玄武岩纤维布加固混凝土连续梁抗弯承载力分析.pdf

2 0 1 4年 第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 6 J u n e 玄武岩纤维布加 固混凝土连续梁 抗弯承载力分析 丁 斌 ( 温州职业技术学院建筑工程系 ， 3 2 5 0 3 5 ) 摘要 ： 玄武岩 纤维是 一种新型纤维材料 ， 其价格低廉且 具较好的延性 、 耐 高温和耐腐蚀特 性。对 4根玄武岩 纤 维布加 固的无初始损伤 混凝 土 T型截 面连续梁进行 了抗 弯试验 ，分析 了玄武岩 纤维布加 固混 凝土连续 梁的破坏模 式 并基 于纤维布加 固混凝土 梁的允许拉 应变值 ， 对发生延性破 坏的 玄武岩纤 维布加 固混凝 土连 续 梁的抗 弯承栽 力 进行 了计算 关键词 ： 玄武岩纤维； 混凝土 ； 连 续梁 ； 抗弯承载力 ； 允许拉应 变 Ab s t r a c t ： A s a n e w f i b r o u s m a t e ri a l ， t h e b a s a l t fi b e r ( B F R P ) h a s m a n y a d v a n t a g e s i n c o s t ， d u c t i l i t y ， h i g h t h e r ma l r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e F 1 e x u r a l t e s t s we r e e a r r i e d o u t o n f o u r n o n d e s t r u c t i v e T t y p e s e c t i o n c o n t i n u o u s b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h B F RP T h e f a i l u r e mo d e s o f c o n t i n u o u s b e a ms s t r e n g t h e n e d w i t h BF RP a r e a n aly z e d B a s e d o n all o w a b l e t e n s i l e s t r a i n o f F RP i n fl e x u r a l s t r e n gth e n i n g ，fl e x u r al b e a r i n g c a p a c i t y o f s t r e n g t h e n e d c o n t i n u o u s b e a ms u n d e r t h e c o n d i t i o n o f d u c t i l i t y f a i l u r e i s c a l c u l a t e d Ke y w o r d s ： B F R P ； C o n c r e t e ； C o n t i n u o u s b e a ms ； F l e x u r a l b e a ri n g c a p a c i c y ； A l l o w a b l e t e n s i l e s t r a i n 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文献编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 l 2 0 1 4 ) 0 6 4 2 0 4 0前 言 混 凝 土 连 续 梁 中支 座 截 面 先 出 现 塑 性 铰后 跨 中截 面再 出现塑性 铰 连续 梁 发 生 机构 破坏 这是 一种 具有 较好 延性 的破 坏形态。实际工程中， 纤维复合材料加固 混凝土连续梁的情况较为普遍 。 为分析一 种 新 型 纤 维 材 料一 玄 武 岩纤 维 布 加 固的 连续梁的破坏模式 ， 并计算加固梁的抗弯 承载力 。 本文选取了 4根玄武岩纤维布加 固的混凝 土连续梁 ，进行 了抗弯破坏试 验 ， 部分试验加 固梁的破坏过程遵循中支 座先 出现 塑性 铰 后 跨 中 出 现 塑性 铰 的破 坏模式。 本文基于现有混凝土梁抗弯承载 I 1 I I 0 【 I l I l I l ll I l l I l T _ 1 _ 1 _ 1 - 1 I l I I l 1 I l l I l l I I I 1 I l I l I l l 】 In 3 0 I 斗 。 20l 00 【 2000 力计 算 方 法 ， 并 结 合 现 行 规 范 和 试 验 数 据 ， 对 发 生 延性破坏 的玄武岩纤维布加 固混凝 土连续梁 的抗 弯承载力进行 了计算。 1 试验 概 况 1 1 构件尺寸和配筋 试件包括 4根加 固梁 均采用 C 3 0混凝 土和相 同的配筋形式 混凝土立方体抗 压强度平均试验值 为 3 7 0 MP a 。 试件尺寸 、 配筋情况如图 1 所示 ， 钢筋 、 纤维布的材性试验值如表 1 、 2所示。 基金项 目： 浙江省 自然科学基金 ( L Y1 3 E 0 8 0 0 2 0 ) 。 一 42一 板纵筋 6 l 5 O 主梁上 部构 造钢筋 6 2 0 0 图 1 试 件配筋 图 表 1 钢筋的力学性能 。一 拉伸强度 型号 MPa 弹性模量 伸长率 厚度 | ( = a| mm B F RP 2 1 0 0 9 1 2 6 0 1 7 0 丁 斌 玄武岩纤维布加固混凝土连续梁抗弯承载力分析 1 2 加固方案及加载制度 在 中 支座 处 两侧 板 面 的有 效 宽度 范 围 内粘 贴 纤维布 。 加固梁板面均粘贴一层纤维布 ， 4根加固梁 梁底分别粘贴 l 4层玄武岩纤维布 ， 试件概况见表 3 。梁跨 内均粘贴 U型箍 以加强锚固并避免发生剪 切破坏。采用集中力以 5 k N的步长对两跨跨 中截面 同时加 载 ， 直 到试验 梁破 坏 。 试验 梁加 载简 图如 图 2 所 示 。 表 3 试件概况 图 2加 载试 验 简 图 2正 截面 承载 力分析 2 1 基本假定 依据试验结果和现行规范 ， 对玄武岩纤维布加 固梁受弯承载力计算做 以下假定 _ 引 ： ( 1 ) 各材料的应变符合平截面假定 ； ( 2 ) 混凝 土 受压 区的应 力 应 变关 系采 用 文献 1 】 建议的应力一 应变关系 。忽略混凝土的抗拉强度 ； ( 3 ) 钢筋 的应力一 应变关系为 ： 钢筋屈服前的应 仃 jl_ 力一 应变为弹性， 即； 钢筋屈服后的应力为屈服应力 ： ( 4 ) 纤维布的应力应变关系为线弹性关系 ， 即 ； ( 5 ) 不考虑玄武岩纤维布与混凝土粘结界面的 滑移 ， 且达 到承载力极 限状态前 ， 纤维布与混凝土 界面不发生剥离破坏。 2 2加 固梁 的破 坏形 态 玄武岩 纤 维布加 固混 凝 土梁 的破坏 形 态分 为 以 下几类 ： 适筋破坏 1 ： 跨中纵筋屈服后 ， 混凝土 达到极 限压应变 ，但纤维布尚未达到极限拉应变 ： 适筋破坏 I I ：跨中纵筋屈服后纤维布达到极限拉 应变 ，混凝 土 尚未 达到极 限压应 变 ； 超筋破坏 I I I ： ： 跨中纵筋屈服前 ， 混凝土达到了极限压应变 ； 剪切破坏 I v： 混凝土梁斜截面破坏 ； 粘结破坏 v： 达到承载力极限状态前 ， 纤维布与胶界面间发生粘 结破坏。 剥离破坏 V I ： 达到承载力极限状态前 ， 混 凝土与胶界面间产生剥离破坏。 本文试验 中，玄武岩纤维布加固的连续梁都未 发生第 1 V、 V种破坏 ， 第 v 1 种破坏在试验过程中不 明显 。 现通过加固梁截面应变图 3 、 图 4判断以上破 坏模 式发对 应 的截 面应 变情况 。 图 3 梁截面应变示意图 厂 h 0 1 ( a ) 受拉纵筋屈服时混凝土压坏状态 ( b ) 受拉纤维拉断时混凝土压坏状态 ( c )受拉纤维拉 断时混凝土未压坏状态 图 4 各界 限破坏时梁截面应变示意 图 由图 3可知混 凝 土相对 受 压 区高度 可 以分 为 三 段 ： 磊： ： 譬 ( 1 ) 6 一 一 n , 0 I Z , c u - t - i ： , y = = ( 2 ) 式 中， 、 分别为跨 中纵筋屈服时和纤维布断 裂时混凝土相对界限受压区高度 ； 。 为等效矩形应 力图形中的高度系数 ； 舶分别为混凝土受压 区 高度和加固截面的界限受压区高度 ； 为玄武岩纤 维布的允许拉应变 ； h 。 为混凝土梁有 效截面高度 ； h 为混凝土梁截面高度 ； 为纤维布极 限应变 ； 为 混凝 土极 限压应变 ； 为钢筋屈 服应 变 ； 为 钢筋 压应变 ； 。 、 X c 2 X 。 ， 分别为界 限破坏时对应的中和轴 高度 ； 、 、 分别 为界 限破 坏时对应 的受压 区高 度 。 如发生玄武岩纤维布的拉断破坏 ， 需满足 ： 4 3 广 ， 一 2 0 1 4年第 6期 混凝 土 与水 泥制 品 总第 2 1 8期 = ( 3 ) 式 中 ， 为混凝土截面受 压 区高度 ； 为玄武 岩纤 维布 拉应 变 ： 否则 。 为混 凝 土压碎 破坏 。 2 - 3 界 限破 坏状 态确 定 界限破坏有：破坏时受压区混凝土被压碎 ， 同时跨中纵筋刚好屈服； 受压区混凝土被压碎的 同时纤维布被拉断 ； 纤维被拉 断的同时 ， 受压 区 混凝土应变 达到峰值应变 e 。 。 X c l = e h D ( e + v )， 1 = l 。 l ( 4 ) c 2 = h 0 ( e + m ) ， X 2 l 。 2 ( 5 ) 式中， 为纤维布有效拉应变 引入应力应变关 系，则任意一点 的应力状况都 可以求出， 整个截面的受力状况是确定的。 ( 1 ) 界 限破 坏 类 型 I ： 破 坏 时 受 压 区 混凝 土 被 压 碎 ， 同时 受 拉 钢 筋 刚 好 屈 服 ， 纤 维 布 未 拉 断 。 根 据 x = 0有 ： l b x ， l + A = E A。 + E e A + ( 6 ) 式中 ， 为纤维布弹性模量 ； 、 E 分别为钢筋 受 拉 和受 压 弹 性 模量 ； A 、 A 、 ， 分 别 为受 压 区钢 筋 面积 、 受拉钢筋面积和纤维布有效截面面积 ； 为混 凝土抗压强度设计值 ； b为混凝土梁宽度 ； O L 为等效 矩 形 应力换 算 系数 。 上式左侧为受压 区的总压力 在上缘压应变和 受压区高度确定的情况下 ， 混凝土总压力为定值。 钢 筋屈 服 = ， 根据 平截 面假 定有 ： ：虹 ，兰 ： ( 7 )h 研 -x l h - x 1 、 令 = ， 叼 ： ( 。 ) ( h o - x ) c ： + ： ， 季 d J y J J y n 0 - c l 贝 0 +( h A r = C I ( 8 ) 显然 ， 当A 0时 ， 上式表示适筋梁与超筋梁的 临界 状态 ， 有 G 。 一。 ( 2 ) 对 于 界 限破 坏 类 型 I I ， 受 压 区 混 凝 土 被 压 一 4 4一 碎 ， 同时纤维布刚好被拉断 ， 在此之前 ， 受 拉纵筋往 往已 达到 屈服 状态。 根 据x = 0 有： 6 A ( A ， ) ( 9 ) 式中， ，c 一纤维布截面折减系数； A = o -e ， 令 C2 = + = s t a s P 】 y h 则 ， A + K A A产 C 2 ( 1 0 ) 式中 ， ， 为纤维布 的拉应力 ； 为受压钢筋重 心至受 压边 缘 的距离 。 ( 3 ) 对于界 限破坏类型 I I I ： 纤维被拉断时 ， 混凝 土应变 达到峰值应变 占 。 。根据有 ： 其中， l ( y ) 6 ( ) ， ) d y + E s 占 A ( A + K A A ， ) ， 令 c 。 ： ) ) Z O - e 3 则 A + A， =C 3 ( 1 2 ) 因此 ， 将 坐标 平面分 为 如 图 5中四个 区域 。 图 5界限破坏区划图 如图 5所示 ，直线 a a 、 b b 、 e C分别代表界 限 破 坏 I 、 I I 、 I I I 区域 1以外 的 区域 代 表混 凝 土 梁本 身 发 生 超筋 破 坏 ； 区域 2代 表加 固 梁发 生 适 筋破 坏 I ； 区域 3代表梁发生适筋破坏 I I ：区域 4代表加固梁 发生 了少筋 破坏 。 2 4 跨中抗弯承载力计算 梁截面加 固后有效截 面和应 力分 布如 图 6所 示。 在计算 中近似取 = 。 根据力平衡关系验算 ， 受 压 区高度均满足 sr h ) ， 其计算简 图如 图 6 ( c ) 所示 ， 混凝 土过 早压 坏 ， 计 算公 式为 ： = b x ( h o - O 5 x ) + o f A f ( h - h o ) + A s t ( h 0 一 ) ( 1 9 ) 玄武岩纤维布的拉应力 为： = ( 一 1 ) 【o f ( 2 0 ) ， 将 式 ( 2 O ) 代 入 ( 1 9 ) 可 得 关 于 的一 元 三 次 方 程 ， 解方程可得受压区高度 。 纵筋应力O s 为： O s= E f 8 ( 一 1 ) ( 2 1 ) 凡 式中， 4， 、 为为纤维布截面面积 和弹性模量 ； o f 、 听】 分别为纤维布允许拉应变和拉应力。 2 5 跨中截面承载力计算值和试验值 本 试 验采 用 1 3层 玄 武岩 纤 维 加 固连 续 梁 梁 的破坏均 以纤维布的断裂而告终 ， 符合第 1 I 类适筋 梁破坏的情况( ) 。 采用 4层玄武岩纤维加固连 续梁梁的破坏 以混凝土过早压碎而告终 。 符合第 1 I I 类超筋梁破坏的情况 ( x b h 。 ) 。 如取玄武岩纤维布允 许拉应变为厂商提供极限拉应变 的 0 5倍 ，计算得 到本 试 验 中 玄武 岩 纤 维 布加 固后 的 T形 截 面 梁跨 中截 面 的抗 弯 承 载力 如 表 4所 示 。 由 表 4数 据 可 知 ， 加固连续梁 的屈服荷载和极限荷载的提高较 明 显 ， 跨 中截 面计算值与 实测值 比较接 近 ， 计算值有 一 定的安全储备。 表 4 加固梁跨 中截 面受 弯承载力 3结 语 ( 1 ) 试验 中加 固 l 3层 玄 武 岩纤 维 布 的混 凝 土 连续梁 ( 综合配筋率 1 3 7 2 3 0 ) ， 破 坏模式为 中 支座 处 先 出现 塑性 铰 后跨 中 出现 塑性 铰 加 固梁 发 生延 性破 坏 ： ( 2 ) 如 玄武 岩 纤 维 布加 固混凝 土梁 时 的允 许 拉 应 变取 厂商 提供 的极 限拉应 变 值 的 0 5倍 对本 试 验 中发生适筋破 坏的玄武岩纤维布加 固梁跨 中截 面抗弯承载力进行了计算 ， 得到的承载力设计值具 有一定的安全储备 。 参考文献： 【 1 】中华人 民共 和国建设 部 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 2 】 江见鲸 钢筋混凝 土结 构非线性 有 限元分 析 M 西 安： 陕 西科学技术出版社 1 9 9 4 【 3 孙训方 材料力学【 M】 北京： 高等教育 出版社， 1 9 9 4 4 万墨林， 韩继云 混凝土结构加 固技术【 M 】 北京： 中国建筑工 业 出 版 社 。 1 9 9 5 5 】 范锡 盛， 曹蔽， 岳清瑞 建 筑改 造和维 修加 固新 技术 MJ 北 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 9 【 6 张 富春， 林志坤 等著 建 筑物鉴定 加 固与改 造【 M 北 京： 中 国建筑工业出版社， 1 9 9 3 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 9 作者简介 ： 丁斌 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 讲师 。 通讯地址 ： 浙江省 温州 市茶 山高教 园区高科路 联 系 电话 ： 1 3 6 0 0 6 6 61 0 8 E- ma i l ： 1 2 01 9 7 31 1 q q c om 45