复合材料加固素混凝土梁的试验分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 4年第 6期( 总第 1 9 2期) 复合材料加固素混凝土梁的试验分析 黄志强梁芳余登华 ( 沈阳工业大学建筑工程学 院 沈阳 1 1 0 8 7 0】 【 摘要】 采用 P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料对素混凝土梁进行不同厚度的梁底全长加固， 通过四点弯 曲试验对加固后的混凝土梁的极限承载力 ， 跨中最大挠度以及混凝土梁侧应变进行分析研究。结果表明： 加固的 混凝土梁在承载力方面提高程度较大， 通过比较加固材料和原材料的应变 一荷载变化情况可知， 二者能够协同工 作 ， 粘结界面未发生滑移现象。 【 关键词】 加固； 极限承载力； 水泥基复合材料； 挠度 【 中图分类号】 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 4 8 0 3 O 引言 随着钢筋混凝土结构的迅速发展， 混凝土构件 的耐久性 ， 极端荷载下的脆性破坏 也引起了人们 的极大关注。P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料是一 种具有超高韧性和优越能量吸收性能的纤维增强水 泥基复合材料 。具 有很好 的控裂 、 限裂 作用 。试 验 中为了获得混凝土和复合材料之间的相互影响的关 系， 混凝土梁中均没有配置钢筋。 1 实验概 况 1 1 试件设计 本次实验中共制作了 1 2根素混凝土梁， 每 3根一 组， 分为 4组。素混凝土的的尺寸为 4 0 0 m m1 0 0 m m x 1 0 0 m m， 其 中一组作 为对 比的素混凝 土梁 ， 其余 三组 在底部全 长 范 围 内分别 粘 结 厚度 为 l 0 、 2 0 、 3 0 m m 的 P V A纤维尾矿 砂水 泥基 复 合材 料 。试 件 的制 备分 两 次浇筑 ： 首先制作 l 2根尺寸为 4 0 0 X 1 0 01 0 0 m m的 素混凝土梁， 同时留有标准 的抗压试件 ， 待养护 2 8 d 后 ， 对抗压试件进行强度测量， 满足要求后 ， 对其中9 根素混凝 土梁进行加 固前处理 ： 将素 混凝 土梁 的梁 底 进行凿毛处理 粗 糙度为 0 91 5 m m) ； 在 浇 P V A纤 维尾矿砂水泥基复合材料前将凿毛处充分湿润 ， 在不 留水迹情况下进行 P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料 的浇筑， 同时将其充分振捣。 表 I P V A纤维特 性 P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料采用国产纤维 泰安“ 混凝 土伴 ” 的 P V A纤维， 掺量 为水 泥掺量 的 2 、 4 2 5普通硅酸盐水泥、 I 级粉煤灰、 西卡减水剂 ， 细骨料 中有 5 0 的粒径 为 0 1 5 m m尾 矿砂 和 5 0 的 粒径为 0 3 ra m天然砂， 其中尾矿砂为本溪红透山铁矿 铁尾矿砂 。 1 2测试方法 试件采用四点弯曲试验方法进行加载， 加载方法 见图 1 。梁体的跨中挠度采用英国 I ME T R U M公 司的 非接触式应变位移测量仪进行测量， 梁的纯弯段的底 部 、 距离 两种材 料 的黏 贴面 1 0 c m处 的 P V A纤 维水泥 基复合材料、 两种材料的粘结层以及距离黏贴层 1 0 e m 处的素混凝土的应变测量也采用非接触式应变位移 测量仪进行测 量。 图1 试件加载方式 横截 面 非接触式应变位移测量仪是利用图像散斑识别 技术 ， 能 够准 确跟 踪被 测物 上点 与点之 间 的运 动 ， 可 精确测 量二维 的位移 、 应 变、 剪应 变、 速度 、 加 速度 、 角 位移、 弯曲度、 泊松比、 应力 一应变曲线、 模数等， 从而 为材料测试服务 。 加 载装置 采 用 5 0 0 k N 的液 压伺 服万 能 试验 机 进 行加载 ， 加载速度采用位移控制 ， 速率为 0 1 m m m i n 。 2 试验结果与分析 2 1 复合梁弯曲试验的结果分析 不同厚度的 P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料加 基金项目 国家 自 然科学基金资助( 项 目批准号： 5 1 3 0 8 3 4 8 ) ； 生态型纤维增强尾矿砂工程水泥基复合材料的弹塑性断裂力学研究 ( 2 0 1 3 4 4 0 8 9 ) 黄志强等： 复合材料加固素混凝土梁的试验分析 4 9 固的混凝土梁的荷载一跨中挠度曲线如图2所示。试 验中， 对于加固了不同厚度的 P V A纤维尾矿砂水泥基 复合材料的复合梁和未加固的混凝土梁相比， 极限荷 载和跨中挠度有不 同程度的提高 ， 但从破坏的形式上 来看仍然属于脆性破坏 ， 在荷载增加至极 限荷载前， 整个混凝土 内部裂缝贯通， 极短时间内发生破坏， 同 时发 出较大 的破坏声 ， 此 时跨 中挠 度几乎 没有 发生 变 化。在试验加载中， 所有加固梁的两种材料的交界面 并没有发现滑移现象， 界面两侧的变形一致 ， 说明二 者粘结的较好 ， 能够共同工作。 表 2 堇 镛 棹 2 7 2 2 l 7 l 2 7 2 0 0 1 0 2 0-3 o 4 o5 o 6 0 7 位移 ra m 图2不 同加 固厚度 试件 的荷载跨 中挠度 曲线 不 同加 固厚度 的试件极 限荷载 和 跨中挠度提升情况 表 2具体的列出了不同加固厚度的试件的极限荷 载 和跨 中挠 度 随加 固厚度 的增 加极 限荷 载 和跨 中挠 度 提升 的情 况 ， 从 表 中 的数 据可 以看 出 ， 比较混 凝 土 梁和加固后的复合梁可以发现， 加固厚度的增加对提 高极限承载力的作用 比较显著 ， 加固厚度 1 0 ra m时承 载力 提 高 了 4 3 2 5 ， 而 此 时 的 跨 中 挠 度 则 增 加 了 4 0 ； 加固厚度 3 0 m m时， 承载力提高了 1 倍而跨中挠 度增加了3 1 1 1 ， 较加固厚度 1 0 ra m时稍有降低 ， 降 低程度不是很明显。因此提高加固厚度能够增强素 混凝土梁的极限承载力和结构的延展性。 2 2 复合梁的受弯性能分析 此次试验中混凝土梁中没有钢筋， 仅仅考虑混凝 土和 P V A纤维 尾矿砂 水 泥基 复合 材料之 间 的相互 作 用和影响。图3一图6描述的是素混凝土梁和加固厚 度为 2 0 c m的复合梁的梁侧各层应变和荷载之间的关 系。加固厚度 2 0 c m的复合梁的应变 一荷载曲线比较 具有代表性 ， 所以加固厚度 1 0 e m和 3 0 e m的应变 一荷 载曲线就没有一一列出。从 以上曲线 中可 以看出素 混凝土梁和复合梁的破坏形式均属于拉断破坏， 是典 型的脆 性破坏 。 镉 枢 图3 紊混凝土粱的侧边混凝土应 变一 荷载图 枢 应变 图4 加 固厚度2 0 e ra的纤维层应变一 荷载 辎 挺 铺 框 应变 图5 加固厚度2 0 e ra的复合层应变一 荷载 应变 图6 加固厚度2 0 e ra的混凝土层应变一 荷载 比较图3和图4 、 5 、 6可以看出加固层对前期受拉 变形的影响较大， 随着荷载的增加， 加固的混凝土梁变 形 随之变化较大 ， 而未加 固的混 凝 土梁 随着荷载 的增 加， 变形较小， 只是在荷载增加到一定程度， 瞬间破坏。 5 0 低温建筑技术 2 0 1 4 年第6期( 总第 1 9 2 期) 单索面独塔斜拉桥动力特性与抗震设计 谢理伟 ， 王涛 ， 郭晓光 ( 河南省交通规划勘察设计 院有限责任公司。 郑 州4 5 0 0 5 2) 【 摘要】 以某高速公路南水北调斜拉桥为研究对象， 采用有限元软件 M i d a s C i v i l 2 0 1 2 建立全桥空间有限 元模型， 分别采用反应谱分析方法和线性时程分析方法 ， 对该7度区倒 Y型桥塔斜拉桥进行动力特性分析及抗震 设计， 为其它同类工程提供了实践参考意见。 【 关键词】 单索面； 倒 Y型桥塔 ； 斜拉桥； 桩 一 土相互作用； 时程分析 ； 抗震设计 【 中图分类号】 T U 3 7 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 5 0 0 4 1 工程概况 某高速公路南水北调斜拉桥跨径布置为( 1 7 5+ 9 3+ 4 9 ) m， 是一座单塔单索面预应力混凝土斜拉桥， 总体采用塔梁墩固结的结构形式， 主梁采用单箱三室 斜腹板混凝土结构， 桥面顶宽 2 7 m， 底宽 1 3 m； 桥塔采 用倒 Y 型 ， 塔 柱 总 高 度 9 6 0 0 m， 其 中 上 塔 柱 高 5 1 3 7 4 m， 中塔 柱 高 3 4 4 2 8 m， 下 塔柱 高 1 0 1 9 8 m 。索 塔在桥面 以上高度为 8 5 8 m， 高跨 比为 0 4 9 ， 塔底左右 塔柱中心间距 2 8 m。 2 动力特性分析 基金项 目 河南省交通科技重点项 目( 2 0 1 2 D1 9 ) P V A纤维尾矿砂水泥基复合材料加固的混凝土 梁从某种程度上提高了混凝土梁的变形能力 ， 提高了 混凝 土梁的极 限承载力 ， 但 仍然没 有改 变素混 凝土 梁 脆 性破 坏 的现状 ， 这是 由于纤维 层 的厚 度还是 较 小 ， 另外我 们采用 的是 国产纤 维 ， 和 国外 纤维 的性 能 的差 距还有待研究 。 3结语 ( 1 ) 采用不 同加 固厚度 的 P V A纤维 尾矿砂 水泥 基复合材料对素混凝土梁进行加固处理 ， 通过对混凝 土梁的四点弯曲试验进行研究表明， 纤维厚度的增加 有助于承载力的提高达到了试验预期的研究目标。 ( 2 ) 对应变 一荷载的研究曲线可知 ， 复合材料 加固厚度的增加对变形能力有一定的提高， 通过对前 期 的应 变 一荷载曲线 比较 可知 ， 加 固了 的混凝 土梁 随 着荷载的增加变形程度变化较大； 通过比较同一加固 厚度的混凝土梁不同位置的应变 一荷载曲线可知， 两 种 材料 的 变形情 况较一 致 ， 说 明二者 之 间粘结 较好 ， 能够协 调工作 。 ( 3 ) 由于试验有限未能研究更多加固厚度的混凝 土梁的力学性能， 也未能研究国外纤维和国产纤维的力 学性能之间的区别。这些都有待于进一步的试验研究。 2 1 有限元模 型建立 动力分析要准确模 拟全桥 的刚度 、 质 量分 布及 阻 尼特性 ， 根据桥梁结构总体布置， 本桥采用“ 鱼骨型” 单主梁模式 ， 采用有限元软件 M i d a s C i v i l 2 0 1 2建立 全桥空间有限元模型。由于南水北调斜拉桥是单独 一 座桥梁 ， 没有引桥， 主桥抗震分析不计相邻结构物 的影 响。主 梁、 主 塔、 墩 台和桩基 均采 用 空 间梁单 元 模拟， 斜拉索采用索单元模拟， 斜拉索垂度引起的非 线性影响采用 E r n s t 等效弹性模量法予以修正， 二期 恒载及压重混凝土以质量形式计入。参考 J T G T B 0 2 参考文献 1 江见鲸 ， 李杰 ， 金伟 良高等混凝土结构理 论 M 北 京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 7 ： 13 2 L i V C 高延性纤维增强水泥基复合材料的研究进展及应用 J 硅酸盐学报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 3 1 5 3 6 “ V C P r o c e s s a n d a p p l i c a t i o n o f e n g i n e e r e d e e me n t i t i o u s c o rn p o s i te s J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 0 7， 3 5 ( 4 ) ： 5 3 1 5 3 6 3 徐世娘， 王楠 后浇 U H T C C加固既有混凝土复合粱的弯曲控 裂性能 J 中国公路学报， 2 0 1 1 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 6 4 2 4 K i m Y Y， F i s c h e r G ， L i m Y M， e t a 1 M e c h a n i c a l p e rf o r m a n c e o f s p r a y e d e n g i n e e r e d e e me n t i t i o u s c o m p o s i t e s ( E C C) U s i n g We t mi x S h o t c r e t i n g P r o c e s s f o r R e p a i r J A C I Ma t e r i a l s J o u rna l 。 2 0 0 4， 1 0 1 ( 1 ) ： 4 2 4 9 5 张文泉， 白桦 非接触式位移 应变视频测量仪在拉伸试验中 的应用 J 理化检验一 物理分册， 2 0 1 2 ， 4 8 ( 3 ) ： 1 7 4 1 7 7 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 5 作者 简介 黄志强 ( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 沈阳人 ， 博 士， 副教授 ， 研究 方 向： 混凝土结构加固。