预应力CFRP加固混凝土T型梁抗弯性能分析.pdf

2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r6i n 2 01 1 ( To t a 1 No 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEOR ETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 O 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 0 预应力 C F R P加固混凝土 T型梁抗弯性能分析 胡磊 ，宁怀明 ( 洛 阳理工学院 土木工程系 河南 洛阳 4 7 1 0 2 3 ) 摘要： 粘贴预应力纤维增 强复 合材料 ( c F RP ) 对混凝土桥梁进行加 固和修 复， 既 可以提高结构的承载力和耐 久性 ， 同时又可 以大幅度 提高： 作效率。 从理论分析着手对预应力 C F RP加固混凝土 T梁 的预应力损失和抗 弯承载力进行了理论分析 ， 提出了计算 C F R P预应力损失 和加固后混凝土梁抗弯承载力及裂缝宽度的实用计算方法。 关键 词： 预应力 C F R P；T型梁 ；受弯承载力；裂缝宽度 中图分类号 ： T U5 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 1 ) 0 6 0 0 3 3 0 2 S t u di es on f l ex ur a l p r ope r t i e s o f RC T br i dg e s s t r eng t h en ed w it h p r es t r e s s e d CF RP HU Lc i ， NT NG Hu a i - mi n g ( De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， L u o y a n g i n s t i tu t eo f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g 4 7 1 0 2 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Bo n d i n g p r e s t r e s s e d CFR Ps t o s t r e n g t h e n a n d r e p a i r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e s s t r u c tur e s c a n i mp r o v e t h e wo r k i n g e ffi c i e n c y a n d t h e f o r c e c o n d i t i o ns o f s t r u c tur e s Th e p r e s t r e s s l o s e；a n d t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o n t h e RC T b ri d g e s s t r e n g t h e n e d b y p r e s t r e s s e d CF RP a r e d e d u c e d b a s e d o n t h e o r e t i c a l a n a l y s e s M o r e o v e r ， t h e fle x u r a l s t r e n g t l a n d c r a c k wi d t h a r e c a l c u l a t e d Key w or d s： p r e s t r e s s e d CF RP pla t e； T b r i d g e ； fle x u r a l s t r e n g t h； c r a c k wi d t h ( ) 引言 桥梁长期承受着车辆荷载作用及各种外界环境因素的影响。 随着时间的推移 ， 桥梁结构本身不同程度出现 r 缺损和老化 ， 对结 构的安全性、 运营适用性及耐久性产生了较大的影响， 甚至直接 危及桥梁的运营安全 1 。 近年 来 ， C F R P ( C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r ， 简称c F R P ) 由于强度高、 耐腐蚀、 自重轻、 施工方便等优 点在桥梁加固技术领域得到广泛使用 。 但使用非预应力 C F R P 加 固混凝土受弯构件 时， 当钢筋的强度达到屈服 ， C F R P的强度 才发挥不到 2 0 ， 难 以抑制结构的变形与裂缝的发展嘲 ( C F R P ) 高强度的特点仅在梁 中主筋屈服以后才得 以充分发挥 ， 而在 主 筋屈服前 ， C F R P所起 的作用有限 。 因此 ， 它对提高被加 固构件 的开裂荷载及屈服荷载作用不是十分明显， 对受弯构件在使用阶 段的性能改善作用不大。 为了更加充分而合理地利用 C F R P高强 度的特点， 取得更好的加固效果 ， 进行预应力加同是有效的途径。 预应力加固的构件在承受荷载之前 C F R P就已经发挥了相当的强 度， 既有效地利用了 C F R P的高强度 ， 义能抑制构件 的变形和裂缝 的发展， 从而解决 C F R P强度与弹性模量比值高的问题 ? 1 cF RP加 固预应力损 失计算 试 研究表明， C F R P预应力损失主要由锚具变形与 C F R P 内缩损失 、 C F R P应力松弛损失 混凝 土收缩徐变损失 f ， 以及弹性压缩损失 等 4 部分组成 ( 1 ) 南于锚具变形和 C F R P内缩引起的预应力损失值 为： O t t =旦 一 E f ( 1 ) 一 厂 一 L 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 _ 0 7 式中： 张拉端锚具变形和 C F R P内缩值； 卜一 c F R P张拉端 至锚 同端的距离 ； E C F R P的弹性模量。 ( 2 ) 基 于试验研究 ， 预应力 C F R P板应力松弛所引起的损 失值 为 ： ， 4 - 4 1 + 6 2 1 g T ( 2 ) 式中： 卜c F R P板张拉完毕至松弛计算时刻的时间， h 。 ( 3 ) 混凝土收缩徐变引起的预应力损失 ， 按式( 3 ) 计算 ： 4 = ! 些 ( 3 ) 1 +l 5 p 式中 ： d 考虑时间影 响的收缩徐变损失系数； O L 预应力 C F R P与混凝土的弹性模量之比； 受拉区预应力 C F R P由预加力( 扣除相应阶段预应 力损失 ) 和梁 自重产生的混凝土法向压应 力； 混凝土徐变系数终极值； s 混凝土徐变系数收缩应变终极值 ； p 等效配筋率 ， p = ( A E f E + A 。 ) A； A 预应力 C F R P板 ； A 受拉 区非预应 力钢筋 ； A混凝土梁的截面面积； E 受托区非预应力钢筋的弹性模量。 ( 4 ) 预应力所引起的弹性压缩损失值 为： 旦 Ec l + 一 式 中： e 。 。 换算截面重心至预应力 C F R P质心的距离 ； 4 换算截面面积； 3 3 。换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩； E混凝土的弹性模量 。 2 加 固后截面抗 弯承栽 力分析 2 1 计算假定 ( 1 ) 截面应变符合平截面假定。 ( 2 ) 混凝土和钢筋的应力一 应变关系按文献 9 】 取用。 ( 3 ) C F R P板 的应力一 应变关系为线 弹性 。 ( 4 ) 忽略混凝土的受拉作用。 ( 5 ) 由于外贴 的碳纤维很薄 ， 近似认为 C F R P中心离梁顶 的距离与梁高相等。 ( 6 ) 在达到受弯承载力极限状态前， 碳纤维与混凝土之间 黏结可靠， 不发生黏结剥离破坏。 2 2 实用受弯承载力计算公式 钢筋混凝土 T梁用碳纤维加固后 ， 主要有下面三种破坏形 态 ： 受拉钢筋先达到屈服 ， 然后受压 区混凝土压坏 ， 此时碳纤 维布未达到其允许拉应变 s d ； 受拉钢筋先达到屈服， 然后碳 纤维布超过其允许拉应变【 s d ， 并达到极限拉应变而拉断， 而此 时受压区混凝土尚未压坏 ； 由于碳纤维布的加固量过大 ， 在受 拉钢筋达 到屈服前 ， 受压区混凝土 已压坏。 依据文献【 3 ， 1 O ， 在受拉面粘贴碳纤维布进行抗弯加固时， T形截面梁抗弯承载力按下列公式计算： ( 1 ) 第一种破坏形态计算公式( ) 对第一类 T形截面： y 0 d 朋 d 6 ( - x 2 ) + E f e raf ( h - h 0 ) ( 5 ) 式 中， 混凝 土受压 区高度 和受拉面上碳纤维的拉应变 可由 式( 6 ) 、 ( 7 ) 联立解得 ： A Er e rA r ( 6) ： ： h ( 7 ) e +Sf +s l 对第二类 T形截面： 0Md M = 对 6 ( h 0 - x 2) A ( 0 一 ) + Ef e r A f a s ( 8 ) 式 中， 混凝 土受压 区高度 和受拉面上碳纤维片材 的拉应 变 研 由式( 7 ) 、 ( 9 ) 联立解得 ： f #x + f A A s + o E f e f A f ( 9 ) ( 2 ) 第二种破坏形态计算公式( 2 ) 考虑到此时受压区高度较小， 为了简化计算， 可近似取混 凝土受压区高度 为界限破坏时的混凝土受压高度， 即 。 对受压区混凝土合力重心取矩( 对第一类 T形截面和第二 类 T形截面 ) ， 得 ： 眠 A 。 ( h o - O 5 ) + E r A f h ( 1 - 0 5 m ) ( 1 0 ) ( 3 ) 第三种破坏形态计算公式( 2 ) 为了简化计算， 取x = 2 a 按公式( 1 1 ) 计算。 oMd 肘 知 4 。 ( h o - a ) + E f E rAf ( h - o g) ( 1 1 ) 2 3 计算公式应满足的条件 在运用上述公式进 行正截面抗弯承载力计算时 ， 尚应满足 下列条件 ： ( 1 ) 加 固后抗 弯承载力的提高 幅度不 宜超过 1 0 ， 这 是为 了避免加固量过大、 防止早期剥离破坏、 控制裂缝和变形而提 出的要求。 ( 2 ) 受压区高度不宜超过 0 ， 避免由于碳纤维布的加 固量过大， 在受拉钢筋达到屈服前， 受压区混凝土已压坏。 3 4 ( 3 ) 加固后在荷载短期组合下， 受拉钢筋拉应力不宜超过 钢筋抗拉强度的设计值 。 ( 4 ) 由于碳 纤维布抗拉 强度很高 ， 但其强度利 用程度要受 到施工质量 、 各碳纤维束之间的协同工作等诸多因素的影响， 因此计算公式中考虑了碳纤维受弯的折减系数 ， 建议取折减系 数 = 0 9以策安全。 3 裂缝宽度计算 文献 9 q u 预应力混凝土构件 的裂缝宽度计算公式如下 ： 詈l 19 c + 0 0 8 J 2 ) 考虑加固梁中 C F R P板 的约束作 用 ， 将其截 面面积进行 如 下等式 ： A S 2 = _ Af E f 、 A ( 1 3 ) E 式中： A C F R P板等效的钢筋面积； 考虑 C F R P板与钢筋截面高差 的修正系数 ， 根据 弯 矩等效原则 ， 可取为 1 1 5 ； d 等效钢筋直径； A CF R P板等代后的钢筋总面积 。 4工程 应 用 山东某大桥 ， 全长 4 1 2 m， 净宽 7 m， 人行道 宽 2 x 0 7 5 m， 桥高 5 m， 上部为钢筋混凝土T型梁， 每跨 5 片梁， 2 O 跨， 跨径 2 0 6 m， 计算跨径 1 9 9 6 m， 下部为重力式石砌墩台身 。 该大桥地处交通要 道 ， 交通流量较大 ， 重车多 ， 而设计荷 载偏低 ， 仅为 汽一 1 3 、 拖 一 6 0 ， 桥况较差 ， 急需加固。 经加 固前承载能力验算与动静载试验检测 ， 原有下部结构和 基础能够满足汽- 2 0 、 挂一 1 0 0的承载力要求， 故加固设计仅针对不 能满足要求的上部 T型梁进行。 经计算加固采用 F T S C1 3 0 一 型 碳纤维， 理论厚度 0 1 6 7 m m， 极限抗拉强度 3 4 0 0 MP a ， 抗拉弹性 模量 2 3 5 GP a 。 由加固后大桥的各项试验指标综合来看， 碳纤维加 固效果 良好 ， 而且技术改造过程中未改变桥梁外观， 几乎不增加 自 重， 施工周期短， 不封闭交通， 体现了较好的经济价值和社会价值。 5结论 ( 1 ) 从理论角度给出了预应力 C F R P加固钢筋混凝土桥梁 时的预应力损失的计算公式。 ( 2 ) 推导出了预应力 C F R P加固钢筋混凝土桥梁的受弯和 裂缝宽度的实用计算公式， 可为桥梁工程加固提供参考。 参考 文献 ： 1 赵国藩 工程结构可靠性理论与应用【 M 】 大连： 大连理工大学出版 社 ， 1 9 9 6 2 】 C E C S 1 4 6 ， 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 s 】 中国工程 建设标准化协会， 2 0 0 3 3 J T G T J 2 2 ， 公路桥梁加固设计规 范 s - E 京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 8 4 尚守平， 彭晖 ， 童桦， 等 预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的 抗弯性能研究【 J 1 建筑结构学报， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 5 ) ： 2 4 3 0 5 】 赵彤， 谢剑 碳纤维布补强加固混凝土结构新技术 M 天津： 天津大 学出版社， 2 0 0 1 6 王兴国， 周朝阳 外贴预应力 F R P 片材加固混凝士梁抗弯承载力计 算 J 1 _ 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 8 ) ： 1 3 5 9 1 3 6 1 下转第 4 0页 e r a t u r e R e v i e w b y P C A R&D S e ri a l ， 2 0 0 3 ( 2 4 5 7 ) ： 2 3 【 l 4 弓国军 ， 宋晓冰 ， 孔启明 氯盐污染下混凝 土的电阻率I J 1 工业 建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 02 ) ： 5 7 【 l 5 弓国军 氯盐污染下混凝土中钢筋腐蚀速度模型及局部修补技术试 验研究【 D 上海： 上海交通大学 1 6 E HT E S HA M S ， R A S H E E D U Z Z A F A R H C o r r o s i o n r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e o f fl y a s h b l e n d e d c e me n t c o n c r e t e J AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 4 ， 9 1 ( 3 ) ： 2 6 4 2 7 1 【 1 7 X I A O L i a n - z h e n， L I Z o n g - j i n E a r l y - a g e h y d r a t i o n o f f r e s h c o n c r e t e mo n i t o r e d b y n o n c o n t a c t e l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y m e a s u r e me n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h。 2 0 0 8 ( 3 8 ) ： 3 1 2 3 1 9 【 l 8 】 唐祖全， 钱觉日 寸 ， 李卓球接触电阻对导电混凝土电热特性的影响 J J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 0 1 3 1 9 】 王雪芳， 郑建岚， 罗素蓉矿物掺合料对混凝土电阻率的影响 J 】 福州 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 4 0 8 4 1 2 f 2 0 B A WE J A D， R O P E R H， s I R I V I V A T N AN 0 N V C o r r o s i o n o f s t e e l i n ma ri n e c o n c r e t e ： l o n g - t e r m h a lf c e l l p o t e n t i al a n d r e s i s i t i v i t y d a t a J P r o c e e d i n g s ， T hi r d CANM E T ACI I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e o n C o n - c r e t e i n Ma rin e E n v i r o n me n r ， S P一1 63， Ame ric a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， F a rm i n g Hi l l s ， MI ， 1 9 9 6： 8 9 11 0 【 2 1 1 H O P E B B， I P A K， MA N N I N G D G C o r r o s i o n a n d e l e c t ri c a l i mp e d a n c e i n c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 5 ， 1 5 ( 3 ) ： 5 2 5 5 3 4 【 2 2 E L K E Y W ， S E L L E V O L D E J E l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e ， n o r w e g i a n r o a d r e s e a r c h l a b o r a t o r y J P u b l i c a t i o n， 1 9 9 5 ( 8 0 ) f 2 3 S A L E E M M ， S H A ME E MT S E， HU S S A I N M Ma s l e h u d d i n t ， E f f e c t o f mo i s t u r e， c h l o ri d e a n d s u l p h a t e c o n t a mi n a t i o n o n t h e e l e c t ric a l r e s i s 一 上接第 3 2页 于更广泛 的应用 ， 还需要进一步深入研究 。 参考文献 ： 【 1 程翔云 ， 邹银生 在循环荷载作用下钢筋混凝土压弯构件的试验和 滞回模型f J 1 湖南大学学报 ， 1 9 8 1 ( 1 ) ： 1 5 2 7 2 】Ma g d y S L R o u f a i e l ， C h ri s t i a n Me y e r A n a l y t i c al m o d e l i n g o f h y s t e r e t i c b e h a v io r o f R C f r a me s J A S C E J S t rnc t E n g r g ， 1 9 8 7 ， 1 1 3 ( 3 ) ： 4 2 9 3 【 3 S a s h i K K u n n a h ， A n d r e i M R e i n b o rn， Y o n g J P a r k A n a l y t i c a l m o d e l i n g o f i n e l a s t i c s e i s mi c r e s p o n s e o f RC s t r u c t u r e s J A S C E -J S t rnc t E n g r g ， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 4 ) ： 9 9 6 1 0 1 7 4 蒋连接 钢筋混凝土压弯构件抗震性能研究【 D 徐州 ： 中国矿业大 学 ， 2 0 0 8 5 牛荻涛， 陈新孝， 王学民锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能试验研 究 建筑结构， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 3 6 3 8 6 贡金鑫， 仲伟秋， 赵国藩 受腐蚀钢筋混凝土偏心受压构件低周反复 性能的试验研究fJ 1 建筑结构学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 5 ) ： 9 2 9 7 f 7 】L E E A H S ， K AG E T， N OG U C H I T ， e t a1 A n e x p e ri me n t al s t u d y o n t h e r e t r o fit t i n g e f f e c t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s d a ma g e d b y r e bar c o r _ r o s i o n s t r e n g t h e n e d w i t h c arb o n fi b e r s h e e t s J 1 C e m e n t a n d C o n c r e t e 上接第 3 4页 7 曾磊 预应力 C F R P板加固混凝土梁试验与理论研究【 D 上海： 同济 大学， 2 0 0 5 8 王文炜 ， 赵国藩， 黄承逵， 等 碳纤维布加固已承受荷载的钢筋混凝 t i v i t y p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e 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 ri a l s ， 1 9 9 6 ， 1 0 ( 3 ) ： 2 0 9 2 1 4 2 4 WHI T I N G D A， N AG I M A E l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e 【 J J A L i t e r a t u r e R e v i e w b y P C A RD S e ri a l ， 2 O H 0 3 ( 2 4 5 7 ) ： 7 ， 【 2 5 赵铁军 高性能混凝土的渗透性研究【 D 】 - E 京： 清华大学， 1 9 9 7 ： 4 7 5 O 【 2 6 麻秀星， 钱觉时， 何更新， 等 混凝土导电性能及其应用f J 材料导报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 4 ) ： 4 1 4 4 【 2 7 1 隋同波， 曾晓辉， 谢友均， 等 电阻率法研究水泥早期行为 J 1 硅酸盐 学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 3 1 4 3 5 2 8 1 张丽君， 何真， 梁文泉 电阻率法研究矿物掺舍料对水泥早期水化的 影响l J J 混凝土 ， 2 0 0 4 ， 1 7 3 ( 3 ) ： 3 2 3 5 2 9 】 肖忠明 利 用水 泥电性 能进 行水泥 物理性 能测 试的研 究l J l _ 水泥 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 4 5 4 8 3 0 】 魏小胜， 肖莲珍， 李宗津 电阻率法快速测定水泥强度的原理 c 第 四届全国高性能混凝土学术研讨会 ， 2 0 0 2 ： 1 8 3 1 8 6 3 I I B A C K C K R， L I L E O B， L Y O MO V S KC h a r a c t e ri z i n g C u r i n g C e m e n t S l u r ri e s b y E l e c t ri c a l c t i v i t y ， 2 0 0 1 ( 4 ) 3 2 P R I N C I G A L L 0 A， B R E UG E L K V L E V I T A G I n f l u e n c e o f t h e Ag g r e g a t e o n t h e E l e c t ri c al C o n d u c t i v i t y o f P o r t l a n d C e me n t C o n c r e t e ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) 3 3 1 艾亿谋 ， 杜成斌 ， 居发亮 基于电阻率 的混凝土裂缝 测量方 法lJ l_ 东南 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 2 ) ： 2 8 9 2 9 2 作者简 介 联系地址 联系电话 ： 李化建 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 副研 究员。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院铁建所 ( 1 0 0 0 8 1 ) l 3 5 81 5 2 5 0 9 9 Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 2 2 2 1 ) ： 1 - 8 8 陈新孝， 牛荻涛， 王学民锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型I J 】 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 5 ， 6 ( 2 )： 1 5 5 1 5 9 9 】贡金鑫 ， 李金波 ， 赵 国藩 受腐蚀钢筋混凝土构 件的恢复力模型 J j _土 木工程学报， 2 0 0 5 ， 1 1 ( 1 1 ) ： 3 8 4 4 1 O 戴靠山 ， 袁迎曙 锈蚀框架边节点抗震性能试验研究 J 1 _ 中国矿业大 学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 1 ) ： 5 1 5 6 1 1 何政， 欧进萍 钢筋混凝土结构非线性分析【 M 1 哈尔滨 ： 哈尔滨工业 大学出版社， 2 0 0 7 ： 2 1 2 2 1 4 1 2 徐 伟栋 配置 高强钢筋 的混凝土 柱抗震性 能研究 D 上海 ： 同济大 学， 2 0 0 7 1 3 惠云玲， 李荣， 林志伸 ， 等 混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验 研 究I J 1 工业建筑 ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 4 1 8 作者简介 联 系地址 联 系电话 蒋连接( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士， 讲师， 主要从事混凝土结构耐久 性方面的研究 。 江而省宿迁市黄河南路 3 9 9 号( 2 2 3 8 0 0 ) l 3 l 0 1 8 6 9 3 9 8 【 I O I J T G D 6 2 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 s - E 京 人民交通出版社 ， 2 0 04 承载力计算IJ 1 工程力学， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 8 ) ： 作者简介 1 7 2 -1 78 9 GB 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 】 - E 京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 4 0 联 系地址 联 系电话 胡磊( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 讲师， 主要从事施工管理及技术方面的 教学与科研 工作 。 河南省洛阳币洛阳理工学院土木工程系( 4 7 1 0 2 3 ) 1 3 93 7 9 6 6 2 7 6