碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究_图文

1、东北林业大学硕士学位论文碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验姓名:王润建申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:于天来20040301 永北转业人学硕士学协论文3碳纤维布加固钢筋混凝土梁锚圈方式的试验研究采用碳纤维布谶行抗弯加圆一般是将酸纤维布粘r贻在爨拉酝,加固效巢的好坏与碳纤维布和游凝±之闻秸绪性畿的优劣是紧密相关豹。大量试验结莱“表唆CFRP船霞混凝±粱程正缓瑟被坏之簿缀可麓会发生镶强酸辐:缳护蔗滢凝±赘甥受控剥褰破辐、CFRP与强凝±之阗艟糙结剥藏破坯(对于最后一种破塥在牯结胶豹质量及施工质量有保证时是可以避免的,对于保护层混凝土剪切受拉

2、剥离破坏只有通过附加锚固攒施来解决。因此,锚固问题在CFRP加固混凝土梁中是一个非常关键的问题,锚固的好坏将赢接影响到加固的效果。采用碳纤维u形箍作为附加锚固具有对原结构影响小、施工简便快捷等优点,因此该附加锚固方式在实际工程中应用最多。本文重点研究了碳纤维u形箍的位置、数鬃及闻距等困索对缀向碳绎绻南锈露垒髓静彰响。3.1试验概凝3.1。l钢筋混凝±梁设计试件采用矩形截面简支粱,缀向受力钢筋2审16,架立筋为2垂8,剪篮区箍筋审810,纯弯段箍翁审820,钢蕊保护层3cm,醚筋及截露尺寸翔图3一l掰示。广JILlo培”确辩f碡l隧3-1钢筋滏凝土粱配筋及氏寸示意图袭3-1钢筋性能指标

3、钢筋屈服强度(MPa抗拉强度(MPa弹性模置(MPa I级钢牵164055652.0×105f级钢审83604502.1×103表32混凝童惶簸指标l粱号A榉醚一l A张一2A鬻錾一3A硼一4A蓦鞋S AwM6I I l立方体强度(MPa51.150。754。l51.153。O46.2I 淀:碳纤维布性8%指标她表2-l。 永lE挞业大学颐=:±:学位论文/77/巧玎彳j1型誊*Hi誓鞫l l l lI1I J l.j Il*一+_I."+。¨.I¨+_+8一”-jl”nooL0一“l J一j,_j j没:I-54为残变持:55300

4、mm宽U碳纾维形箍;56一100mm宽碳纤维u形箍:5750mm宽碳纤维U形箍;58-I屡纵向受拉碳纤维布圈3-6AwM一6(300mm、100洲、50宽U形碳纤维箍3.1。4试验装置及仪表布置试验采用螺旋予厅顶加载,试验装覆及仪表意置憾况热图3-7所示。加载方式为两点加载,加载点为试验梁三分点,用分醮梁来实现两点加载,加载方案采用分级加载方式,当试验梁接近开裂及屈服时,适当减少衙载增量,以便较准确的确定开裂和屈服荷裁,每级葡载施加后稳定10min再采集有关数据。根据试验瞬的,在试验遗程中用力传感器控制每级荷载:丽亥度放大镜蕊察裂缝出现、开裂过程及裘缝形态,量测在使嗣祷载下裂缝蘸裂缝潮距及裂缝

5、宽度。薅宅瓣应变片l|羹涅凝土鞍碳纾维戆应交,袋溺e(型稷控巡测仪进孬数据采集。厅|n|图3-7试验装置及仪表带置示意图3.2试验结果分析各试件的玻环形态如表3-3所猁。12 塞北林业大学硕士学位论文表4-1试件主要参数试传编号(翻a纵餐配簸壤、玩碳野维垮度(&镕碳纤缨宽度(镬溅接熬A秘051.0O O无 A戳一l Sl。l0。lll200茏A#l一247。00.1ll×2200奢AWl一344。O0。11l×3200有2审16磊鼯4250.O0。lll×250×4有A弹43硅1.00,1ll×350×4寄B B辫一O42,l

6、0O有2中20表4-2钢筋的性能指标试件种类钢筋规格屈服强度(MPa极限强度(_lPa弹性模量(MPa审83604502.1x105 A组曲164055652,0×l妒审83184622.1×i秽B组审203955882,0x105捷:碳纡维蠢的性8§指标丝交2-t试验测点布篱翔4-1萄繇示,其体鳖灏斑容如下:l。在浆豹跨孛嚣铡分剔蠢鬟5个80mmI拣疆豹毫隰应变片蠲|奠测攫跨中截蘸上务点应变表验证乎裁聪假定;2.在梁底两加载点中间的纵向纤维上布簧3×4个标距为5mm的电阻废变片,用于测量碳纤维的平均拉威变:3.在梁底端部u形箍和加载点处u形箍之间的纵向

7、纤维上分别布置2×2个标距为 乐I栋业大学顼:学攮论文的结果可以看出,在混凝土开裂前平截粥假定成立,开裂尉,其平均应变仍然符合乎截谳假定,因此在计算分析过程中,可以采用平截面假定。(A梁AW22粱AW3-4黢4-2跨中载嚣痰变浍粱毒的分布规律1.混凝土强度文俘“对混凝±强度豹影豹傲了分椽。在钢筋混凝±懑麓粱中,滋凝±强发提薅,极投弯矩疲枣定数增热,这主要是漫凝±强度数提离,嘏应的受妥区裹度随之减少,级簇数力臂增加,极艰弯矩稍有增加。对于碳纤维加固梁虹存在类似现象,依据平截面假定不同混凝土强度的试件截面极限状念时应变分布见图4-3,由图43(A可

8、知当破坏状态为碳纤维拉断时,随着混凝土强度的提简,纵筋及碳纤维的力臂随之增长,极限弯矩也有一定增长:由图4-3(B,当破坏状态为混凝土压碎时,随着渥凝土强度的撬高,纵筋及碳纤维的应嶷和力臂均随之增糯,极限弯矩盘福应增魏。对手碳纤维羧断静清淡,崮于碳纤维稷限应交禳离,此时豹受压送离凌很小,困j毙混凝±强度豹交纯对檄羧弯矩豹影羲缀夺,在诗算申可考虑麓化。出本文试骏梁黢最殿破螺状态可以褥知,在纵麓配翦攀相同及上缘混凝士没有压碎驰条件下,随饕碳纤维加固量的增加,试验粱的破坏状态由碳纤维拽断转变为梁底缘混凝土被拉下的粘结破坏,这是出于混凝土抗拉强度不足而造成的。这说明,在纵筋配筋率相同的情况下

9、,对于碳纤维用薰较低的梁.混凝土强度的增加对加固厩钢筋混凝土梁承载力的提高贡献授小,而对于酸纤维雨量较高的梁,潺凝土强度的增稚对丽固意钢翁混凝±粱承载力的绳高贡献较大。碳纤维加钢筋溉凝十粱抗弯性能的试验研究j/混凝t强度较低混凝土强度较搿瑟涯凝土强度鞍低/。(A破坏状怨为碳纤维扳断(8破坏状态为潞凝土压碎豳4-3截面成爱分布图2.纵向配筋率由试验数据可知,随着配筋率的撬篱,碳纾缝翡船固效果降低,试律AWl一2的缀筋淹2妒16,加固梁的极限荷裁比基准梁提商了83KN,而BWI一1的纵筋为2m20,加固梁的极限穑载比基准粱提嵩了26KN。缀翁熬筋率对鸯噩露潦的影响辊强鞫渥凝主强度豹楣近,

10、不同鬻筋率试终扳陵获态静分程见图44,幽图44(h可知当破坏状怨为碳纤维拉断时,随着瓢筋率的增加,纵筋及碳纤维的力臂降低,碳纤维对极限弯矩的增加应有一定的鼹低;出图4-4(B,当破坏状念为混凝土透醛露,随黉缓篾配簸率的增鸯妥,缎簸及碾纾维静藏交及力甓懿隧之降低,骥纤维薅极限驽矩的增加墩相应降低。考虑到实际情况,配筋率的影响,在计算中可适当考虑简化。夕/纵筋蕊翁率较高徐级螯配菸率较病(A破坏状态为碳纤维控断(8破坏状态为混凝±压碎图4-4截面应变分布图3,糙贼方式对极限承载力的影嘲表4一l中的A组试传焉来分桥条宽为5cm,lOcm,20cm时,不同层数的碳纤维加固梁抗弯极限承载力的变化

11、。图45给出了主要试验结果(梁Aw】-1和AW-2结果差别较大,没有列出。9 酸纾维翔磷钢簸巍凝t梁菝驽蛙熊魏试验职究 图妒7钢筋应蜜比较凰加固前后梁的跨中挠度与荷载的关系髓线觅图48。幽该图及试验数据分析可以发现:在加载初期,各试骏梁的挠度相差不多;混凝土开裂后,尤其是纵囱钢筋属服后,来加固粱的挠度急剧增长,丽加固梁的挠度增长缓慢。在相同荷载下,加圃梁的挠艘均小于未加固粱的挠度,且这耪差髯随羞旖裴静增大嚣增大。这说键,终缨翱固粱在镪筋斌鼹之懿对粱豹潮度影响很小。屈服聪,对粱的刚度肖一定程度的提渐,且随着碳纤维用量的增加丽增加。 豳4-8旖载一挠鹰关系曲线东l藕业大学硬士学证论文4。2。6碳绎

12、维翔霞粱裘缝形态瓣分褥A基准粱的裂缝开蓦态8贴瑟凝爵攀窍热隧粱耱裂缝澎惑0魅瓣漂壤纤维蠢搬麟粱戆裂缝搿惑8建嚣瓣羰鳋绻密热溺黎懿裂缝澎卷蹦4-9趣爨翦后裂缝形态鞍霭4-9淹最爱玻坏对碳纾缳掇礤蘩勰露簿后静裂缝形态鬻,可鬣基藤粱鹣裂缝凝距较赛,宽度较大,数量较少。由于CFRP的约束作用,加固后梁的裂缝发展缓慢,裂缝间距较小,数譬增多,宽度减枣,近置隧饕疆鳕镶艨鼗熬避多,这翳趋势烫熬明羹。当侉燧在粱主静蒋载较大髓,在潦凝±稚胶器疆土产生较大静剪废力,掰戳在缝弯段,粱会产生些瓣袋缝,特剐愚三层CFRP加固鬣的辩,在纯弯羧产釜邋乎水平的袈缝,若蒋载继续增大,藏会发生混獠土被拽下勺糙结破坏,拣

13、主爨是捏凝±抗挝强度不怒面造成的。唾.3本章小节碳纾绒煳固钢筋混凝土粱的试骏缡果表明:l。碳纤维加固粱錾本满足平截面暇定;22碳纾维热渊镪簸浞凝±粱抗弯洼能戆试验研究2。试验磷袋歪实,镬爱磺纾维来鸯嚣盈混凝±麴佟葭鸯效戆提离棱律静援隈承蓑力,对屈服荷载有一定糨度的掇高,对开裂荷戡提高不是很明鼹。3.混凝±强度、缀筋配筋率、磺纾维南瑙鲞对辍蔽承载力有一定舱影响,整条热鞫和分条加固对极限承载力的影响不大。4。族纤舔稚的甭爨还祷影响到稿件的酸坏澎态。在级筋鬣筋率褶闲及上缘混凝主没有压坏的情况下,当碳窖千维用最较多时,构件破坏将由碳纤维控断转变为受拉区混凝土拉碎

14、的糖缭破坏。5.碳纤维加固梁的挠度小予末加网梁,这说明碳纤维布的使用,增加了粱的抗弯冈lJ 度。同时,碳纤维布对裂缝也裔一定的约束作用。 东北林业大学硕士学位论文6碳纤维加固钢筋混凝土梁计算机仿真分析碳终维农加固镪簸漫凝±粱是由漫凝±、镪簸、糙结挝§鬟秘碳纾维奄缀戏,它静霞能弱显地依赖于这四种材料,特别是a#线性阶段,这几种材料本身的各秘菲线性特性,部不同程度的在这种组合材料中反映出来。梁的极限承载破坏是伴随着多种材料非线性发生的,就使得计算分析的难度大大增加。有限元怒一种有效的计算方法,讼巧妙的搬差分法和直接变分法的优点糅合到一超,应用菲常广泛。本文幂j蠲ANS

15、YS青隈元分析较件,建立不瀚材料的菲线程本构方程,采掰实钵建模,对碳终维热霪镊簸混凝±粱蕊蛮性§%进孳亍了镑囊分孝厅。6。l碳纤维布加固钢筋混凝土粱霄限元分析模型的建立ANSYS中有专门用于钢筋混凝土结构的solid65单元,可以考虑混凝土的压碎和开裂。solid65单元为八节点六面体单元。soid65单元本身包括两部分:一是和普通的八节点空间实棒擎元solid45相同的实体荦元模型,值加入了Willam-Warnke五参数破坏准则。二是由豫教镪筋缓残瓣整体式模型,它可戳寇三缨空闻翡不阏方囱分潮设定钢筋的位置、角度及配簸率等参数。她攀元模型在定菠里海霹以较好熬进雩亍镪然混凝

16、±静#线性分孝厅,惫摄对徐变等特性的考虑,但对于复杂加载路径下结构的响应。如地震乍用下滞剜性能的分辑,由于本构模型过于枫糙,得不到令人满意的结果。单元形状和节点位雹见图6-1。翻6-I Sof id653一SOI id钢麓采焉Link8单元,该萃元有两个节点,簿个节点有三个方向的自由度Ux,XY,uz,恳具蠢塑性、蠛变、膨胀、应力慰化、大变形、大痘变等功麓,其肇元形状莘瑟节熹位置冤窝6-2。碳纤维加同钢筋混凝十梁抗弯性能的试验研究。形。If l l广7LJ图6-2Link3-D Spar碳纤维采用层实体单元Solid46,该单元有8个节点,每个节点有三个方向的自由度ux、UY、UZ。

17、Solid46允许设景250多种不同方向角的各向异性材料,其单元形状和节点位置见图6-3。图6-3SoI id463-D8-Node Layered StructuraI SoI id加载点和支座处的钢垫块采用Solid45来模拟,该单元有8个节点,每个节点有三个方向的自由度ux、UY、UZ,其单元形状和节点位置见图64。 系嚣袜簸夫学颈士学位论文 强6-7t/4搂鹫网揍捌分蘑6。l。5边赛条件的薯l入为防止加载点和支鹰处产生应力集中,在加载点和支承处分别设置钢蛰块,钢垫块聚用Solid45单元,通过公用节点,使钢垫块节点与相应的混凝土节点实现位移协调,沿支座处钢楚块中线上的节点施加边界条件;

18、在鼯个对称甄上的节点,应约束对称两法线方肉位移。边界条件的具体情况见图67。6。2有限元计算、收敛分析6。2。1非线性分析计算步骤”l+先按上一级赞簸增量计算结束所得到的各单元冈度矩赡,求键各单元的应力墩量,以及到目前为止的总应力值。2.检查各单元是褥开裂、压坯、屈服等现象。对予开裂、压坯、震服懿零元,必须摆应谡整其总应力值,调整其刚度矩阵,并且将其超额总应力值转换成节点力。3.用调整嚣的剐缱短跨及转换鼹褥款节点力,求耘戆应力增量,再求瑟懿总应力售。4.重复2和3直挺没有新的开裂、压坏、屈服单元为止,然后进入下一级荷载增量,直到整令棱譬这裂破螺。 东北林业大学硕士学位论文6.3有限元结果分析本

19、文以梁AW2一l为例,进行了计算机仿真分析,并对各级荷载作用下试验梁的跨中断面混凝土上缘压应变、钢筋应变、碳纤维应变及挠度的ANSYS解与试验结粜进行了对院,萁结采弼图68醋6一il。主要特征点荷载的ANSYS解与试验结果觅表6一l。键应拦图6-8混凝土应变一荷裁关系图搬立交图6-9钢筋应变一荷载关系豳图6-10碳耋手维应变一莓载美系匿图6-l揍度一蔫载关聚露表6一l生要糖征点蔼载值的试验馕与仿真躲相对误著4.i锚670%11.73%蠢上瑟静聪跑结采可以看鑫,在歼襞翁,跨中酝面的混凝土上缘舔应变、钢筋应变、碳纾维应交及挠度豹ANSYS解与试验篷菲常嗡合,ANSYS傍囊静开裂蔫载比试验值略小,楣对误茇为4。1%;从试验梁开裂歪镪篾藩鼹,跨中跨中叛蘸混凝± 东北林业大学硕士学位论文7结论1.本文对碳终维搬露锻筋漫凝±粱的锚露方式及接弯蛙鼹进行了试验磷究及理论分辑,菸基利用ANSYS软件对其进行了仿真分车斤。根据分撕及计算鲍结果,可以得出如下结论:1碳纤维u形箍能有效地减少碳纤维剥离破坏发生的可能性。u形箍应设置在弯矩和剪力都比较大的部位,能有效地限制纵向纤维与混凝土之间的剥离,增强锚固效果,是简单而有效的锚阐措施。2鸯稀载点处静碳纾维U形籁宽度为lOOmm时,不麓脊效静防丘靳离破环豹发难,建议加载点处懿