第35卷第3期2002午6月
土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
No3
2()0:
玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗弯性能研究欧阳煜黄奕辉钱在兹顾祥林(同济大学,上海大学){华侨大学)(浙江大学)(同济大学)
摘要通过5根玻璃纤维(GFRP)片材加固混凝土粱和一个对比粱的抗弯性能试验研究,分析了GFRP加固梁的抗弯性能和锚固机理。试验结果表明,桔贴GFRP片材可以有效地提高粱的抗弯章载力,片材锚固区由于应力集中可能发生锚固粘结破坏,锚固区采用u彤箍可以有效地防止锚圃破坏。根据试验分析,提出了粱抗弯承载力计算方法,弹性阶段锚固区片材拉力计算公式和最大锚固剪应力、最大剥离正应力计算公式.计算结果和试验数据吻台较好。
关量词钢筋混凝土粱玻璃纤维片材加固抗震承载力锚固剪应力剥离正应力
中髓分类号:TU375.1文献标识码:A
文章鳙号:1000-131X(2002)03-0001-06
1前言
纤维增强塑料(FiberReinforcedPlastic,简称FRP)加固混凝土结构,即在构件强度不足的部位采用粘贴FRP片材的方式进行加固,这是一种新型的混凝土结构加固方法。对于抗弯加固,FRP片材一般粘贴在粱受拉区,其作用类似受拉钢筋。破坏模式有两种:正截面强度破坏和锚固牯结破坏。正截面破坏模式是由于FRP片材破坏或混凝土压坏等强度破坏BI起的;锚固粘结破坏模式是在FRP片材锚固端处因形状变化而产生应力集中,即产生较大的剪应力(锚固剪应力)和正应力(剥离正应力),在两种应力的组合作用下引起保护层混凝土开裂,进而引起梁抗弯或抗剪破坏。由于锚固端粘结破坏具有明显的脆性,已引起研究人员的重视”121.但其理论研究尚不充分。
本文通过五根玻璃纤维(GFRP)片材加固混凝土粱和一根对比粱的试验研究,分析了梁抗弯性能和片材锚固机理,并提出粱截面抗弯承载力计算方法,弹性阶段锚固端片材拉力、最大锚固剪应力和最大剥离正应力计算公式,以及GFRP片材锚固牯结破坏机理。
2试验概况
2.1试验设计和材料特性
图l为试件配筋图,图2为试件加固方式及测点
收藕日期:2册L0-“
福建省科委重点工业基金资助项目(98--Z--35
福建省建委基金资助项目(2K--99--10)布置图。表1为试件加固参数表。
衰1试件加固’数裹
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图1试件模型圈
混凝土立方体强度,c。:18MPa、轴心抗压强度fok=15.6MPa、抗拉强度,m=1.1MPa和弹性模量E。=24000MPa。钢筋和GFRP片材的力学性能见表2。
衰2材料力学性偿
万方数据
土术T程学报
2.2试验■测内容及加载制度
斌验量测的土要内容有:跨中截面混凝L应变和GFRP片材的拉应变、支座及跨中的竖向位移,GFRP片材锚圃端100ram内的挣应变和锚固端u形箍拉应变,测点布置见图2,
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图2试件加嗣形式、测甑布置周
试验采用压力传感器控制千斤顶分级加载,采用电阻应变片量测应变,采用百分表量测位移。
2.3试验结果和分析
从图3、4中可见,GFRP片材加固梁可以提高截面刚度,减少截面曲率和梁跨中位移。
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应变
图5ML02H材茼载应变图
曲率(tad)
围4试件跨中弯矩一曲率图
从图5—7中可见,在整个加载过程中,GFRP片端锚固区内的片材荷载-应变曲线均显…S’形。在初始阶段,片材各点拉应变随荷载线性增长,这说明片材和混凝土梁粘结较好。当荷载达到一定值时.1点拉应变开始下降,锚固剪应力不再增大,逐渐出现软化现象。可以推断此时粱底面混凝土开始出现微裂缝。本文定义此时的荷载为:“锚固弹性荷载”。随着荷载增加,1点锚固剪应力开始软化下降,锚固区内应力峰值(即最大锚固剪应力、最大剥离正应力)的发生点逐步内移,从片材端部由外向里2、3、4点应
应变
图7ML0a片材荷载应变图
变依然逐步增长,并相继进入软化状态.各点拉应变也相应下降。可以推断此时GFRP片材在端部‘定长度内的锚固作用已逐步丧失.有效锚固区从端部开始逐步内移,这相当于片材的锚固长度减小,因此最大锚固剪应力和最大剥离正应力的数值也随之增大二当荷载增加到一定值时,梁底面保护层混凝土在最大锚固剪应力和最大剥离正应力的组台作用下首先开裂,保护层竖向裂缝将片材锚固区分为左右两部分(参见图12(a))。由于裂缝的开展使片材端部原已失去锚固作用的GFRP片材重新承受拉力,因此片材端部1点拉应变开始迅速增夫。本文定义此时的荷载为“锚固剥离荷载”:随着荷载增加,保护层裂缝延伸到粱底钢筋后,又形成斜裂缝向集中荷载作用点延伸。保护层裂缝到片材端部问的2、3、4点拉应变相继开始迅速增加,原因在于此时裂缝处片材承受的拉力取决于斜裂缝顶端处的弯矩。当加固梁达到破坏时,片材从端部开始产生水平剥离裂缝并斜向上延伸至梁底钢
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万方数据
第35卷第3期欧阳煜等-玻璃纤维片材加固混凝土粱的抗弯性能研究
筋后,又沿钢筋延伸到保护层警向裂缝,导致保护层竖向裂缝外侧的(,FRP片材连同部分保护层混凝土全部剥离梁面(参见幽12(a));而斜裂缝迅速延伸到集中荷载作用点,最大宽度35mill.斜裂缝顶端混凝上立即压碎,形成斜截面剪切破坏,本文定义此时的荷载为“极限荷载”。在试验中发现,ML02、ML03达到锚固剥离荷载时,保护层混凝土先出现蜷向裂
缝.然后形成斜裂缝,最后才出现片端水平剥离裂
缝,因此图5、6中,破坏前片端1、2点的应变出现反弹;而ML04达到锚固剥离荷载后,在保护层混凝土出现竖向裂缝的同时,片端即出现水平剥离裂缝,水平剥离裂缝和斜裂缝共同发展直到破坏,因此图7
中,片端1、2点的应变没有增加而是持续下降。
梁ML05、ML06在片材端部采用U形箍进行加强处理。从图8、9的片材荷载一应变图中可见,在整个加载过程中,片材锚固区内2、3、4点的荷载一应变曲线均显“S”形。在加载初始阶段,由于U形箍还
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应变
圈8MID5片材荷载一应变图
图9ML06片材荷载一应变图
束发生作用,因此1点的拉应变基本为零,2、3、4点应变随荷载增加而线性增长。当荷载增加到锚固弹性荷载,2电开始软化,u形箍开始承担拉力,此时MLOY、ML06的锚固弹性荷载略有增加。当荷载达到锚固剥离荷载,保护层出现竖向裂缝,裂缝到片材端部间的片材应变迅速增加,同时U形箍的拉应变开始迅速增长,说明u形箍开始为片材提供锚固作用。当荷载达到极限荷载时,梁ML05由于GFlRP片材达到极限强度被拉断而破坏;梁ML06由于u形箍连带梁顶混凝:二发生剥离,导致片材失去锚固迅速剥离而破坏。
从试验结果可知.对片材端部采用U形箍处理的ML05、ML06的承载力高于未采用U形箍的ML02、ML03,锚固端采用u形箍进行加强后.破坏形式可
能转化为u形箍剥离破坏。在试验中发现GFRP加固混凝土梁基本满足平截面假定,图10、11为部分试
件截面应变分布图。图12为试件破坏形态图。表3是5根加固梁的有关强度指标。
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}+P=380kN
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图11ML06跨中截面应变图
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a】ML02,M1
03,M1
0a图12试件破坏图
c)ML06
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万方数据
4土木工程学报
表3试验的主要结果
2002隹3GFRP片材加固混凝土梁的截面弯矩一曲率
分析
3.1基本假定
本文做如下基本假定:(a)FRP片材加固梁截面满足平截面假定;(b)截面变形为小变形;(c)不考虑混凝土的抗拉强度;(d)不考虑剪切变形;(e)FRP片材和混凝土梁不发生滑移,即变形协调。
钢筋假定为理想弹塑性材料,其本构关系:
『,.,(£.≥E。=,.y/E.)…
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s2I。。E.(“。.,)
…
其中,口。和E.为钢筋的应力和应变;^,和£。为钢筋屈服时的应力和应变;E。为钢筋弹性模量。
FRP材料假定为线弹性材料,其本构关系为:
口F=EFEF
(£F≤eF。=,F。/EF)(2)其中,d,和£,为FRP片材的应力和应变;A和s。为FRP片材的抗拉强度和极限拉应变;E,为FRP片材的弹性模量。
受压混凝土本构关系采用的《混凝土结构设计规范》GBJl0--89建议的公式”。。
3.2弯矩一曲率关系的计算
假定截面受压区最外边应变和截面曲率,通过平截面假定求得截面应变分布,再根据各自本构关系求得应力,最后由轴力和弯矩平衡方程求出截面弯矩。
圈13为M1/)6试验值和计算值比较。从中可见试验值和计算值吻合较好。误差主要来自于未考虑GFRP片材和混凝土梁问的滑移和钢筋的强化阶段。
通过计算发现,影响加固梁抗弯承载力的最主要因素是梁原有配筋率。图14为粘贴两层GFRP片材时,梁不同配筋率对截面极限弯矩的影响。从图中可见加固梁抗弯承载力随着粱配筋率的提高而降低,原因在于高配筋梁达到极限破坏状态时GFRP片材还未充分发挥效果,而受压区混凝土已压碎破坏了,这类似于混凝土超筋梁的破坏。因此对于高配筋粱不宜采
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曲率(tad)
图13MLD6弯矩一曲率曲线计算值和
试验数据的比较图
用粘贴FRP片材加固法。
图14配筋率一截面极限弯矩曲线
4GFRP片材锚固端粘结破坏
4.1GFRP片材锚固端的片材拉力
受集中力作用的简支梁,文献[4]给出的基于弹性理论的片材左边锚固端剪应力计算公式:
r(x)=号{【蛳“h(i11.)一万面RL瓦刘
cosb(肛)一Mosinh(触)+鲁}(3)式中,z坐标的原点在GFRP片材左端.方向沿片材长度方向;R.为梁的左支座反力;M。为片材左端处梁的弯矩;L.为集中力到片材左端的距离;系数a、口分别为:
万方数据
第35卷第3期政阳煜等-玻璃纤维片材加固混凝上紧的抗弯性能研宄
G。Lh+r.)
一1一了
肛等[丽b+丽b+byn(Yn+f.)
E:l?
其中:梁截面尺寸6xh,彤心轴鬲厦Yo,G。、£.为粘胶层剪切模量和厚度。E。和E。、,。和,。、一。和A。分别为混凝土梁和GFRP片材的弹性模量、截面惯性矩和面积。
将上式沿z轴积分可得任意位置处GFRP片材单
位宽度上的拉力:
ⅣP(儿酽[[M脚(剐一高]
sinh(px)一Mo[cosh(皿)一1]+RLx}(4)由于在实际工程中肚.≥4,可近似认为tanh(皿。)一1;而cosh(肛.)比其他项大得多,因此可将式(3)、(4)简化为:
m)=号(脲4+万RL)(5)Np(x)=告[(1一e4)M。+Rrx)](6)将GFRP片材单位宽度上的拉力N。(x)除以弹性模量和片材厚度即得到片材的拉应变。
图15为GFRP片材锚固端各点拉应变计算值和试验值的比较。由于计算公式是弹性公式,因此从图中可见当荷载小于锚固弹性荷载时(对ML02是15.OkN,对ML04是10.0kN),计算值和试验数据吻合较好;当荷载大于锚固弹性荷载时,由于锚固端锚固剪应力进入软化状态,因此计算值误差较大。
4.2最大锚固剪应力和最大剥离正应力
GFRP片材锚固端最大锚固剪应力r~发生在片材端部,即将z=0代人式(5)可得:
r~:号(帆+百ai)(7)
文献[5]给出了GFRP片材端部最大剥离正应力一。。计算公式:
‰:D,一≠皂(8)式中
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图15GFRP片材锚固端应变计算值和
试验数据的比较
GFRP片端混凝土在r一、d~作用下,最大主拉应力口.为:
d.={d。。+4 ̄/d:。+4己。(9)当口,达到混凝土抗拉强度时,说明GFRP片端混凝土开始出现微裂缝,此时荷载即为锚固弹性荷载。表4为采用公式(7)、(8)、(9)计算的锚固弹性荷载和试验值的比较。由于ML05、MI/)6在锚固区采用U形箍.与公式的计算模型不符因此未进行比较。从表4中可见,计算值和试验值基本吻合。由二=最大锚固剪应力和最大剥离正应力对粘胶层厚度极为敏感…1,汁算采用的粘胶层厚度是量测的平均厚度,因此产生一定的误差。
裹4锚周弹性荷戢的计算值与试验值的比较
注:△=I(计算值一试验值)i,试验值奉文公式误差:
d~:片端最大剥离正应力l_算值;
r一:片端最太锚固剪应力计算值;
a-:H端混凝L主拉血力
从表中町见,如果分别采用r一、a。。验算片端混凝土是否出现裂缝是不合适的,应用主拉应力进秆
万方数据
土术工程学撤
验算,
43锚固端粘结破坏模型
本文认为粘贴GFRP片材加固混凝土梁发牛锚崮端粘结破坏,丰要可分为i个阶段:
1)在加载初始阶段,GFRP片材和混凝上梁粘结性能良好,处于弹性工作状态,可用本文公式计算锚固端片材拉力、最大锚固剪应力和最大剥离正应力。
2)当荷载超过锚同弹性荷载后,锚固区内锚固剪应力进入软化状态,片材最外端的锚固剪应力和片材拉力开始下降.最大锚固剪应力和最大剥离正应力的发生点由GFRP片材端部向内移动,且随着荷载增加而增大。此时GFItP片材并不会立即剥离发生锚固粘结破坏,梁还能继续承受增加的荷载。
3)当荷载达到锚固剥离荷载时,即应力峰值产生点内移到菜一位置.最大锚固剪应力和最大剥离正直力共同作用已足以使保护层混凝土开裂,裂缝随着荷载增加而形成斜裂缝向集中荷载加载点处延伸,导致片端拉力、锚固剪应力和剥离正应力急剧增大。
4)当荷载增加到极限荷载时,GFRP片材由端部开始向内逐步剥离混凝土梁面,同时斜裂缝迅速延伸,粱发生斜截面剪切破坏。
要准确计算锚固端粘结破坏时的极限荷载,必须考虑锚固剪应力的软化状态,仅用弹性计算公式进行GFRP片材端部最大锚固剪应力和最大剥离正应力验算是不合适的。这也是本文将进一步研究的工作。
5结论
通过对牯贴GFRP片材抗弯加固混凝土梁的试验及理论分析.可以得到以下几点结论:
1)采用粘贴GFRP片材加固混凝土梁时,粱满足平截面假定,可以采用《混凝土结构设计规范》的方法进行正截面强度川算,确定极限承载力。
2)对丁低配筋粱可以大幅提高抗弯极限承载力,加固效果显著;但对j高配粱,由于截面受压区混凝土压碎破坏时(;FRP片材不能得到觅分利用.加固效果不好。建议在加固设计时.根据粱原有配筋率验算受压区高度,如果受压区高度接近或大于界限受压区高度,则说明原梁属于高配筋粱,不官采用牯贴GFRP片材加固法。
3)奉文公式可用于计算弹性状态时锚同区内的GFRP片材拉力、最大锚固剪应/J和最大剥离正应力.并计算片材端部锚固剪应力软化的锚固弹性荷载。
4)对于锚固粘结破坏的锚固剥离荷载和极跟荷载,采用弹性公式计算是不合适的,应考虑锚固区内锚固剪应力的软化状态和有效锚崮区内移。
5)在GFRP片材锚固端采用0形箍,是避免锚固牯结破坏的一种有效方式。但应注意U形箍同样可能发生锚固破坏,
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T胍ANALYSIS0FFLEⅪ瓜ALBEHAⅥoRoFREINFoRCEDCONCRETEBEAMS
STRENGTHENEDW删GLASSFmER
RE哪oRCEDPLASTICSHEET
Ouyang地HuangYihui
(TongjiUniversity,ShanghalUniversity)(HuaqiaoUniversity)
Qianzo试白Xianglin
(TongjiUniversity)(ZhejiangUniversity)
Abstract
Theflexuralbehaviorofreinforcedconcretebeamsisstudied,itisstrengthenedwithglassfiberreinforcedplasticsheelTheteslisconductedwithfivepiecesofstrengthenedbeamandonepieceofnormalbeam.ThetestresultsshowthatthebearingcapacityisquiteincreasedduetotheexistenceofGFRPsheet.Thelocalbondedfailurema,becausedbythestress
(下特第19百) 万方数据
第拍卷第3期赵蟛等t碱纤维币用于政善斜向受力高强混凝{#抗震性能的研究
4结语
1试验结果表明,使用碳纤维布沿横向局部包裹高强混凝十柱来提高其延性的加固与法是非常有效的,未经加固的高强混凝』:柱表现出明显的脆性;粘贴碳纤维布后.高强混凝土的脆性改善丁,试验住的延性显著提高。
2,电算分析表明,在斜向受力情况下,横向缠裹碳纤维布的加固方法对改善高强混凝土柱的延性也是非常有效的,其加固效果比沿主轴受力时略好,而且表现出以下规律:加固柱延性的提高程度是随着碳纤维布用量的增长而增大的。碳纤维布存在着使用效率问题,当碳纤维布粘贴层数较少时.它的使用效率较高,加固往的延性提高幅度大;当碳纤维布粘贴层数较多时,加固柱的延性提高幅度较小。构件轴压比较低时加固效果较好。参考文献
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WⅡHCFSSUBJECTEDTOAXIALCOMPRESSIONANDBIAXIALBENDING
Z^∞Tong“uMingguoXie』函H
(Ti蛐jinUniversity)
Abstract
Anexperimentalstudyofeishtpiecesofhish—-strengthconcretecolumnsundercyclicloadingisconducted.Atsame
time,acomputerprogramforthehigh—strengthconcretecolumnstrengthenedwithcarbonfibersheet(CFS)isdeveloped.Theductilityofhish—strengthconcretecolumnisfocusstudied.Thetestresultsarecomparedwiththatofthetheoretical
ones;itisingoodagreementManyfactorssuchasthenumberofCFSlayers,ratioofaxialcompressionstres8tostrength,
andloadinga.gleareanalyzed.Itisshownthattheductilityisimprovedremarkably.
Keywords:hish—strengthconcrete,carbonfibersheet,ductility
赵彤博士.教授,主要从事结构工程研究。通讯地址:300072天津大学土木工程系
刘明国硕士研究生。
谢剑讲师,主要从事结构工程研究。
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/上接第6页)
concentrationattheendofGFRPsheet.Based0171theexperiment,acalculationmethodforthebearingcapacityisP”po刊inthepaper.Itisshownthatthecalculatedresultsareingoodagreementwiththetestone.
Keywords:reinforcedconcretebeam,GFRPsheet.strengthen,bearingcapacity.bondingshearstress,peelingnor-Illalstress
欧阳煜
黄奕辉钱在兹顾祥林博f后,主要研究领域:纤维复合树料加固混凝土结构,结构抗震,银结构、发表论文20余篇。通讯地址200092上海市同济大学建工系
副教授,丰要研究领域:混凝』:结构基本理论,结构检测加固,施工管理。
教授,博士生导师,主爰研究领域:混凝土结构基本理论。
教授,博上生导师,主要研究领域:混凝土结构基本理论,结构抗震,纤维复合材料在土木工程中的应用。
万方数据