T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算第2卷第4期2005年8月铁道科学与工程JOURNALOFRAINSCIENCEANDENGINEERINGVoI.2No.4Aug.2005T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算周朝阳,李毅卉.贺学军(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:讨论了钢筋混凝土粱表层嵌入(NsM)纤维增强材料(FT)抗弯加固后的破坏形态,基于平截面假定

2、和规程推荐的材料应力一应变关系,分析了T形截面加固梁弯曲破坏时的各种极限状态,提出了相应的极限承载力计算公式和界限破坏发生条件,其计算结果与作者及国外已有试验实测值吻合较好.关键词:FRP;内嵌;加固;钢筋混凝土;抗弯承载力;破坏形态中图分类号:TU398文献标识码:A文章编号:16727029(2005)04005004PredictionofflexuralcapacitiesforT-shapedRCbeamsstrengthenedwithNSMFRPreinforcementZHOUChaoyang,LIYihui,HEXuejun(SchoolofCivilEngineeringa

3、ndArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)Abstract:ThefailuremodesarediscussedforreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithReal一surfaeemountedfiberreinforcedplastics.TheultimatelimitstatesareanalyzedfortheTshapedbeamsfailinginflexure.Theexpressionsarederivedfortheirflexuralcapacitiesba

4、sedontheplanesectionsremainplainassumptionandthestressstrainrelationshiprecommendedinthestandard.Thepredictedresultsareingoodagreementwiththemeasuredonesfromtestsoftheauthorandotherinvestigatorsabroad.Keywords:fiberreinforcedplastics;nearsurfacemounted;strengthening;reinforcedconcrete;flexuralcapaci

5、ty;faj】UremodP相对于外贴纤维增强材料(FRP)加固技术,表层嵌入式(NearSurfaceMounted.简称NSM,中文可与外贴对应简称为内嵌)加固方法是FRP加固混凝土结构的一种新的应用形式,施工时先在结构表面开槽,再向槽中注入部分粘结材料,然后将条状的FRP(筋或板)嵌入槽中,并注满粘结材料使之形成整体,以此改善结构的力学性能以达到加固修复的目的.近年来,内嵌FRP加固法开始在国外得到研究与应用.它不仅保留了外贴FRP片材加固技术的优点_】J,还能减少表面处理工作量,提高粘结和耐火,耐碾压性能,因而可以更充分地利用FRP材料的强度,更有效地用于负弯矩区域加固.因此,该技术值

6、得大力研发和推广.本文基于国外的文献资料和作者的试验研究,对内嵌FRP加固T形截面钢筋混凝土梁的破坏形态,受弯承载力和设计方法进行讨论,并给出有关计算公式.1破坏形态与计算假定内嵌FRP加固钢筋混凝土梁的破坏形态可分收稿日期:20050610基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(05JJ30101)作者简介:周朝阳(1964一),男,湖南衡阳人,中南大学教授,博士生导师,从事土木工程结构研究第4期周朝阳,等:T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算51为三大类【,分别为粘结破坏,弯曲破坏和剪切破坏.若发生剪切破坏,说明弯曲破坏得以避免.粘结破坏是后续研究工作的重点,将另文讨论.本文仅

7、研究弯曲破坏.当弯曲破坏以混凝土压碎为标志时,FRP材料未拉断,钢筋可能屈服,也可能未屈服.钢筋屈服和混凝土压碎同时发生为其界限状态,记为界限破坏I.钢筋屈服以后,构件的最终破坏特征可能是混凝土压碎,也可能是FRP拉断,其界限情形是FRP拉断和混凝土压碎同时发生,记为界限破坏.下面先分析2类界限破坏,再讨论其他3种可能的弯曲破坏形式:1)钢筋屈服前混凝土压碎;2)钢筋屈服后混凝土压碎;3)钢筋屈服后FRP拉断.本文对加固截面抗弯承载力计算采用下列基本假定lJ:1)平截面假定;2)无滑移假定,即认为所考虑的截面上FRP与混凝土之间粘结可靠,不发生相对位移;3)混凝土,钢筋的应力应变关!L图1极限

8、状态下截面应变关系Fig.1Distributionofstrainsatfailure2.1界限破坏工钢筋屈服和混凝土压碎同时发生.FRP未拉断内嵌FRP加固矩形截面梁抗弯计算简图见图2.当发生界限破坏工时,其中=,=0.8xo;:,=fy;.f<.fu,Effo记相应的0为o1,为1,M为uI.根据平截面假定和无滑移假定,有X01=_uho(1).CU.Y若o11.25,即hf,为第1类T形截面.对FRP作用点取矩,建立力矩平衡方程,可求出界限破坏工相应的极限弯矩为系按混凝土结构设计规范500102002>>选取,FRP的应力一应变关系为线弹性;4)忽略开裂截面上受拉区混

9、凝土的抗力.根据平截面假定,上述3种弯曲破坏形式和2类界限破坏状态相应的截面应变关系如图l所示.2受弯承载力计算T形截面受弯构件在实际工程中经常见到,如预制桥梁,吊车梁,现浇楼盖梁等.根据承载力计算的需要,通常将T形截面梁按照受压区高度分为以下2类.第1类T形截面:等效矩形应力受压区完全位于翼缘内,即.在计算正截面承载力时,由于不考虑受拉区混凝土的抗力,因此可将此类受力状态视为截面宽度同翼缘的矩形截面进行分析.第2类T形截面:等效矩形应力受压区在梁肋内,即>h,见图2所示.图2内嵌FRP加固梁截面,应变和受力图Fig.2Section,strainsandstressblockforab

10、eamstrengthenedwithNSMFRPMIJl=口Bx1(hfa,1)一,vA(hfho)(2a)若o1>1.25,即1>,为第2类T形截面,则MI=alf,.bx1(hf一a,1)+口1(Bb)(hfl等)一,vA(hfh0)(2b)2.2界限破坏钢筋屈服后.混凝土压碎和FRP拉断同时发生当发生界限破坏时,图2中.=0.8xo;>,口=fy;Ef=Ef,口f=flu.记相应的为on,为n,Mu为uI1.根据平截面假定和无滑移假定,有52铁道科学与工程20o5年8月=_hXOIIf(3)同理,2种T形截面发生界限破坏时的极限弯矩可用式(2)表示,只需将l,1分别变

11、为,Mun即可.2.3破坏形态钢筋屈服前混凝土压碎.FRP未拉断在该破坏极限状态下,图2中=0.8xo;s<v,s=Ess;f=fu,盯fEff.记相应的0为0.,为0,M为.根据平截面假定和无滑移假定,有:(4)scu4(5)cu由轴力平衡条件,得第1类T形截面:Bx=A+fAf(6a)第2类T形截面:(Bb)h+=OsA+fAf(6b)考虑式(4),(5),将钢筋和FRP的应力一应变关系代人式(6),可解出:(7)一2口l其中,当h时:l=B;bl=.(EfAf+EA);cl=一0.8(hfEfAf+EA0).当>h时:l=b;b1=(Bb)h+(EfAf+EA);Cl=一0.

12、8.(hfEfAf+EA0).进而可求得Oso对FRP作用点取矩,建立力矩平衡方程,可求出破坏形态a相应的极限弯矩为M=al日(hf一)一(hfho)()(8a)M=口l(hf一)+口l(Bb)(hf一等)一As(hfho)(Xa>)(8b)2.4破坏形态钢筋屈服后混凝土压碎.FRP未拉断在该破坏极限状态下,图2中.=.,=0.8x0;>v,:;f<fu,f=Eff.记相应的0为0b,为b,M为b.根据平截面假定和无滑移假定,有.(9)cu考虑式(9),将FRP的应力一应变关系代人轴力平衡关系式(6),(7),并将式中相应的,变为,v,b,即可得到b的表达式,形同式(7),其

13、中当bh时:l=b,bl=cuEfAff,a,Cl:一0.8.hfEfAf;当b>h时:l=b,bl=(Bb)h+.EfAf一A,cl=一0.8.hfEfAf;同理,可求出破坏形态b相应的极限弯矩为:Mh=口lBxb(hf一)一A(hfho)(b)(10a):aL/=bxb(f一)+.(一6)(f一等)LA(hfho)(b>)(1(1b)2.5破坏形态钢筋屈服后FRP拉断.混凝土未压碎在该破坏极限状态下,图2中<>Y:ffuo根据平截面假定和无滑移假定,有:_fu(11)c二_fuL由平衡条件,得C=f,a+Af(12)M.=/.fuAf(hfY.)+A(h0一Y.)(

14、13)对于第1类T形截面:rXc=I.盯()Bdy(14a)(e)Bydyycc一_对于第2类T形截面:(15a)c=I()BdyI,()(Bb)dy(14b)0thfYc=crrj0O-()Bydyj一()(日一b)ydyL一(15b)其中,c为截面受压区混凝土合力,Y为合力作用点至受压区边缘的距离.由于规范中混凝土的应力一应变关系分两段用不同的函数式表达,故需根据受压区边缘应变的大小,分e<e0和0.<eu2种情况,按照式(14),(15)通过积分得到c和Y的计算公式,代人式(13)可求出破坏形态C相应的极限弯矩.3分析结果与试验结果的比较为了验证上述计算方法,完成了5根内嵌F

15、lIP第4期周朝阳,等:T形截面钢筋混凝土梁内嵌FRP加固后抗弯承载力计算53加固混凝土梁的试验l】引,并参考文献68,从有限的试验资料中剔除发生粘结破坏的试件,共得1O根内嵌FRP加固矩形或T形截面梁的弯曲破坏试验数据.采用本文公式对这些试件进行受弯承载力计算,结果见表1.可见,计算所得承载力及破坏形态均与试验结果吻合较好,其中试验梁极限荷载计算值与实测值之比的平均值为0.977.表1加固试验梁极限荷载计算值与实测值比较Table1ComparisonofpredictedultimateloadswithmeasHredonesforspecimens4结论与建议1)内嵌FRP加固钢筋混凝

16、土梁的破坏形态可分为弯曲破坏,粘结破坏和剪切破坏三大类,其中弯曲破坏形态又可细分为3种.2)对内嵌FRP加固T形截面梁的3种弯曲破坏形式(钢筋屈服前混凝土压碎,钢筋屈服后混凝土压碎和钢筋屈服后FRP拉断)和2种界限破坏情形(钢筋屈服时混凝土压碎和FRP拉断时混凝土压碎)进行了极限状态分析.基于平截面假定和规程推荐的材料应力一应变关系,提出了上述各种弯曲破坏极限状态相应的承载力计算公式和界限条件.3)计算值与试验值的比较表明,本文公式用于计算内嵌FRP加固钢筋混凝土梁的受弯承载力和预测破坏形态是合理可行的.4)内嵌FRP加固钢筋混凝土梁仍有可能发生粘结破坏,今后应重点对此开展研究.参考文献:1岳

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18、ningconcretestructures-nearsurfacemountedFRPreinforcementJj.IndustrialConstruction,2004,34(4):5一l0.3JRizkallaS,HassanT.Effectivenessof丌forstrengtheningconcretebridgesJ.JournalofStructuralEngineeringInternational,2002,3:8995.【4JRizkallaS,HassanT.FlexuralstrengtheningofprestressedbridgeslabswithFRPsys

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