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玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁力学性能研究近年来随着社会经济的发展，公路的交通负荷越来越重，现有桥梁频繁出现病害和损伤，承载力降低，使用性能下降。
我国目前的桥梁工程建设已经从过去的大面积新建工程转为新建与已建桥梁补强加固相结合的阶段。
据资料显示，加固工程相对新建工程而言，可节约大概40%左右的投资成本，缩短约50%时间成本，具有明显的经济优势。
既有结构的承载力减弱，主要体现在抗弯和抗剪两个方面，且大部分的损伤体现在挠度、裂缝和表面破损等指标。
近年来新兴的玄武岩纤维布不仅抗拉强度与弹性模量较高，而且其粘结性、耐热性和抗腐蚀性等物理性能优越，在土木结构和构件中得到广泛使用，尤其在钢筋混凝土结构加固补强方面的应用越来越受到青睐。
本文在玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的试验基础上，研究梁的抗弯、抗剪性能及挠度裂缝计算方法，以期为玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的设计、施工提供理论依据。
论文中先对玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁抗弯性能开展研究，通过外贴玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的试验，研究不同配筋率、加固量、初始荷载及加载历史情况下梁的屈服荷载、破坏荷载及钢筋、混凝土和玄武岩纤维布的应力应变变化规律，研究给出不同破坏模型下玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯承载力计算公式。
又对玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁的抗剪性能开展研究，研究不同剪跨比、加固量、初始荷载等情况下梁的抗剪承载力变化规律。
修正了玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁的抗剪承载力计算公式。
同时文中还对玄武岩纤维布加固梁的挠度和裂缝计算开展研究。
分析玄武岩纤维布加固损伤钢筋混凝土梁的挠度及裂缝变化规律，修正了玄武岩纤维布加固梁的挠度和裂缝间距及裂缝宽度计算方法。
结合工程实际，通过对哈伊公路桥梁采用玄武岩纤维布加固研究，验证了本文提出的玄武岩纤维布加固损伤混凝土梁抗弯、抗剪承载力计算公式的有效性，可为实际加固工程提供参考。
引言碱骨料反应、钢筋锈蚀及冻融破坏是混凝土耐久性的三种最主要破坏形式，尤其在使用除冰盐时更加严重[1]。
我国的西北、华北、东北地区属于寒冷区域，存在正负温交替作用，这些地区的混凝土结构如果暴露在有水环境中难以避免要遭受冻融循环作用，由此容易造成混凝土冻融损伤。
钢筋混凝土结构的冻融问题严重影响结构的使用与寿命，应当引起重视。
同时，我国的华北地震区、青藏高原地震区、四川龙门山地震带是近年来地震活动最为频繁的地区。
由此可知，冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，势必造成既有混凝土结构抗震性能退化。
随着技术的发展，纤维增强复合材料（FRP）在结构抗震加固中得到越来越多的应用。
FRP最早于1981年，瑞典联邦实验室使用碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）加固桥梁结构。
FRP在建筑领域被广泛的研究与应用，其加固结构工程的效果好，施工效率高，尤其适用对腐蚀有极高要求的建筑物。
BFRP具有较高的耐热性能、弹性模量、耐腐蚀，其抗拉强度较高，比CFRP具有较高的延伸率，且价格低廉，是生态环保的绿色材料，逐渐在建筑应用领域扩展开来。
延长混凝土结构的使用寿命，解决冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，继而造成混凝土结构抗震性能退化的问题，开展BFRP加固冻融环境下混凝土结构抗震性能研究，可以进一步加强钢筋混凝土结构抗震性能，加固混凝土结构的耐久性，对混凝土结构工程防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
1、有限元模型建立1.1 构件模型参数确定共设计16个钢筋混凝土柱，柱高1100mm，截面尺寸为200mm×200mm，水平加载高度为1000mm，剪跨比 =1000/200=5，基座的尺寸为900mm×500mm×400mm；柱为对称配筋，纵筋采用HRB335钢筋，每侧配筋为3Φ14mm，配筋率为2.308%；箍筋采用直径为6mm的HPB235钢筋，间距为80mm，钢筋的力学性能指标见表1，纵向受力钢筋的保护层厚度为20mm。
钢筋混凝土梁的抗剪性能试验研究一、研究背景钢筋混凝土结构是现代建筑中广泛采用的一种结构形式。
在钢筋混凝土结构中，梁扮演着承载荷载的重要角色。
梁在荷载作用下受力，其中抗剪性能是影响梁承载力的主要因素之一。
因此，研究钢筋混凝土梁的抗剪性能对于保证建筑结构的安全性具有重要意义。
二、研究目的本研究的目的是通过试验研究，探究不同参数对钢筋混凝土梁抗剪性能的影响，为钢筋混凝土结构设计提供理论依据。
三、研究方法本研究采用试验研究的方法，通过制作不同参数的钢筋混凝土梁，对其抗剪性能进行测试，并分析其受力特点和破坏模式。
四、试验设计1.试验样品制作本次试验制作的钢筋混凝土梁为T型梁，其截面尺寸为200mm×300mm，长度为1000mm。
在制作过程中，使用混凝土强度等级为C30、钢筋品种为HRB400的材料。
2.试验参数设置本次试验设置了以下参数：（1）纵向钢筋直径：10mm、12mm、14mm（2）箍筋间距：100mm、150mm、200mm（3）箍筋直径：6mm、8mm、10mm设置以上参数的目的是探究不同参数对钢筋混凝土梁抗剪性能的影响。
3.试验方法本次试验采用四点弯曲试验法，按照GB/T50081-2002《混凝土结构设计规范》的要求进行。
试验过程中记录梁的位移、载荷等数据，以便后续分析。
五、试验结果分析1.梁的受力特点试验结果显示，随着纵向钢筋直径的增加，梁的承载力逐渐增加；随着箍筋间距的增加，梁的承载力逐渐降低；随着箍筋直径的增加，梁的承载力逐渐增加。
2.梁的破坏模式试验结果显示，在大多数样品中，梁的破坏模式为剪切破坏。
在一些样品中，还出现了箍筋断裂和钢筋拉断等破坏形式。
六、结论本次试验研究了不同参数对钢筋混凝土梁抗剪性能的影响，并得出以下结论：（1）随着纵向钢筋直径的增加，梁的承载力逐渐增加；（2）随着箍筋间距的增加，梁的承载力逐渐降低；（3）随着箍筋直径的增加，梁的承载力逐渐增加；（4）大多数样品中，梁的破坏模式为剪切破坏，还出现了箍筋断裂和钢筋拉断等破坏形式。
玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯极限承载力试验研究程海根;商敬淼;鲁丁坤
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2016(032)001
【摘要】为研究玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯极限承载力,试验设计浇筑4片钢筋混凝土T形梁,为了对比试验,对其中2片梁进行单调静力加载至梁体开裂,对4片梁进行玄武岩纤维布加固.通过试验研究对比分析了预加固梁和加固已有损伤梁在开裂荷载、极限荷载、挠度、钢筋、混凝土及纤维布应变、裂缝开展情况等结果,并进行了理论分析和有限元模拟.结果表明加固后梁体受弯极限承载力得到明显提高,加固前进行转角处的圆角处理使纤维布工作效果得到改善,减少了应力集中现象.
【总页数】8页(P139-146)
【作者】程海根;商敬淼;鲁丁坤
【作者单位】华东交通大学桥梁工程系,南昌330013;华东交通大学桥梁工程系,南昌330013;华东交通大学桥梁工程系,南昌330013
【正文语种】中文
【相关文献】
1.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪正交试验研究 [J], 周安;朱宁;苏小龙;沈凯凯
2.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪性能试验研究 [J], 付素娟;戴占彪;赵士永
3.碳纤维加固钢筋混凝土梁受弯极限承载力仿真分析在有限元软件中的实现 [J],
唐小林;王波;邝新宇
4.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究 [J], 张晓伟
5.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受弯受剪承载力计算分析 [J], 欧阳煜;王鹏;张云超
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玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪试验研究欧阳煜1张云超1李 翔2(1 上海大学土木工程系,上海 200072;2 同济大学建筑工程系,上海 200092)摘 要:通过对5根玄武岩纤维加固混凝土梁的试验,研究了玄武岩纤维布对梁的抗剪承载力的影响和作用。
主要考虑的参数有:玄武岩纤维布的宽度和间距、玄武岩纤维布的粘贴层数等因素。
试验结果表明,玄武岩纤维布能够明显提高钢筋混凝土的抗剪承载力,并且能改善构件的变形能力。
提出了适合工程应用的承载力计算设计公式。
关键词:玄武岩纤维布;钢筋混凝土梁;加固;受剪承载力THE RESEARCH ON SHEAR C APACITY OF RC BEAMS STRENGTHENED WITH BFR P SHEETSOuyang Yu 1 Zhang Yunchao 1 Li Xiang 2(1 Department of Civil Engineering ,Shanghai University,Shanghai 200072,China;2 Department of Building Engineering,,Tongji University ,Shanghai 200092,China)Abstract :Five simply supported beams strengthened by basalt fiber reinforced polymer(B FRP)are tested.The experi mental factors are width and spacing of BFRP strips,layers of BFRP.The experimental results indicate that B FRP can evidently increase the shear strength and improve the ductility of these specimens.A design formula is proposed.Keywords :BFRP sheets;RC beams;strengthening;shear strength第一作者:欧阳煜,男,1968年10月出生,副教授,博士后。
E-mail:oyy@收稿日期:2008-03-19目前,我国存在大量的混凝土梁因强度等级不足和配箍筋不足等原因需要进行抗剪加固。
纤维增强复合材料(FRP)由于其高强、质轻、施工方便等特点而在钢筋混凝土结构的维修加固中得到了愈来愈广泛的应用。
玄武岩纤维(Basal t Fiber,简称BF)是以火山爆发形成的一种玻璃态的纯天然玄武岩矿石为原料,经高温熔融后,通过喷丝板拉伸成的连续纤维。
目前玄武岩纤维增强复合材料(简称BFRP)尚属于一种新的增强材料,其极限强度不及CFRP,但是在抗腐蚀、抗热、延性等方面要高于CFRP,有望在土木加固行业中取得良好的经济和社会效益。
本文通过对5根BFRP 抗剪加固无腹筋梁和1根对比梁进行的抗剪性能试验,对BFRP 用于钢筋混凝土梁抗剪加固后的破坏特征和受剪承载力等进行研究和分析,提出加固后梁的受剪承载力计算公式。
1 试验概况1 1 材 料试件混凝土为C30,主筋为HRB335,直径为20mm,为了更好地反映BFRP 的加固效果,未配置箍筋。
B FRP 以及钢筋混凝土另行进行了材性试验,结果见表1。
胶粘剂使用经检验合格的配套碳纤维布底胶和面胶。
1 2 试验梁设计本试验共制6根钢筋混凝土简支梁,设计截面为矩形截面,b h =150mm 300mm,跨度L =2600m m,净跨L 0=2400mm 。
截面计算高度为h 0=300-35=265mm 。
试验构件的尺寸及配筋情况如图1所示。
表1 材料性能Table 1 Material performance材料弹性模量 GPa 立方体抗压强度 MPa 轴心抗压强度 MPa 极限应变 10-6抗拉强度 MPa混凝土37 5138 5944 772119钢筋202 12351 10BFRP 布127 1017115217530图1 混凝土梁设计尺寸Fig.1 Design dimensions of concrete beam试验时用手动千斤顶在四分点处进行加载,在开裂前和接近破坏时以每级3k N 进行加载,其他情况以每级5kN 进行加载。
试验时测量B FRP 的拉应变,并随时观察裂缝的开展情况。
试验加载图见图2。
1 3 加固粘贴方式为了解不同粘贴方式对加固的影响,5根加固梁采用了134 Industrial Construction Vol 39,No 1,2009工业建筑 2009年第39卷第1期图2 加载装置Fig.2 Loading device不同的加固方式,见表2和图3。
a LJ-2加固方式;b LJ-3、LJ-5加固方式;c LJ-4加固方式;d LJ-6加固方式图3 梁受剪加固粘贴形式Fig.3 Shearing rei nforced beams bonding methods2 试验结果和分析试验梁的试验结果见表3。
2 1 片材加固率综合考虑FRP 材料的厚度,粘贴层数以及条带宽度等因素,提出了片材加固率的概念,在相同片材加固率的前提下,进行比较。
定义片材加固率为:f =(2t f bs f ) 100%(1)式中:t f 为BFRP 片材厚度;b f 为条带宽度;b 为混凝土梁截面宽度;s f 为条带中心距。
表2 试件基本参数及加固方式Table 2Basic parameters of specimens andstrengthing methods编号 层数条带宽度中心距方式压条角度LJ-12 11LJ-22 17250150U 形无90LJ-32 18250150U 形一层90LJ-42 162100175U 形一层90LJ-52 13350150U 形一层90LJ-62 10250150I 形一层45注: 为实测剪跨比。
表3 试验结果Table 3 Test results编号 f P cr P u 提高程度 %FR P 最大应变破坏形式LJ-175216 56S LJ-20 10100251 9316 337150D LJ-30 10105250 9315 876082D LJ-40 17120294 4535 975326D LJ-50 15100274 3426 686578D LJ-60 10155223 063 004611D注: f 为片材加固率;P cr 为开裂时第一条剪切裂缝出现的荷载;P u 为极限荷载;S 为剪压破坏;D 为纤维布剥离破坏。
2 2 破坏形态对比梁破坏形态为剪压破坏。
在剪弯区边缘先出现一些垂直裂缝,它们沿竖向延伸一小段长度后,便斜向延伸形成一些斜裂缝,而后又产生一条贯穿的较宽的主要斜裂缝,并且迅速延伸,最后导致剪压区混凝土破坏,使斜截面丧失承载能力。
加固梁破坏形式,为碳纤维剥离之后立即发生剪压破坏。
其中纤维布的剥离,分为压条被拉断剥离,和压条未被拉断与箍条一起剥离,见图4。
a 对比梁剪压破坏;b LJ-3压条断裂剥离破坏;c LJ-5压条和箍条剥离破坏图4 破坏形态Fi g.4 Failure mode2 3 抗剪承载力从表3可以看出,粘贴BFRP 布以后,试验梁的抗剪承载力得到了显著的提高,这说明BFRP 布在混凝土斜裂缝出现后,有效抑制了斜裂缝的开展,第一条剪切裂缝出现时的开裂荷载得到显著的提高,起到了抗剪加固的作用。
试验结果显示了如下规律:1)BFRP 对梁承载能力提高的幅度,与片材加固率有关。
条带越宽,间距越小,片材加固率越大,承载能力提高的幅度越大。
2)压条的影响;对于U 形加固,梁破坏时,靠近支座的斜裂缝在梁底部,该处的纤维布条有较大的锚固长度,故此处的纤维易发生拉断破坏,而靠近加载点的纤维布在梁顶部135玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪试验研究 欧阳煜,等通过,该处的锚固长度小,容易发生粘结破坏,所以对顶部的纤维布进行端部锚固措施显得非常重要。
工程中常见的锚固是织物压条。
因为最终的破坏形式一般是剥离破坏,所以能够限制剥离破坏的压条对抗剪承载力的提高是有作用的,但是试验数据显示效果并不明显,分析原因为:无腹筋梁脆性比较大,压条提高的幅度有限,混凝土离散性又比较大,导致LJ-2和LJ-3结果接近。
3)纤维布的粘贴层数。
从试验结果可以看出,纤维布粘贴层数越多,则加固梁抗剪承载力提高的也越多,但是这个提高并非是一个线形的提高。
这主要是因为:当粘贴的纤维布层数较少时,所需的锚固长度较短,梁侧面的一些纤维布能被拉断,强度得到充分的发挥,极限状态时有效应变较大;而随着层数的增加,所需的锚固长度也相应较大,然而加固时所能提供的锚固长度又有限,故破坏时,纤维布大多发生粘结破坏,其强度没有得到充分发挥。
2 4 荷载-跨中位移曲线各梁的荷载-跨中位移曲线见图5。
图5 荷载-跨中位移曲线Fig.5 The loadi ng -mids pan displacement curve从图5可以看出,BFRP 加固能有效地提高梁的整体刚度和变形能力,而提高的幅度和承载力提高幅度成正比,即可以认为,影响抗剪承载力的因素也同样影响跨中位移的大小。
2 5 玄武岩纤维应变试验梁LJ-3测点布置如图6,梁LJ-3上各测点应变发展情况见图7。
LJ-2、LJ-3、LJ-5梁相同位置测点应力对比图见图8。
从图中可以看出,当荷载很小的时候,BFRP 布的应变很小并且呈线性变化,随着荷载的增加,B FRP 片曲线斜率开始发生变化。
最先发生应变突增的是位于加载点到支座连线约45 上的点,即2号、7号应变片。
而把加固形式类似仅仅是层数不同,与有无压条的3根试验梁LJ-2、LJ-3、LJ-5作对比可以看出,没有压条的LJ-2最先发生应力变大,由此可以看出,压条在限制裂缝的发展,提高BFRP 布的粘结能力上有很大的作用。
粘贴3层的LJ-5最晚出现应变曲线斜率变化,说明层数对限制裂缝,提高承载力有很大的帮助,但是也可以看出,粘贴层数增加所带来的承载力提高并非是一个线性关系,必须要考虑多层数下的折减系数。
3 设计公式现有的理论普遍认为,加固后梁的受剪承载力是由混凝图6 LJ-3测点布置Fi g.6 Arrangement of strai n gauges on LJ-3图7 LJ-3各测点荷载-应变曲线Fig.7 LJ-3loading -s train curve图8 LJ-2,LJ-3,LJ-5最大应变对比Fig.8 Comparis on of the larges t strainon LJ-2,LJ-3and LJ-5土、箍筋和纤维复合材料分别承担,即:V u =V c +V s +V f(2)其中,无腹筋梁混凝土抗剪承载力按照式(3)[2]进行计算:V u f c bh 0=0 08 -0 3+100f c(3)式中:f c 为混凝土抗压强度; 为纵筋配筋率; 为剪跨比;b 为钢筋混凝土梁截面宽度;h 0为钢筋混凝土梁有效截面高度。
