预应力CFRP布加固混凝土梁受剪分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期( 总第 1 9 9期 ) D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 叭 0 3 1 预应力 C F R P布加 固混凝土梁受剪分析 程东辉 ， 俞永志， 张姝 ( 东北林业大学土木工程学院。 哈尔滨1 5 0 0 4 0 ) 【 摘要】 为开展负载状态下预应力碳纤维布加固低强度混凝土梁斜截面受剪承载力性能的研究， 依据配 箍率不同设计制作 3组共计 1 2根钢筋混凝土梁 ， 每组选择 1 根非加固钢筋混凝土梁作为对比梁， 其余 3根预加载 至对比梁极限受剪承载力的4 0 ， 在持荷状态下利用预应力碳纤维布对试验梁弯剪区段进行加固。完成了 l 2根 试验梁单点加载受剪试验， 获得了承载力、 变形等试验数据。基于实测数据， 利用 A B A Q U S有限元分析软件建立 了预应力碳纤维布加固低强度混凝土负载梁的有限元分析模型， 经过理论分析 ， 建立了预应力碳纤维布加固低强 度混凝土负载梁斜截面受剪承载力计算公式。 【 关键词】 预应力 C F R P布； 加固； 负载混凝土梁； 受剪承载力 【 中图分类号】 T u 3 7 7 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 9 O 一 0 4 碳纤维 布( C a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r s h e e t ， 简 称 C F R P布) 是一种高强、 弹性模量高的材料， 在土木 工程领 域得到广泛 的应用 。对 C F R P布先 张拉后在再 对构件进行加 固， 则可有效的避免二次受力过程 中 C F R P布应力滞后的现象， 促使预应力 C F R P布由被动 受力状 态转变为主动受力状态 ， 即构件在 二次 受力前 即受到与外荷载产生的效应方向相反的 C F R P布预应 力效应。目前国内外学者进行了一些 c F R P布加固混 凝 土梁的斜 截面设 计方法研究 ， 并 取得 了一 系列 的研 究成果 。但对负载状态下利用 预应 力 C F R P布加 固混凝土梁斜截面承载力设计方法研究不多， 对此， 基 于前期试 验数据 ， 利用 A b a q u s 非线性有限元计算 软件对预应力 C F R P布加固低强度混凝土负载梁斜截 面承载力设 计方法开展研究 。 1 前期试验 简介 1 1试验梁设计 根据加载点与近端支座间箍筋间距的不同制作 了三组试件， 每组各4根钢筋混凝土简支梁， 其 中包含 一 根非 加 固状态 的对 比梁以及三根利用预应 力 C F R P 布加固弯剪区段混凝土的加固梁， 共计 l 2根试验梁。 试验梁截面 b X h=1 5 0 m m2 8 0 m m， 净跨 z 为 2 8 0 0 m m， 纵向受拉钢筋强度等级 H R B 3 3 5 ， 箍筋强度等 级 H P B 2 3 5 ， 混凝土强度为 C 2 0 。试验用 C F R P布为 日 本东 丽 公 司产 品 ：厚 0 1 1 1 m m， 弹性模 量 2 4 61 0 N m m ， 抗拉 强度 3 7 0 0 N m m 。试验梁如 图 1 所示 。 试验 中为研究预应力 C F R P布加固形式对 极 限受 剪承载力的影响， 在第 1 I I 组试验梁中采用两种 C F R P 布加 固方式 ， 加 固 A型和加 固 B型 ， 如图 2所 示 。各 试验梁相关参数如表 1 所示。试验梁量测及加载装置 如图 3所示 。 1 2主要试验结果 l o o 圈1 试验梁截面配筋 ( a ) 加固A 型( 环形开 口式) ( b ) 加 固B 型( U 形+ 横 向压条) 图2试验梁加固区段设计图 丑 5 0 5 0 H卜叶 各试验梁相关阶段试验结果见表 2 。 2预应力 C F R P布加固低强度混凝土负载梁斜截面 设计方法研究 为开展预应力 C F R P布加 固低强度混凝 土负载梁 斜截面受剪承载力设计方法的研究， 基于试验数据的 基础上 ， 利用 A b a q u s 有 限元 软件 建立相应 模型 ， 并提 程东辉等： 预应力 C F R P市加固混凝土粱受剪分析 9 1 出相应的承载力计算方法。 表 1 试验梁参数 试验梁编号加固方式配筋率 预拉应力 M P a预加载值 k N I 1囊 j l I I I l l l I I l l 8 0 0 f 6 0 0 固 l 4 o o 丫 ：反力粱 ； ：拉压力传感器 ；：千斤顶； ：位移计 ； ：C F R P 布； ：应变片； ：箍筋应变片 图3 量测及加载方案 表 2 试验 结果 注 ： P ， 为 正截面 开裂荷载 ； P 为 斜裂缝 出现 荷载 ； P 为斜 截 面极 限受剪承载力 ； 口为极限受剪承载力提高幅度。 2 1 预应力 C F R P布加 固负载混凝 土梁抗剪机理 利用预应力 C F R P布加固的钢筋混凝土梁， 在二 次受力 过程中 ， 预应 力 C F R P布 的抗 剪作 用机 理与 箍 筋相类似。其计算简图如图4所示。 图4 C F R P 布受剪作用机理 2 2 基本假定 为建立预应力 C F R P布在二次受力过程中加固低 强度混凝土负载梁斜截面承载力计算公式 ， 应满足以 下基本假定 ： ( 1 ) 试验 梁 满足 现 行规 范 的相 关 设 计及 构 造 要求 。 ( 2 ) 预应力 C F R P布与混凝土粘结牢固， 两者不 存在粘结滑移。 ( 3 ) 钢筋为理想的弹塑性材料， 预应力 C F R P布 为理想的线弹性材料。 ( 4 ) 试验梁达到斜截面受剪承载力时箍筋已经 屈服 。 ( 5 ) 忽略混凝土、 箍筋与预应力 C F R P布三者之 间的相互影响， 利用三者的有效叠加。 2 3 斜 截面承载力设计公式 由试验与有限元分析结果可知： 试验梁加固后， 在二次受力过程中， 其受剪承载力是由混凝土、 箍筋 和预应力 C F R P布三者共同承担， 即： = v o + + ( 1 ) 式中， 为加固梁极限抗剪承载力 ； 为混凝土 提供的剪力； 为箍筋提供的剪力； 为预应力 C F R P 布提供的剪力。 其中， 与 按照现行国家标准 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 计算， 预应力 C F R P布对 加固梁斜截面的受剪承载力贡献值 可根据试验梁 斜裂缝处预应力 C F R P布的应力发挥水平来确定。 分析结果表 明 ， 试 验梁 达 到极 限荷 载 时 ， 预 应 力 C F R P布不同位置的单元所达到的应力并不相 同， 这 说明预应力 C F R P布在二次受力过程中存在应力不均 匀现象， 当试验梁达 到极 限受剪 承载力时， 预应 力 C F R P布的平均应力远低于其极限强度。 参照箍筋对混凝土受剪承载力的桁架拱作用机 理， 可以写出预应力 C F R P布对加固梁斜截面受剪承 载力的作用大小为 ： 9 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期( 总第 1 9 9期) L , - c r ( 2 ) f e = c fe E f ( 3 ) A c f =2n。 f f t 。 f ( 4 ) 式 中 ， A 为配置在 同一截 面 的预应力 C F R P布箍 的全部截面积； n 为预应力 C F R P布的粘贴层数 ； to 为 预应力 C F R P布的宽度； f 为预应力 C F R P布的厚度； s ， 为预应力 C F R P布的条带净间距； 为加固梁侧面 粘贴的预应力 C F R P布的竖向高度， 取 h =h ； or 为预 应力 C F R P布加固梁达到受剪承载力极限状态时预应 力 C F R P布有效应力 ； s 为预应力 C F R P布加固梁达 到受剪 承载力极 限状态 时预应力 C F R P布有效应变。 为反映预应力 C F R P布有效应力 or 与 C F R P布 极限应力 o r 的关 系 ， 引人预应力 C F R P布的强度发挥 有效系数 K or = or 。 f v + 。 6 ( 5 ) K d - or c f e ( 6 ) 令 ： ： ， ： ( 7 ) U c f u ( ， c f u 贝 4 ： K o f = + 卢 ( 8 ) 式中， o r 为 C F R P布预拉应力大小 ； or 为构件破 坏时 预应 力 C F R P布应 力 增 量 ； or 幽为 C F R P布 极 限 应力。 为确定构件破坏 时预应力 C F R P布应力增 量 or 提取构件斜裂缝及附近共计 2个预 应力 C F R P布单元 ( 单元尺寸 5 0 m m X 5 0 m m) 的应力增量 or ， 将这 2个 预应力 C F R P布单元的平均应力增量作为构件破坏时 预应力 C F R P布应力增量 or ； 计算出预应力 C F R P布 应力增量 or 面与预应力 C F R P布极限应力 or 。 的比值 ，相关数据见表 3 。 从表 3可 以看 出 ， 一 方 面 ， 同一 配 箍 率下 ， 随 着 C F R P布预拉应力的增大， 口值呈下降趋势； 另一方面， 当配箍率依次增大时， 相同 值条件下的届值呈下降 趋势， 且配箍率越大， 相同 值条件下的 值下降越明 显。由此可以看出 值受 C F R P布预拉应力水平及配 箍率影响较大。通过非线性拟合工具软件 1 s t O p t 对 上表数据进行了拟合， 得到以配箍率 p 。 和 为 自变量 的口值计算公式 ： JB=0 3 92 7 3 3 厂 。L 0 6 0 6 1 a L 一1 9 0 8 6 p ： 0 6 L ( 9) 由上述分析过程可以推出预应力 C F R P布加固低 强度混凝土负载梁的受剪承载力计算公式为： A u = + s+ K c r c r u c r( i o ) 利用公式( 1 0 ) 对加固梁进行斜截面受剪承载力 校核， 计算结果见表 4 。由表4可以看出： 计算值与有 限元分析值吻合较好。 表 3 、 K 计算数据 注： 表 3中新建一组配箍率 p 。 = 0 3 7 7 ( 1 l A 6 1 0 0 ) 的有限 元分析模型， 用以开展配箍率对加固效果影响的研究。 表4 加固梁斜截面受剪承载力校核 注： V a l 为公式计算值； 为有限元分析值 3结语 ( 1 ) 利用预应力 C F R P布加固低强度混凝土负 载梁能够明显提高斜 截面极 限受 剪承 载力 ， 试 验梁在 二次受力过程中， 预应力 C F R P布与混凝土能够完全 粘结 ， 共同工作 。 崔晓 明等 ： 预应力混凝土转换桁架结 构地震 响应分析 9 3 DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 1 0 3 2 预应力混凝土转换桁架结构地震响应分析 崔晓明 ， 苑志宇 ， 陈云孟 ( 1 黑龙江建筑职业技术学院 。 哈尔滨1 5 0 0 2 5； 2 哈尔滨铁路房建置业集 团有 限公司 。 哈尔滨1 5 0 0 0 6 3 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 本章在依据实际工程背景建立合理的有限元模型的基础上， 首先利用我国建筑抗震设计规范的 振型分解反应谱法对结构进行水平和竖向的地震作用计算； 之后作为补充计算， 选择了合适的地震动记录并通过 有限元软件 S p 2 0 0 0进行建模分析， 得到了地震作用下预应力混凝土转换桁架结构的动力时程响应。 【 关键词】 预应力混凝土转换桁架 ； 振型分解反应谱法； 动力时程响应 【 中图分类号】 T U 3 1 1 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 ) O 1 0 0 9 3 0 3 1 工程概况 本工程为大庆铁人王进喜纪念馆一层平面矩形 部分轴线尺寸为 1 1 2 9 5 m 7 2 9 4 m， 六层平面矩形部 分轴线尺寸为 4 2 3 8 m7 2 9 4 m。一层设置跨度为 3 0 m的多功能报告厅 ， 采用预应力井字梁结构， 两侧展 厅跨度均在 1 8 m以上， 采用预应力混凝土梁 ， 中间展 厅采用预应力混凝土空心板。图纸 N轴线与 P轴线 框架中间部分由于跨度达 3 0 m， 采用不同混凝土结构， 则裂缝难 以满足规范要求， 因此， 该部分考虑采用大 跨度预应力混凝土转换桁架结构体系， 桁架高 4 5 m， 混凝土强度等级 C A 0 ， 预应力筋采用低松弛 O s 1 5 。 2钢 绞线， 非预应力纵向钢筋采用 H R B 4 0 0级钢筋。本工 程原设计采用 P K P M系列软件进行建模分析计算， 使 用 P K P M系列软件中的 P MC A D模块建立结构整楼模 型 ， 见 图 2 。 2 结构 振型分解反应谱分析 利用振型分解反应谱法对结构进行了地震作用 图1 桁架结构布置图 计算。选取重要杆件的内力和控制点位移作为指标， 考察结构的地震响应。具体杆件、 节点编号如图 3 、 图 4所示 。 2 1 基本参数 的确定 该工程项 目结构设计使用年限为 1 0 0年， 根据建 筑结构体系、 建筑高度和 建筑抗震设计规范 规定， 建筑物重要性类别为一类。 2 2 地震反应谱计算与分析 ( 2 ) 基 于试 验 与 有 限元 数 据 ， 建 立 了 预应 力 C F R P布加固低强度混凝土负载梁斜截面受剪承载力 设计公 式 ， 利用公式 对加 固梁斜截 面受 剪承载 力进行 计算 ， 计算值与有限元分析值吻合较好。 参考文献 1 程 东辉 ， 易亚敏 ， 王天峰 碳纤维 布加 固混凝 土连续梁 塑性 性 能试验及有限元分析 J 中国铁道科学， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 3 ) ： 2 7 3 2 2 张玉成 ， 胡海英 碳纤 维布加 固钢筋混凝土梁 抗剪承 载力 研究 J 湖南科技大学学报 ( 自然科学版)， 2 0 0 6 ， 2 1 ( 1 ) ： 3 6 4 1 3 T o m N o r r i s ， H a mid S a a d a t m a n e s h ， Mo h a m ma d R E h s a n i S h e a r a n d F l e x u r a l S t r e n g t h e n i n g o f R C B e a ms wi t h Carb o n F i b e r S h e e t s J o u r n a l o f S t r u c t u re E n g i n e e r i n g J 1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 7 ) ： 9 0 3 9l I 4 L e s s J M， Wi n i s t o r f e r A U ， M e i e r U E x t e r n a l p r e s t re s s e d c a r b o n fib e r rei n f o r c e d p o l y me r s t r a p s f o r s h e a r e n h a n c e me n t o f Co mp o s i r e s f o r C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 2 ， ( 1 2 ) ： 2 4 9 2 6 5 5 K H A L I F A A， N A N N I A R e h a b i l i t a t i o n o f r e c t ang u l ar s i m p l y s u p p o r t e d R C b e a m s wit h s h e ar d e fi c i e n c i e s u s i n g C F R P J C o n s t r u e t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 2， 1 6 ( 3 ) ： 1 3 51 4 6 6 周毅雷， 陈忠范 外包环形碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受剪 承载力试验研究 J 特种结构， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 4 )： 6 2 6 5 7 程东辉， 荣威， 周威 预应力 C F R P布加固负载混凝土梁受剪 性能试验 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 1 1 ， 4 3( 1 2 ) ：1 4 3 1 48 收稿日期 2 0 1 4 0 9 1 0 作者简介 程东辉 ( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 哈尔滨人 工学博 士， 教授 从事预应力混凝土结构 、 工程加 固的研究 。