力学性能试验【 J 】 沈阳建筑大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 4 6 4 4 6 8 作者简介： 何盛东( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 结构工程博士， 讲师。 联系地址： B O * I 航空工业管理学院土木建筑工程学院( 4 5 0 0 0 1 ) 联系电话 ： 1 3 5 2 6 5 5 2 7 8 6 5 】ZHA NG B u r o n g ， e t a1 B e h a v i o u r o f o n e w a y c o n c r e t e s l a b s r e i n f o r c e d wi t h C F R P d r e i n f o r c e me n t s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 8 ) ： 6 2 5 6 3 5 6 M a t t h y s S t U n ， T a e r w e L u c C o n c r e t e s l a b s r e i n f o r c e d w i t h f r p g r i d s I ： o n e w a y b e n d i n g j o u rual o f c o mp o s i t e s f o r c o n s t r u c t i o n， 2 0 0 0， 4 ( 3 ) ： 1 4 5 1 5 2 7 黄建平 模塑玻璃钢格栅综述 J J 玻t g 复合材料 ， 1 9 9 6 ( 5 ) 8 黄建平模塑玻璃钢格栅发展趋势 J 1 _玻t N N 复合材料， 1 9 9 8 ( 4 ) 【 9 黄龙男 ， 葛兆明 玻璃钢格栅及其增强混凝土lJ 1 混凝土， 1 9 9 7 ( 1 ) 【 1 0 过镇海 ， 时旭东钢筋混凝土原理和分析【 M 2 0 0 3 作者简介 ： 欧阳懿桢( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方 向： 主要 从事复合材料结构 方向的研究 。 联 系地址 ： 江苏南京 浦口区浦珠 南路 3 O号 南京 工业大 学土 木 工程学院 ( 2 1 1 8 1 6 ) 联系电话 ： 1 5 9 5 1 6 7 4 6 9 9 6 余红发 ， 孙伟 ， 李美丹 荷载对混凝土在腐蚀冻融作用下强度的 影Ill J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 2 9 7 3 0 1 【 7 余红发 ， 孙伟 ， 屈武 ， 等 盐 湖地区的环境条件与混凝土和钢筋 混凝土结构的耐久性 J 1 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 4 【 8 YU HONG F A， S UN WEI ， ZHA NG YUN S H EN G， e t a1Du r a b i l i t y o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o t h e c o mb i n e d a c t i o n s o f fl e x u r al s t r e s s ， fr e e z e -t h a w c y c l e s a n d b i t t e r n s o l u t i o n s J J o u r n a l of Wu h a n Un i - v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 6 ) ： 8 9 3 9 0 0 9 】 张云清 ， 余红发 ， 孙伟 ， 等 M g S O 腐蚀环境作用下混凝士的抗冻 ； IVt J 建筑材料学报 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 6 9 8 7 0 2 【 1 0 张立明 ， 余红发 ， 何忠茂 盐湖地区混凝土的氯离子扩散性l J l _ 中 南大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 7 5 2 1 7 5 5 作者简介： 联系地址 ： 联 系电话 ： 李长成( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 副教授 ， 研究方向 ： 桥 梁结构及 耐久性。 吉林交通职业技术学院( 1 3 0 0 2 1 ) 1 30 3 91 48 8 3 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m