FRP加强混凝土梁延性分析

第３２卷第４期　・６６・　２　０　０　６年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．４　ｂ．２Ｏｏ６　文章编号：１００９　６８２５（２００６）０４　００６６—０２　ＦＲＰ加强混凝土梁延性分析　田野梁志萍　摘要：对ＦＲＰ混凝土配筋梁，ＦＲＰ和钢筋混合配置的混凝土梁进行了计算机仿真计算，在计算结果的基础上，着重在　弯矩一曲率关系方面探讨了这两种梁的延性性能，并同钢筋混凝土梁进行了比较分析。　关键词：ＦＲＰ混凝土粱，延性，受弯构件　中图分类号：ＴＵ３７５．１　文献标识码：Ａ　纤维增强聚合物（ｎ　）具有强度高、质量轻、弹性模量适中、　ＦＲＰ加强杆在拉力的作用下拉断，破坏是突然的且直接导致构件　耐腐蚀性能好等优点，可替代混凝土结构中的钢筋、预应力钢筋　倒塌，具有很强危害的，但是在ＦＲＰ断裂前由于ＦＲＰ的明显拉长　以及加固混凝土结构用的外粘钢板。美国、加拿大、欧洲和日本　而使构件出现很大的裂缝和变形，能够提供构件破坏的有限预　等国通过研究开发和工程试点，已在不少桥梁和房屋建筑的新　告。混凝土压碎破坏模型是混凝土先达到抗压强度，混凝土被压　建、改建和加固工程中应用。近年来，我国也开始对此进行开发　碎构件破坏的模型。这时ＦＲＰ末达到抗拉强度，破坏模型类似　和应用。但是由于ＦＩ　筋在物理力学性能上同钢筋有很大不　与钢筋混凝土超筋梁的形式。这种模型相对ＦＲＰ拉断破坏模型　同，在利用ＦＲＰ筋作为混凝土结构的加强筋时，应采用不同的设　稍微好一点。在实际的实验研究中，可以观察到混凝土压碎的抗　计方法和标准。ＦＩ　筋近似属于弹性材料，即直到破坏应力应变　弯构件在破坏前显示了一定的塑性。在混凝土被压碎的构件中　呈线形关系，对于ＦＲＰ筋混凝土结构来讲，必须充分考虑加强结　较少出现破坏性极强的构件破坏，并可以观察到较高的变形系　构延性，提高结构的强度储备。　数。文中在理论分析中采用第二种破坏模型，即保证在ＦＲＰ达　下面从理论的角度研究ＦＲＰ和钢筋共同作用的混合配筋混　到抗拉强度前，混凝土先达到抗压强度，混凝土压碎破坏。　凝土粱的延性性能。　１．２　ＦＲＰ与钢筋混合配筋梁的破坏模型　１　ＦＲＰ加强梁和混合配筋梁破坏模型　１．１　ＦＲＰ加强混凝土梁的破坏模型　ＦＲＰ与钢筋混合配筋混凝土粱的破坏模型与ＦＲＰ配筋混凝　土梁的破坏模型基本类似。受拉筋先拉断和混凝土压碎，不论哪　ＦＲＰ加强混凝土梁的破坏模型主要有两种，即ＦＲＰ筋被拉　种模型，只要保证钢筋达到屈服强度，构件的破坏前应产生比　相对ＦＲＰ配筋梁可以提高构件的延性，且有　断和混凝土被压碎。ＦＲＰ拉断模型，是混凝土未达到抗压强度，　ＦＲＰ配筋大的变形，而ＦＲＰ先达到抗拉强度而ＦＲＰ被拉断构件破坏的模型，这种破　较大的破坏预警　坏模型类似于钢筋混凝土少筋梁的形式。已有的研究实验表明，　２　理论分析假定及材料本构关系　Ｍ，　，　－“－　－　ｌ　＿一，　－　ｌ…，　ｌ㈣　，　…　’　，　，　，…，　－　明，刮板粘贴碳纤维布效果很好，碳纤维布空鼓率基本为零。　经现场锤测及邵氏硬度测试，施工质量达到优良，取得了良好的　加固效果。　置构造碳纤维片材Ｕ型箍或横向压条。　Ｃ－注意搭接区粘贴，做好标记，保证搭接长度不小于１５０　ｌＴｌｆｌ。　３　结语　工程实践证明，ＣＦＲＰ加固技术对于混凝土结构及构件的补　强加固效果　分理想，在几乎不增加梁的截面尺寸及自重的前提　４）构造措施　ａ　当对梁、板正弯矩进行受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至　支座边缘。　下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到业主　的要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广价值。　参考文献：　ｂ．当碳纤维片材的延伸长度无法满足上述计算延伸长度的要　求时，应采取附加锚固措施。对于梁，在延伸长度范围内设置碳纤　［１　ＪＧＢ　５００１０．２００２，混凝土结构设计规范［ｓ］．　［２］ＣＥｃｓ　１４６：２００３，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程［Ｓ］．　维片材ｕ型箍；对于板，可设置垂直于碳纤维受力方向的压条。　［３］ＤＢ　４２／２０３—２０００，钢筋混凝土结构外粘钢板加固技术规程【ｓ］．　ｃ，在碳纤维片材延伸长度端部和集中荷载作用点两侧宜设　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｉｎ　ｆｒａｍｅ　ｂｅａｍ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｆａｃｔｏｒｙ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　・ＸＩＥ：／．ｈｉ—ｙｉｎｇ　ＤＥＮＧＷｅｎ－ＸＵ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｙ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｋ￣ｙ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｓｏ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｉｇｈｔ－　ｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃ，ｒｄｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｆｏｒｍ，ｍｏｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｖａｌｕｅ　收稿日期：２００５—０９一ｍ　作者简介　田野（１９７４：），女，同济大学博士研究生，上海２０００９２　梁志萍（１９７３　），女，工程师，煤炭工业部南京设计研究院，江苏南京２１００００　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３２卷第４期　２　０　０　６年２月　田　野等：ＦＲＰ加强混凝土梁延性分析　・６７・　２．１理论分析假定　在分析时，ＦＲＰ加强梁和混合配筋梁仍符合以下假定：　１）混凝土和ＦＲＰ的应变同到中性轴的距离成正比（平截面　假定）。　＝　，　＝　。　２）ＦＩ　的抗拉性能直到破坏均呈线形。　３）在混凝土和ＦＩ　之间的粘结完好。　粱的破坏模式为混凝土压碎，且破坏时ＦＲＰ与钢筋的应变应　大于　，即钢筋已经屈服。整个梁的受力可以分为以下几个阶段：　１）混凝土开裂前，拉区混凝土承受拉力；　２）钢筋屈服，压区混凝土边缘纤维应变未达到峰值应变；　３）混凝土压区边缘纤维应变　达到峰值应变￡０；　４）混凝土梁达到极限状态，　＝ｅ　。　２．２　ＦＲＰ钢筋及混凝土的本构关系　１）混凝土材料。分析中采用现行ＧＢ　５０ｏ１Ｏ混凝土结构设计　规范所采用的应力应变曲线（见图１），其形式为抛物线加直线，应　力一应变的上升段为抛物线，下降段为直线形式，表达式为：　ｅ≤　・　［卜（１一言）　］，　４延性分析　混凝土结构的延性是指破坏前承载力无显著变化的情况下　承受变形的能力。文中着重从弯矩和曲率关系方面来讨论ＦＩ　￡　≥￡＞￡ｆ，　＝　。　混凝土梁和混合配筋梁的延性性能。　对于受弯构件的延性可以采用延性系数表达：　＝　／　，其　中　对应极限状态下的曲率，而　是屈服状态时的曲率。在本　计算模型中，对于钢筋混凝土梁可以直接计算得出五＝１．２。　对于ＦＩ　配筋混凝土梁，虽然ＦＩ　材料是脆性材料，但在梁　的曲线上还是呈现了部分的延性性能。ＦＲＰ材料没有屈服点，因　０￡ｖ　此不能直接利用延性系数计算　Ｊ　然而在混凝土压区边缘纤维　应变大于ｅ　后，破坏弯矩与混凝土压区边缘纤维达到ｅ０时的弯　矩仅增加了ｌ１％，因此对于ＦＩ　配筋梁可以将混凝土压区边缘　图２钢筋、ⅡｔＰ和混合筋应力一应变关系　２）钢筋材料。对于有明显屈服点的钢筋采用理想弹塑性应　力一应变关系（见图２），其表达式为：　ｇｓ￣ｇｙ，ｄ　ｓ　Ｅ　ｓ，　ｇｙ＜￡　≤　，　＝　。　纤维达到￡０点的曲率作为屈服曲率，可以算出　：１．４５。　对于混合配筋混凝土梁由于钢筋屈服后梁的弯矩仍有显著　增加，因此？昆合配筋粱的延性指标仍是将混凝土压区边缘纤维应　变等于￡０时的曲率作为屈服曲率，可以计算得出分别为　＝１．７３　和　＝１．６２。　３）Ｈ　材料。采用弹性应力一应变关系（见图２），其表达式　为：　ａｆｒｐ　Ｅ　仲。　从以上分析可以得出，对于ＦＲＰ混凝土梁采用混凝土压碎　的破坏模型，且在合理配筋的前提下，粱具有一定的延性性能，吸　收的变形能也较大。但是破坏前的变形虽然较大，但是弯矩也在　增加，因此破坏预兆不是非常明显。解决这个问题的方法之一便　３　ＦＲＰ加强粱和混合配筋梁理论分析　３．１　ＦＲＰ加强粱理论分析　根据材料的物理关系和截面力平衡条件求得中和轴高度和　是采用混合配筋的方式。　从以上分析可以得出如下结论：　曲率，由截面力矩平衡条件求得弯矩。因为采用混凝土压坏的破　１）对于截面相等的ＦＩ　粱和钢筋混凝土梁，ＦＩ　梁的承载　坏模型，ＦＩ　材料到构件破坏仍呈现弹性性能，未达到破坏强　力比钢筋混凝土梁小，但变形比钢筋混凝土梁大，混合配筋梁随　　筋的增加和钢筋的减少，承载力降低，变形增加。　整个梁受力分三个阶段，第一个阶段为混凝土开裂前，拉区　着配置ＦＩ２）ＦＩ　配筋梁具有一定的延性性能，而？昆合配筋梁的延性性　混凝土承受拉力；第二个阶段为混凝土开裂到混凝土压区边缘纤　度ｌ　ｏ　维达到峰值应变；第三个阶段压区边缘纤维达到极限应变。　能很好，具有较好的吸收变形的能力。　参考文献：　３．２　ＦＲＰ与钢筋混合配筋梁理论分析　杨政，郭万林，张田忠．纤维加强聚合材料加筋混凝土梁正　截面的应力一应变分布如图１，图２所示。根据平截面假定，　［１］截面强度研究［Ｊ］．西安交通大学学报，２０００．１８—２０，　ＦＲＰ与钢筋共同作用的应力一应变关系（见图２的ＦＲＰ—Ｇ曲　［２］辰，程斌，李　杰．预应力与非预应力高性能混凝土梁　线）可以简化为双折线形式，其表达式为：　抗震性能实验研究与有限元分析［Ｊ］．建筑结构学报，２００４　￡＾≤￡　，　＝　￡＾，　ｅ　＜￡＾＜￡地，　％＋　仲（　一　），　（２）：７７—７９．　Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＦＲＰ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ＴＩＡＮＹｅ　ＬＩＡＮＧＺｈｉ・ｐｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｆｏｒ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｂｅｒｇｌａｓｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｌａｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｍｉｘｅｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ＦＲＰ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ｂａｒ．Ｂａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｈｅ　ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｓ　ｏｆ　ｔｈｏｓｅ　ｔｅｗｏ　ｂｅａｍｓ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍｏｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｕｒｖａｔｕｒｅ，Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｗｉｔｈ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＲＰ－ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ｍｅｍｂｅｒ　ｉｎ　ｂｅｎｄｉｎｇ