碳纤维加固钢筋混凝土梁性能分析

1、碳纤维加固钢筋混凝土梁性能分析龚 德 宏 1 秦 卫 红 1徐 少 志 2(东南大学土木工程学院 1,南京特希达公司 2南京 210096摘 要 :碳纤维是一种轻质,高强,耐腐蚀、放射及高温的材料。目前广泛地用于铁路,公路,港口和水 利水电等工程混凝土结构的加固修复及砌体结构,木结构的加固修复中。本文通过对实际工程中混土梁的 加固设计与分析比较 , 得出利用碳纤维加固的技术有着传统方法无以比拟的优越性 .关键词 :碳纤维;钢筋混凝土;抗弯抗剪ANALYSIS OF CONCRETE BEAMSSTRENGTHENED BY CFRPDehong Gong, Weihong Qin(Colleg

2、e of Civil engineering, Southeast University, Nanjing 210096Abstract: Carbon fiber polymer is a kind of lightweight, high strength, corrosion resistant material, which is also resistant to elevated temperatures. It is now widely used in the strengthening of concrete structures. Such as the field of

3、railway, highway, port, hydraulic engineering, masonry structures timber structures. This paper based on the strengthening design of concrete beams of natural project and theoretical analysis, a conclusion has been derived that this new technology is more better than traditional technologiesKey word

4、s: fiber reinforced polymer, reinforced concrete, bending resistance, shear resistance.1 前言随着我国经济的迅速发展,一些建筑物的使用要求也发生了很大的改变。实际常常需要 在一个旧的建筑结构不影响它原有的使用功能前提下, 加大工作力度去满足使用要求。 这样 势必引起结构荷载的增加,往往先前的结构不再满足使用要求 , 必须对原结构进行加固。除 了传统的加固方法外, 近年来利用碳纤维对建筑进行加固也成了一门新兴的加固技术 345。 本文根据实际工程介绍了这种新型材料加固钢筋混凝土梁的一些特点。2 工程概况本工程

5、是江苏省某电厂的输煤栈桥的加固与改造, 该栈桥建于 1987年, 其中端部较高的 柱高达 32米,平均梁跨在 12m 左右,由于生产规模的扩大,现要求加大栈桥的输送量,再 加上长时间受污染水的侵蚀,导致梁柱保护层混凝土开裂、酥松、剥落,钢筋锈蚀。现对其 进行改造与加固。3 碳纤维的施工与设计现在选择其中的 4号栈桥首跨梁进行加固分 析计算与比较。具体如下图 1所示。加固梁的跨度为 12.5m, 梁上均匀布满槽型 板, 可近似看作受均布荷载作用, 设计时把动荷 载折算为静荷载近似取为 40kN, 梁加固前, 先将梁的残缺破损部位打磨清洗,使梁表面平整,将梁的棱角打磨成半径不小于 20mm 的圆角

6、, 用水清洗梁表面的灰尘杂质,待其充分干燥后用 FP-NS 底涂 , 养护 5小时使其渗入混凝土内 部,强化混凝土表面,改善 CFRP 与混凝土之间的粘接能力。然后涂 FE-P 找平修补混凝土 表面缺陷, 再刷粘合剂 FR-E3P 保证 CFRP 与混凝土 的有效粘接后贴碳纤维布,碳纤维布采用的是日本 新日铁公司生产的 FTS-C1-30,碳纤维粘贴一层后 表面再刷粘合剂进行下一层的粘贴。本工程混凝土 梁底根据设计使用要求粘贴两层碳纤维用来抵抗弯矩和挠度的增加。跨中截面如图 2所示:4计算比较4.1计算条件与基本假定(1混凝土截面变形采用平截面假定;(2应力 -应变的物理关系。a. 混凝土(C

7、30当 0时, 2002(c f = (1 当 0u 时, c f = (2 b. 钢筋采用理想的弹塑性应力 -应变关系。 (HRB335c. 弹纤维采用弹性应力 -应变关系。 相关材料性质如表 1所示 :(3不考虑混凝土的抗拉作用。表 1 碳纤维材料性质碳纤维规格型号 试验方法 抗拉强度(MPa弹性模量 (GPa 断裂伸长率 (% 名义厚度 (mm FTS-CI-30 GB/T3354-19994100 233 1.7 0.16 注:碳纤维生产厂商为日本新日铁公司生产的 FTS-CI-30碳纤维粘贴树脂采用 FE-Z(夏季用 4. 2结果比较分析 12加固时栈桥处于工作状态, 梁上的荷载没有

8、卸除, 导致初始的弯矩远大于未加固梁承载 能力的 20%,依照碳纤维加固规范考虑梁的二次受力影响,本工程梁就是基于该种状态进 行设计的,根据折算荷载选择双层碳纤维加固后满足要求,梁的抗弯能力提高了 17.6%,满 足规范规定。 碳纤维布环包对梁抗剪能力的提高能起到一定作用, 从表 2结果可以看出本工 程梁加固前的抗剪切能力就已经远大于加固后梁需抵抗的最大剪力, 所以设计时没有设计利 用纤维布环包去提高梁抗剪能力,只是在中间和端部的三个槽型板肋下环包了一图 2 梁跨中截面尺寸及配筋图道 250mm 的碳纤维布防止梁底的碳纤维布与梁发生剥离破坏。按照规范 12推导梁跨中极 限弯矩和梁端剪力设计值,

9、结果如表 2。表 2 计算结果比较极限弯矩 (kN·m 抗剪切力 (kN 初始设计弯矩 (kN·m 初始设计剪力 (kN 改造设计弯 矩 (kN·m 改造设计 剪力 (kN 加固前776.94 613 683.6 218.75 - - 加固后 914 - - 218.75 718.25 250在计算结果基础上,本文应用 ansys 软件对工程加固梁二次受力进行了计算机模拟。用 Concrete65单元模拟混凝土, 利用 65号单元 5参数定义它的 w-w 破坏主则 , 同时采用多线性 等向强化模型 (MKIN来定义它的屈服准则 , 由于考虑到计算结果的收敛性 ,

10、关闭了混凝土的 压碎选项 , 采用 Shell63单元模拟碳纤维布 , LINK8单向拉压单元分别模拟上下钢筋。梁的 箍筋及碳纤维采用分离式建模的方法, 不考虑碳纤维与混凝土之间的相对滑移对构件梁的影 响 . 荷载的添加分两个载荷步 :第一个载荷步的荷载模拟栈桥原始的工作荷载,此时将模型中的 碳纤维单元杀死, 然后添加由工程扩建而增加的荷载作为第二个载荷步, 同时激活碳纤维单 元 . 将两个载荷步作为两个工况组合。模拟结果见图三除了梁下端支座处混凝土应力偏大外 , 其他部分的混凝土都在设计许用应力的范围内 , 但由于梁的下端端部存在预埋钢板 , 缓解了应 力 集 中 , 实 际 上 不 存 在

11、 超 过 设 计 应 力 的 混 凝 土 . 跨 中 截 面 下 上 边 缘 混 凝 土 压 应力 图 3 箍筋建模和荷载组合应力云图图 4跨中计算点及其应力曲线27.66/c N mm =(加固改造后跨中截面节点和应力图为如图 4所示 . 计算相同点的压应 力值,将钢筋的面积换算成相同抗压强度的混凝土面积, ' 28.07/c N mm =差别为 5.35%可以接受。5 结束语本文通过加固工程改造 , 详细介绍了碳纤维加固混凝土梁的施工工艺 , 利用规范计算比较了碳 纤维加固对梁抗弯能力的提高程度 , 最后利用 ANSYS 模拟加固梁的二次受力对比了跨中节 点的压应力在一个可以接受的范围之内。 同时由于采用了碳纤维加固的方法, 本工程在工程 进度和工程造价上都取得了较好得效益,随着国内外厂家的纷纷投产和我国专家学者们对 CFRP 加固技术的深入研究,在以后的工程建设中,这项技术必将有着更广阔的前景。参考文献1 混凝土结构设计规范 J, GB 50010-20022 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 J, CECS 146:20033 吴 刚 . 碳纤维复合材料加固混凝土结构技术及施工要点 J. 东南大学预应力新进展。 2005 , 53-58。4 郝 峥 . 外