RC梁板节点拟静力三向加载试验研究

冻融RC梁抗震性能与数值模拟方法作者：郑山锁杨路姬金铭裴培黄瑜王斌来源：《振动工程学报》2021年第05期摘要：为分析冻融环境下钢筋混凝土（RC）梁在地震荷载作用下的响应，采用人工环境模拟方法对4件RC梁试件进行了快速冻融试验，进而对其进行拟静力加载试验。

结果表明，随着冻融次数的增加，梁试件滞回曲线的捏缩现象越发明显，构件延性和耗能能力下降。

同时，通过理论推导建立了可考虑冻融损伤的粘结滑移模型，采用有限元分析软件OpenSEES中的零长度截面单元，并基于可考虑冻融损伤分布的纤维截面模型，对RC梁试件的地震破坏过程进行了数值模拟。

分析与试验结果对比表明，采用数值建模与分析方法得到的滞回曲线与试验数据基本相符，骨架曲线诸特征值误差较小，且较好地反映了冻融损伤引起RC梁滞回曲线的捏缩效应，从而验证了所提出的模拟方法的准确性。

关键词： RC梁; 抗震性能; 冻融循环; 粘结⁃滑移; 滞回曲线中图分类号： TU352.11; TU375.4 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2021）05-0889-10DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2021.05.002引言中国地域辽阔，其中东北、华北和西北大部分地区属于严寒或寒冷地区，这些地区的钢筋混凝土（RC）易遭受冻融循环作用，导致钢筋混凝土材料性能及粘结性能发生退化，从而造成RC结构的受力性能和抗震性能的劣化[1⁃2]。

严寒地区的冻融循环作用已成为影响RC结构耐久性问题的一个重要因素，引起了国内外学者的广泛关注。

施士升[3]、Hanjari[4]等通过试验分析，揭示了混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量等性能指标随冻融循环次数变化的退化规律。

文献[5]进一步指出混凝土材料耐久性能的逐步退化将会导致RC构件与结构力学性能和抗震性能不断劣化。

在这一背景下，Xu等[6]、郑捷等[7]、郑山锁等[8]通过拟静力加载试验，分别探讨了RC框架柱、框架节点及剪力墙试件在不同冻融次数下的抗震性能退化规律;张艺欣等[9]则考虑混凝土冻融损伤在构件内部分布的不均匀性，提出了冻融RC柱的数值模拟方法，并据此对不同冻融循环次数下RC柱的抗震性能展开了研究。

梯度锚固预应力 NSM CFRP 加固 RC 梁静力及疲劳性能研究作者：龚爽彭晖粟淼张建仁钟卿瑜来源：《湖南大学学报·自然科学版》2022年第01期摘要：针对表层嵌贴预应力 CFRP加固梁因黏结端部应力集中导致混凝土保护层易剥离破坏的问题，提出了在 CFRP 端部设置梯度预应力的构造措施，并通过构件试验系统研究了梯度锚固预应力 CFRP加固梁的静载和疲劳性能.试验结果表明：在静力荷载作用下，梯度锚固预应力 CFRP加固梁极限荷载较普通表层嵌贴预应力 CFRP加固梁最大提高35.06%，破坏模式由端部保护层剥离破坏转变为保护层剥离与 CFRP 断裂复合破坏，梯度锚固预应力 CFRP加固显著提高了 RC 梁的静载性能，且有明显的黏结应力峰值传递现象;疲劳荷载下梯度锚固预应力加固梁的疲劳寿命也较普通嵌贴加固梁显著提高，且疲劳破坏模式由端部保护层剥离转变为纵向受拉钢筋疲劳断裂;梯度锚固预应力构造显著增强了加固梁抵抗剥离破坏发生的能力，提高了加固梁疲劳性能.关键词：表层嵌贴;CFRP;梯度锚固;静力性能;疲劳性能中图分类号：U447 文献标志码：AStudy on Monotonic and Fatigue Behavior of RC Beams Strengthened with Gradually Anchored Prestressed NSM CFRPGONG Shuang1，PENG Hui1，2†，SU Miao1，ZHANG Jianren1，2，ZHONG Qingyu1（1. School of Civil Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114，China;2. Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Department of Education （Changsha Universityof Science & Technology），Changsha 410114，China）Abstract：The existing studies show that reinforced concrete beams strengthened with prestressed near-surface mounted （NSM） CFRP are easy to fail by concrete cover separation due to the stress concentration at the bonded end of CFRP. In this paper， the construction details of applying gradient prestress at the end of CFRP were proposed， and a series of experiments were carried out to study the load-carrying behavior of the strengthened beams under static and fatigue loads. The test results show that under static load， the ultimate load of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was increased up to 35.06%， compared with the beam strengthened with prestressed NSM CFRP. And the failure mode was changed from the concrete cover separation at bonded end into the combined failure of the concrete cover and CFRP fracture. These indicate that the strengthen method with gradually anchored prestressed NSM CFRP can significantly improve the monotonic behavior of beams， and there is an obvious bond stress peak transfer phenomenon. In addition， the fatigue life of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was significantly increased， and the fatigue failure mode is changed from the concrete cover separation to the fatigue fracture of longitudinal steel bars . The details of applying gradient prestress enhances the ability of strengthened beams to resist the failure of end concrete cover， and thus improves the fatigue performance.Key words：near-surface-mounted（NSM ）;CFRP;gradually anchored;static behavior;fatigue behavior纖维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer， FRP ）具备轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳性好等优异性能，已被广泛应用于桥梁和建筑等工程结构的加固及新建工程中，其中碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP ）强度较高，在混凝土结构加固中应用最为广泛[1-2].为提高 FRP 材料强度利用率，Triantafillou 等[3]对 FRP 材料施加预应力，并提出了在保证预应力体系不发生锚固破坏条件下最大预应力水平的分析模型;叶列平等[4]研发了CFRP 布预应力张拉设备，进行了预应力 CFRP 布外贴加固受弯梁的试验研究，证实了对CFRP 布施加预应力能有效提高加固梁的承载力，减小梁的挠度和裂缝宽度.为改善外贴预应力FRP 加固易发生 FRP 剥离的不足并省去 FRP 永久锚具，国内外学者将预应力 FRP 加固技术与表层嵌贴（ Near Surface Mounted，NSM ）技术[5-6]相结合，对 FRP 先施加预应力，再嵌入到被加固结构的混凝土保护层内预先开好的槽中，并填入环氧树脂将 FRP 黏结于混凝土上.嵌贴方式显著扩大了 FRP 与混凝土的黏结面积从而提高了两者之间的黏结能力，从而单靠嵌贴FRP-混凝土之间的黏结能力即可实现对预应力 FRP 的锚固，无需设置较昂贵的 CFRP 专门锚具，降低了加固成本.已有的试验研究表明[7-9]：表层嵌贴预应力 FRP 加固显著提高了受弯构件的承载性能，有效抑制了外贴预应力 FRP 加固中经常出现的近跨中剥离，在技术效果和经济性方面具有独特优势，有望在中小跨度的混凝土结构中得到广泛应用.但另一方面，外贴和表层嵌贴 FRP 加固混凝土梁都容易出现黏结端部混凝土保护层剥离现象，这是因为 FRP 端部位置截面存在刚度突变，荷载作用下会产生较大应力集中.滕锦光等[10-11]提出了适用于 NSM FRP 加固梁保护层剥离破坏的强度模型，并验证了其良好的预测性能;Rezazadeh 等[12]针对端部保护层剥离破坏，假设了预应力 FRP 端部断面形状，并提出用抵抗黏结长度来衡量抵抗剥离破坏的能力.嵌贴 FRP 被施加预应力后端部混凝土保护层剥离破坏现象更易出现[13-14]，并可能导致加固梁过早破坏.预应力由嵌贴 FRP 向混凝土传递时会在其黏结端部出现应力集中，加上荷载在此处引起的黏结应力，嵌贴 FRP 端部截面的混凝土保护层更容易发生剥离.为延缓或避免预应力 CFRP 加固梁发生端部混凝土保护层剥离破坏，Motavalli等[15-16]提出了“梯度预应力”概念，通过分级放张的方式人为增加预应力传递长度，减小传递长度内的应力集中;研制了用于外贴预应力 CFRP 板加固实现梯度预应力的树脂快速固化设备和放张设备，但由于设备较昂贵且使用复杂，该技术并未得到广泛应用.嵌贴 CFRP 的构造及工艺使得在 CFRP-混凝土间二次或多次填充树脂简单方便，运用本课题组研发的碳纤维锚具、温控养护设备和加固流程，并结合已有实桥加固经验，将梯度预应力与表层嵌贴加固技术相结合，有利于发挥两者的各自优势，在实际工程中有一定的可行性和应用前景.因此，本文通过静载试验研究了梯度预应力设置方式对加固梁静力性能的影响，通过疲劳试验研究了梯度预应力和疲劳上限荷载对加固梁疲劳性能的影响.1研究方案1.1梯度锚固预应力构造梯度锚固预应力是指通过分段放张预应力的方式使梁两端 CFRP 预应力在一定长度区段内呈梯度减小.较一般预应力加固不同，梯度锚固将放张端部的预应力（∆σ）拆分为数段，使端部 CFRP 预应力与挠度和弯矩呈相似的变化趋势，减小端部预应力差及对混凝土保护层的拉应力，并设置无预应力黏结段（0 MPa）以提供黏结锚具的作用，提高加固梁的变形协调性和受力性能，如图1所示.梯度锚固预应力的施工工艺分为以下步骤：1）在加固区预制或开设凹槽并清理凹槽;2）嵌入 CFRP板条，张拉预应力并在跨中段填入黏结剂，室温下養护5～7 d;3）该段养护完成后，将预应力放张至设计梯度，填入黏结剂并养护;4）重复步骤3）至完成所有梯度设置.施工过程中，CFRP预应力以张拉端力传感器的力控为主，CFRP 的应变控制为辅，施工过程中未发现明显的预应力损失.试验中施加梯度锚固预应力的装置如图2所示.以梯度锚固预应力梁 PS-LⅢ为例，具体步骤为：1）将开槽后的试验梁放置于台座内;2）嵌入 CFRP板条，使用千斤顶张拉1000 MPa预应力，在跨中2300 mm 长度内填入黏结剂后室温养护;3）1000 MPa 段养护完成，降低预应力至500 MPa，在1000 MPa两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;4）500 MPa段养护完成，降低预应力至0 MPa，在500 MPa 两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;5）养护后，梯度锚固预应力完成.1.2试件设计本文共设计了10片表层嵌贴预应力 CFRP加固梁，其中4片试验梁用于研究不同端部梯度预应力设置对加固梁静力性能的影响;6片试验梁用于研究梯度锚固预应力对加固梁疲劳性能的影响.以梁 PS-L0的静力极限承载力作为疲劳加载依据，设置疲劳加载试件的荷载上限分别为梁 PS-L0极限荷载的50%、60%和70%，疲劳下限为荷载上限的20%.具体试件设计如表1所示，试件编号中 P代表预应力加固，S 为静载梁，F 为疲劳梁，后接数字代表疲劳荷载上限与梁 PS-L0极限荷载的比值;I 表示预应力为500 MPa 的黏结段，Ⅱ表示预应力为0 MPa 的黏结段，Ⅲ表示预应力为500 MPa 与0 MPa 的组合段，U 表示设置 U 型箍，上述端部处置方式的长度均为300 mm，其中Ⅲ为500 MPa 与0 MPa 各150 mm 的组合.U 型箍由3道宽度100 mm 单层外贴 CFRP 布组成.梁全长3500 mm，净跨径3300 mm，截面尺寸160 mm×350 mm;混凝土强度等级为C40，采用一批次浇筑，在标准养护条件下养护28 d;配置216受拉钢筋，纵筋配筋率0.72%，箍筋通长布置8@100;梁底预设两条中心距65 mm、尺寸15 mm×20 mm 的通长凹槽，槽内嵌贴2条预应力 CFRP 板条. CFRP 采用Dextra公司生产的 ASTEC CT124-2型矩形截面板条，截面尺寸2 mm×16 mm.已有研究表明，CFRP 预应力水平宜取其拉伸强度的40%～50%，这样既充分发挥其材料性能又保有足够剩余变形能力以保证加固结构延性，因此本文试验取 CFRP 预应力为1000 MPa （约40%拉伸强度）.黏结剂采用 Sikadur-30CN 环氧树脂，双组份按3∶1（质量比）比例混合，黏结剂拌合填充后在室温下养护.各材料的力学性能如表2所示.1.3试验加载方案及量测内容试验采用四点弯曲加载，如图3所示，纯弯段长度为1000 mm，剪弯段长度为1150 mm.静载试验采用5 kN为级差的加载制度分级加载，每级荷载下测定挠度与应变数值.疲劳试验时先静力加载至疲劳上限荷载，记录数据后卸载至0，再按正弦进行疲劳加载，加载频率为3 Hz;在疲劳循环次数分别达到1、5、10、25及以后每25万次时停机，静载至疲劳上限并记录相应的挠度与应变变化.卸载后继续疲劳加载，图4为一个疲劳加载周期的示意图.测试内容包括：特征荷载、挠度、裂缝发展趋势、混凝土压应变、受拉钢筋和 CFRP 应变.在梁跨中、加载点、梯度段起点及支座处安装百分表测量梁挠度值，在梁跨中截面的受拉钢筋、混凝土表面粘贴电阻应变片以量测应变.其中，CFRP 应变片主要布置于梯度预应力段，纯弯段与弯剪段布置较稀，每根 CFRP 板条沿长度方向约布置14个应变片，加载前将所有应变数据平衡清零，人工测绘裂缝.但另一方面，外贴和表层嵌贴 FRP 加固混凝土梁都容易出现黏结端部混凝土保护层剥离现象，这是因为 FRP 端部位置截面存在刚度突变，荷载作用下会产生较大应力集中.滕锦光等[10-11]提出了适用于 NSM FRP 加固梁保护层剥离破坏的强度模型，并验证了其良好的预测性能;Rezazadeh 等[12]针对端部保护层剥离破坏，假设了预应力 FRP 端部断面形状，并提出用抵抗黏结长度来衡量抵抗剥离破坏的能力.嵌贴 FRP 被施加预应力后端部混凝土保护层剥离破坏现象更易出现[13-14]，并可能导致加固梁过早破坏.预应力由嵌贴 FRP 向混凝土传递时会在其黏结端部出现应力集中，加上荷载在此处引起的黏结应力，嵌贴 FRP 端部截面的混凝土保护层更容易发生剥离.为延缓或避免预应力 CFRP 加固梁发生端部混凝土保护层剥离破坏，Motavalli等[15-16]提出了“梯度预应力”概念，通过分级放张的方式人为增加预应力传递长度，减小传递长度内的应力集中;研制了用于外贴预应力 CFRP 板加固实现梯度预应力的树脂快速固化设备和放张设备，但由于设备较昂贵且使用复杂，该技术并未得到广泛应用.嵌贴 CFRP的构造及工艺使得在 CFRP-混凝土间二次或多次填充树脂简单方便，运用本课题组研发的碳纤维锚具、温控养护设备和加固流程，并结合已有实桥加固经验，将梯度预应力与表层嵌贴加固技术相结合，有利于发挥两者的各自优势，在实际工程中有一定的可行性和应用前景.因此，本文通过静载试验研究了梯度预应力设置方式对加固梁静力性能的影响，通过疲劳试验研究了梯度预应力和疲劳上限荷载对加固梁疲劳性能的影响.1研究方案1.1梯度锚固预应力构造梯度锚固预应力是指通过分段放张预应力的方式使梁两端 CFRP 预应力在一定长度区段内呈梯度减小.较一般预应力加固不同，梯度锚固将放张端部的预应力（∆σ）拆分为数段，使端部 CFRP 预应力与挠度和弯矩呈相似的变化趋势，减小端部预应力差及对混凝土保护层的拉应力，并设置无预应力黏结段（0 MPa）以提供黏结锚具的作用，提高加固梁的变形协调性和受力性能，如图1所示.梯度锚固预应力的施工工艺分为以下步骤：1）在加固区预制或开设凹槽并清理凹槽;2）嵌入 CFRP板条，张拉预应力并在跨中段填入黏结剂，室温下养护5～7 d;3）该段养护完成后，将预应力放张至设计梯度，填入黏结剂并养护;4）重复步骤3）至完成所有梯度设置.施工过程中，CFRP预应力以张拉端力传感器的力控为主，CFRP 的应变控制为辅，施工过程中未发现明显的预应力损失.试验中施加梯度锚固预应力的装置如图2所示.以梯度锚固预应力梁 PS-LⅢ为例，具体步骤为：1）将开槽后的试验梁放置于台座内;2）嵌入 CFRP板条，使用千斤顶张拉1000 MPa预应力，在跨中2300 mm 长度内填入黏结剂后室温养护;3）1000 MPa 段养护完成，降低预应力至500 MPa，在1000 MPa两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;4）500 MPa段养护完成，降低预应力至0 MPa，在500 MPa 两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;5）养护后，梯度锚固预应力完成.1.2试件设计本文共设计了10片表层嵌贴预应力 CFRP加固梁，其中4片试验梁用于研究不同端部梯度预应力设置对加固梁静力性能的影响;6片试验梁用于研究梯度锚固预应力对加固梁疲劳性能的影响.以梁 PS-L0的静力极限承载力作为疲劳加载依据，设置疲劳加载试件的荷载上限分别为梁 PS-L0极限荷载的50%、60%和70%，疲劳下限为荷载上限的20%.具体试件设计如表1所示，试件编号中 P代表预应力加固，S 为静载梁，F 为疲劳梁，后接数字代表疲劳荷载上限与梁 PS-L0极限荷载的比值;I 表示预应力为500 MPa 的黏結段，Ⅱ表示预应力为0 MPa 的黏结段，Ⅲ表示预应力为500 MPa 与0 MPa 的组合段，U 表示设置 U 型箍，上述端部处置方式的长度均为300 mm，其中Ⅲ为500 MPa 与0 MPa 各150 mm 的组合.U 型箍由3道宽度100 mm 单层外贴 CFRP 布组成.梁全长3500 mm，净跨径3300 mm，截面尺寸160 mm×350 mm;混凝土强度等级为C40，采用一批次浇筑，在标准养护条件下养护28 d;配置216受拉钢筋，纵筋配筋率0.72%，箍筋通长布置8@100;梁底预设两条中心距65 mm、尺寸15 mm×20 mm 的通长凹槽，槽内嵌贴2条预应力 CFRP 板条. CFRP 采用Dextra公司生产的 ASTEC CT124-2型矩形截面板条，截面尺寸2 mm×16 mm.已有研究表明，CFRP 预应力水平宜取其拉伸强度的40%～50%，这样既充分发挥其材料性能又保有足够剩余变形能力以保证加固结构延性，因此本文试验取 CFRP 预应力为1000 MPa （约40%拉伸强度）.黏结剂采用 Sikadur-30CN 环氧树脂，双组份按3∶1（质量比）比例混合，黏结剂拌合填充后在室温下养护.各材料的力学性能如表2所示.1.3试验加载方案及量测内容试验采用四点弯曲加载，如图3所示，纯弯段长度为1000 mm，剪弯段长度为1150 mm.静载试验采用5 kN为级差的加载制度分级加载，每级荷载下测定挠度与应变数值.疲劳试验时先静力加载至疲劳上限荷载，记录数据后卸载至0，再按正弦进行疲劳加载，加载频率为3 Hz;在疲劳循环次数分别达到1、5、10、25及以后每25万次时停机，静载至疲劳上限并记录相应的挠度与应变变化.卸载后继续疲劳加载，图4为一个疲劳加载周期的示意图.测试内容包括：特征荷载、挠度、裂缝发展趋势、混凝土压应变、受拉钢筋和 CFRP 应变.在梁跨中、加载点、梯度段起点及支座处安装百分表测量梁挠度值，在梁跨中截面的受拉钢筋、混凝土表面粘贴电阻应变片以量测应变.其中，CFRP 应变片主要布置于梯度预应力段，纯弯段与弯剪段布置较稀，每根 CFRP 板条沿长度方向约布置14个应变片，加载前将所有应变数据平衡清零，人工测绘裂缝.但另一方面，外贴和表层嵌贴 FRP 加固混凝土梁都容易出现黏结端部混凝土保护层剥离现象，这是因为 FRP 端部位置截面存在刚度突变，荷载作用下会产生较大应力集中.滕锦光等[10-11]提出了适用于 NSM FRP 加固梁保护层剥离破坏的强度模型，并验证了其良好的预测性能;Rezazadeh 等[12]针对端部保护层剥离破坏，假设了预应力 FRP 端部断面形状，并提出用抵抗黏结长度来衡量抵抗剥离破坏的能力.嵌贴 FRP 被施加预应力后端部混凝土保护层剥离破坏现象更易出现[13-14]，并可能导致加固梁过早破坏.预应力由嵌贴 FRP 向混凝土传递时会在其黏结端部出现应力集中，加上荷载在此处引起的黏结应力，嵌贴 FRP 端部截面的混凝土保护层更容易发生剥离.为延缓或避免预应力 CFRP 加固梁发生端部混凝土保护层剥离破坏，Motavalli等[15-16]提出了“梯度预应力”概念，通过分级放张的方式人为增加预应力传递长度，减小传递长度内的应力集中;研制了用于外贴预应力 CFRP 板加固实现梯度预应力的树脂快速固化设备和放张设备，但由于设备较昂贵且使用复杂，该技术并未得到广泛应用.嵌贴 CFRP的构造及工艺使得在 CFRP-混凝土间二次或多次填充树脂简单方便，运用本课题组研发的碳纤维锚具、温控养护设备和加固流程，并结合已有实桥加固经验，将梯度预应力与表层嵌贴加固技术相结合，有利于发挥两者的各自优势，在实际工程中有一定的可行性和应用前景.因此，本文通过静载试验研究了梯度預应力设置方式对加固梁静力性能的影响，通过疲劳试验研究了梯度预应力和疲劳上限荷载对加固梁疲劳性能的影响.1研究方案1.1梯度锚固预应力构造梯度锚固预应力是指通过分段放张预应力的方式使梁两端 CFRP 预应力在一定长度区段内呈梯度减小.较一般预应力加固不同，梯度锚固将放张端部的预应力（∆σ）拆分为数段，使端部 CFRP 预应力与挠度和弯矩呈相似的变化趋势，减小端部预应力差及对混凝土保护层的拉应力，并设置无预应力黏结段（0 MPa）以提供黏结锚具的作用，提高加固梁的变形协调性和受力性能，如图1所示.梯度锚固预应力的施工工艺分为以下步骤：1）在加固区预制或开设凹槽并清理凹槽;2）嵌入 CFRP板条，张拉预应力并在跨中段填入黏结剂，室温下养护5～7 d;3）该段养护完成后，将预应力放张至设计梯度，填入黏结剂并养护;4）重复步骤3）至完成所有梯度设置.施工过程中，CFRP预应力以张拉端力传感器的力控为主，CFRP 的应变控制为辅，施工过程中未发现明显的预应力损失.试验中施加梯度锚固预应力的装置如图2所示.以梯度锚固预应力梁 PS-LⅢ为例，具体步骤为：1）将开槽后的试验梁放置于台座内;2）嵌入 CFRP板条，使用千斤顶张拉1000 MPa预应力，在跨中2300 mm 长度内填入黏结剂后室温养护;3）1000 MPa 段养护完成，降低预应力至500 MPa，在1000 MPa两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;4）500 MPa段养护完成，降低预应力至0 MPa，在500 MPa 两端各150 mm 区段填入黏结剂并养护;5）养护后，梯度锚固预应力完成.1.2试件设计本文共设计了10片表层嵌贴预应力 CFRP加固梁，其中4片试验梁用于研究不同端部梯度预应力设置对加固梁静力性能的影响;6片试验梁用于研究梯度锚固预应力对加固梁疲劳性能的影响.以梁 PS-L0的静力极限承载力作为疲劳加载依据，设置疲劳加载试件的荷载上限分别为梁 PS-L0极限荷载的50%、60%和70%，疲劳下限为荷载上限的20%.具体试件设计如表1所示，试件编号中 P代表预应力加固，S 为静载梁，F 为疲劳梁，后接数字代表疲劳荷载上限与梁 PS-L0极限荷载的比值;I 表示预应力为500 MPa 的黏结段，Ⅱ表示预应力为0 MPa 的黏结段，Ⅲ表示预应力为500 MPa 与0 MPa 的组合段，U 表示设置 U 型箍，上述端部处置方式的长度均为300 mm，其中Ⅲ为500 MPa 与0 MPa 各150 mm 的组合.U 型箍由3道宽度100 mm 单层外贴 CFRP 布组成.梁全长3500 mm，净跨径3300 mm，截面尺寸160 mm×350 mm;混凝土强度等级为C40，采用一批次浇筑，在标准养护条件下养护28 d;配置216受拉钢筋，纵筋配筋率0.72%，箍筋通长布置8@100;梁底预设两条中心距65 mm、尺寸15 mm×20 mm 的通长凹槽，槽内嵌贴2条预应力 CFRP 板条. CFRP 采用Dextra公司生产的 ASTEC CT124-2型矩形截面板条，截面尺寸2 mm×16 mm.已有研究表明，CFRP 预应力水平宜取其拉伸强度的40%～50%，这样既充分发挥其材料性能又保有足够剩余变形能力以保证加固结构延性，因此本文试验取 CFRP 预应力为1000 MPa （约40%拉伸强度）.黏结剂采用 Sikadur-30CN 环氧树脂，双组份按3∶1（质量比）比例混合，黏结剂拌合填充后在室温下养护.各材料的力学性能如表2所示.1.3试验加载方案及量测内容试验采用四点弯曲加载，如图3所示，纯弯段长度为1000 mm，剪弯段长度为1150 mm.静载试验采用5 kN为级差的加载制度分级加载，每级荷载下测定挠度与应变数值.疲劳试验时先静力加载至疲劳上限荷载，记录数据后卸载至0，再按正弦进行疲劳加载，加载频率为3 Hz;在疲劳循环次数分别达到1、5、10、25及以后每25万次时停机，静载至疲劳上限并记录相应的挠度与应变变化.卸载后继续疲劳加载，图4为一个疲劳加载周期的示意图.测试内容包括：特征荷载、挠度、裂缝发展趋势、混凝土压应变、受拉钢筋和 CFRP 应变.在梁跨中、加载点、梯度段起点及支座处安装百分表测量梁挠度值，在梁跨中截面的受拉钢筋、混凝土表面粘贴电阻应变片以量测应变.其中，CFRP 应变片主要布置于梯度预应力段，纯弯段与弯剪段布置较稀，每根 CFRP 板条沿长度方向约布置14个应变片，加载前将所有应变数据平衡清零，人工测绘裂缝.但另一方面，外贴和表层嵌贴 FRP 加固混凝土梁都容易出现黏结端部混凝土保护层剥离现象，这是因为 FRP 端部位置截面存在刚度突变，荷载作用下会产生较大应力集中.滕锦光等[10-11]提出了适用于 NSM FRP 加固梁保护层剥离破坏的强度模型，并验证了其良好的预测性能;Rezazadeh 等[12]针对端部保护层剥离破坏，假设了预应力 FRP 端部断面形状，并提出用抵抗黏结长度来衡量抵抗剥离破坏的能力.嵌贴 FRP 被施加预应力后端部混凝土保护层剥离破坏现象更易出现[13-14]，并可能导致加固梁过早破坏.预应力由嵌贴 FRP 向混凝土传递时会在其黏结端部出现应力集中，加上荷载在此处引起的黏结应力，嵌贴 FRP 端部截面的混凝土保护层更容易发生剥离.为延缓或避免预应力 CFRP 加固梁发生端部混凝土保护层剥离破坏，Motavalli等[15-16]提出了“梯度预应力”概念，通过分级放张的方式人为增加预应力传递长度，减小传递长度内的应力集中;研制了用于外贴预应力 CFRP 板加固实现梯度预应力的树脂快速固化设备和放张设备，但由于设备较昂贵且使用复杂，该技术并未得到广泛应用.嵌贴 CFRP的构造及工艺使得在 CFRP-混凝土间二次或多次填充树脂简单方便，运用本课题组研发的碳纤维锚具、温控养护设备和加固流程，并结合已有实桥加固经验，将梯度预应力与表层嵌贴加固技术相结合，有利于发挥两者的各自优势，在实际工程中有一定的可行性和应用前景.因此，本文通过静载试验研究了梯度预应力设置方式对加固梁静力性能的影响，通过疲劳试验研究了梯度预应力和疲劳上限荷载对加固梁疲劳性能的影响.1研究方案1.1梯度锚固预应力构造梯度锚固预应力是指通过分段放张预应力的方式使梁两端 CFRP 预应力在一定长度区段内呈梯度减小.较一般预应力加固不同，梯度锚固将放张端部的预应力（∆σ）拆分为数段，使端部 CFRP 预应力与挠度和弯矩呈相似的变化趋势，减小端部预应力差及对混凝土保护层的拉应。

既有RC梁力学性能的试验研究与数值模拟的开题报告
一、研究背景
钢筋混凝土（RC）是建筑中常见的结构材料，具有较好的力学性能和抗震能力。

其中，RC梁是建筑中最常见的结构元素之一。

在建筑结构中，RC梁承受屋面和墙面
的重量，同时还要承受其它外力，如风力、地震力等。

因此，对RC梁的力学性能进行研究有重要意义。

二、研究目的
本研究的目的是通过试验研究和数值模拟的方法，探究RC梁在静力荷载和地震
荷载下的力学性能。

通过深入研究RC梁的受力情况和破坏机理，可以为建筑结构的设计和优化提供理论依据。

三、研究内容
（1）试验研究
采用四点弯曲试验方法，研究RC梁在静力荷载和地震荷载下的力学性能。

选取
不同的试验参数，如梁的截面尺寸、钢筋配筋等，探究这些参数对RC梁受力性能的影响。

（2）数值模拟
采用ANSYS有限元软件，建立RC梁的数值模型，对梁的受力情况进行仿真分析。

通过改变RC梁的各种参数，逐步验证试验研究的结果，探讨数值模拟的准确性和可靠性。

四、预期结果
通过试验研究和数值模拟的方法，本研究预期能够深入探究RC梁在不同荷载作
用下的受力情况和破坏机理，分析RC梁的力学性能及其影响因素。

预期能够为RC梁的设计和优化提供理论依据，在加强RC梁的抗震能力方面提供帮助。

同时，通过这一研究，也可为建筑结构的性能和安全保障提供新思路。

基于不同加固方式的RC梁加固性能试验对比研究徐超;万华;胡方杰;高荣雄;魏鑫【期刊名称】《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(048)006【摘要】交通建设快速发展的同时,随着桥梁服役时长增加和各种内外在因素的综合作用,大量的桥梁面临加固改造.基于RC梁的截面受力特点,难以避免的截面开裂往往导致结构刚度和承载力下降,并使其耐久性恶化.粘贴板材是RC梁工程加固最常用的加固方式,不同板材所起的加固效果亟待深入研究.研究开展了8根RC梁粘贴板材加固试验,分别为裸梁、粘贴碳纤维布、碳纤维板和钢板,采用两点加载至构件破坏.基此分析不同加固方式下RC梁的应变特点、变形性能、极限强度和破坏模态等受力性能,综合比较不同加固方式的加固效果.研究表明:在防腐措施得以保证的前提下,RC梁粘贴板材的加固效果依次为碳纤维布劣于碳纤维板劣于钢板.【总页数】7页(P881-886,894)【作者】徐超;万华;胡方杰;高荣雄;魏鑫【作者单位】海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,湖北武汉430040;中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,湖北武汉430040;中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,湖北武汉430040;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】U445.7【相关文献】1.强震作用下加固边坡的动力响应及不同加固方式的比较研究 [J], 汪鹏程;朱大勇;许强2.纤维材料加固RC梁斜截面加固方式与位置探讨 [J], 薛晓英;聂磊;王博3.不同加固方式下普通砖柱轴心受压试验对比研究 [J], 刘威;张鸿梅4.钢板不同加固方式加固锈蚀钢筋混凝土梁试验研究与有限元分析 [J], 唐皇; 王晗; 彭建新5.基于不同开孔位置RC梁受弯性能试验 [J], 宋力; 辛宇; 樊成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第872期第1期2024年1月收稿日期：2023-06-06作者简介：李雨峰（1998—），男，硕士生，研究方向：结构工程。

通信作者：卢荣鑫（1999—），男，硕士生，研究方向：结构工程。

RC 梁承载力试验及数值分析研究李雨峰　卢荣鑫（重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404120）摘　要：【目的】通过对RC 梁进行四点受弯分级加载试验，研究受弯破坏对RC 梁承载力的影响规律，并基于有限元分析软件建立数值模型以验证试验结果。

同时，运用规范公式计算与上述值进行比较分析。

【方法】通过包括试验测试、数值模拟和规范公式计算等三种方法研究RC 梁的承载能力。

【结果】研究结果表明，所建立的模型能够较好地预测RC 梁的承载力，这为准确评估RC 梁的安全性能提供了有力支撑。

【结论】钢筋混凝土梁在弯曲破坏形态下的破坏试验法虽然真实准确，但不宜在实际工程中应用，而有限元分析法可以高精度、快速、低成本地模拟全过程，且与试验吻合较好。

规范计算则偏于理想化，因此需要根据具体对象选取适当的方法。

关键词：有限元模拟；钢筋混凝土梁；四点受弯；力学承载力中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）01-0067-05DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.01.013Experimental Study and Numerical Analysis of the Bearing Capacity of Reinforced Concrete BeamsLI Yufeng LU Rongxin(Chongqing Three Gorges University, School of Civil Engineering, Chongqing 404120, China)Abstract: [Purposes ] The purpose of this study is to investigate the influence of flexural failure on thebearing capacity of reinforced concrete (RC) beams through four-point bending graded loading tests, and to establish a numerical model using finite element analysis software to verify the experimental results. In addition, the study compares and analyzes the results with those obtained from formula calculations. [Methods ] The bearing capacity of RC beams is studied by three methods: experimental testing, numeri⁃cal simulation, and formula calculation. [Findings ] The results show that the established model can pre⁃dict the bearing capacity of RC beams well, which provides strong support for accurately evaluating thesafety performance of RC beams. [Conclusions ]Although the flexural failure test method of reinforced concrete beams is accurate and realistic, it is not suitable for practical engineering applications. The fi⁃nite element analysis method, however can simulate the whole process with high precision, fast speed, and low cost, and has good agreement with experiments. The formula calculation tends to be idealized, soappropriate methods need to be selected based on specific objects.Keywords: finite element simulation; reinforced concrete beam; four-point bending; mechanical bearingcapacity0 引言RC梁承载力试验及数值分析研究引起了很多工程领域的学者和研究人员的关注。

第49卷第2期 2017年4月西安建筑科技大学学报（自然科学版）J. Xi’an Univ. of Arch.Tech. (Natural Science Edition)Vol. 49 No. 2八pr. 2017DOI: 10. 15986/j. 1006-7930. 2017. 02. 008一种新型连梁拟静力加载方案及其试验验证侯炜2’2，陈彬2’2，柴振岭2’2，郭子雄2’2(1.华侨大学土木工程学院，福建厦门361021; 2.福建省结构工程与防灾重点实验室，福建厦门361021)摘要：连梁作为剪力墙结构和核心筒的重要耗能构件，在房屋抵抗地震中起到第一道防线的作用.由于模拟连梁真实的边 界条件和受力状态较难实现，所以连梁低周反复加载试验成为最难的结构试验之一.针对实现试件平动以及对中加载等问 题，各国学者也提出了不同的加载方案.本文首先对已有加载方案和试验装置进行综述，借此考察和分析现有试验条件的优缺点，并自行加工制作了一套可实现连梁边界条件和受力形式的加载装置.该加载装置在试件一侧布置两个竖向作动器 从而能够保证连梁保持上下转角一致，并监控作动器受力情况，结果表明两个竖向加载器对试验的受力影响较小.通过对 内嵌钢板混凝土组合连梁的低周反复荷载试验，验证了该加载装置的可行性和适用性，试验结果达到预期目标，数据可 靠，该试验方案可供选择使用.关键词：连梁；边界条件；拟静力试验；加载装置中图分类号：TU398 文献标志码：A文章编号：1006-7930(2017)02-0207-08A new pseudo-static loading program of coupling beams and its test verificationHOU W ei1，2，C H EN B in1，C H A I Zhenhn1，2，GUO Z ixiong1，2(1. School of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China ；2. Key Laboratory for Structure Engineering and Disaster Prevention of Fujian Province, Xiamen 361021，China)Abstract ： As an important energy dissipation component of coupling shear wall system and core tube, the coupling beam played the first seismic line function in the building. Simulating the real boundary condition and the stress state of the coupling beam is difficult to accomplish, so the reversed cyclic loads test of the coupling beam is to become the one of the most difficult structural tests. Scholars of different countries have put forward different loading method to address such issues as keeping the specimen horizontal，aligning to load and soon. This paper summarized the previous loading method and test device» and took the investigation and analysis of the advantages and disadvantages of previous tests ? then designed and manufactured a suitable loading device to realize the boundary condition of the coupling beam. Loading device was installed at both sides of the two vertical actuator to ensure the both side of the coupling beam to keep some angle. Load of the vertical actuator is recorded in the process? to analyze the change of loading. Two vertical factors have less influence on the force of test. The reversed cyclic loading test of embedded steel plate reinforced concrete coupling beams was conducted using this loading program. The feasibility and applicability of the loading device are proved. The test results is shown that the loading device can achieve the expected goal and that the data are reliable. The new loading program is an alternative program.Key words ： coupling beam ； boundary condition ； pseudo-static test ； loading device在高层剪力墙结构中，当受到地震及风荷载 作用时，连梁起到了重要作用，通过传递到连梁 的弯矩及剪力能够有效抵抗荷载和耗散地震能量. 连梁抗震性能研究也成为高层建筑抗震的热点和 难点[1].抗震性能试验研究是工程结构分析的重要 手段，各实验室为实现结构模拟提供必要的技术 支持.为了真实模拟连梁的受力状态，通过试验装置实现其边界受力条件，研究者根据自身试验 能力和场地，对加载装置进行设计和改进，以达 到预期试验目的.对试验装置进行设计时，需要 遵循以下几个原则：a )连梁的边界条件能够在试 验装置上得到真实的反应和可操作的模拟实现；(2)在单调或往复加载过程中试件可实现较大的水 平变形；（3)加载装置应具备足够的强度防止达到收稿日期：2016-06-25修改稿日期：2017-03-22基金项目：国家自然科学基金资助项目（51308236);福建省自然科学基金资助项目（2014J05061);厦门市建设科技基金资助项目(XJK2015-1-3)作者简介：侯伟（1981 —），男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事新材料、新型结构及抗震研究.E-mail: houwei302@208西安建筑科技大学学报（自然科学版)第49卷最大荷载前自身达到屈服.同时，需要足够大的刚度以防止在加载过程中产生较大变形.应避免由于荷载过大或试件破坏而导致加载设备脱离，保证在试件突然或者脆性破坏情况下的安全性；(4)在试验过程中，试件应固定牢固，从而使水平 剪力直接传递至试件上；（5)保证试验过程中试件不发生平面外失稳和破坏.首先对现有试验装置进行简单介绍，并分析装置特点，在此基础上，根据现有试验条件，提 出改进连梁加载试验装置，验证其有效性和合理性，为连梁试验加载提供新的可选方案.1 连梁拟静力试验特点1.1剪力墙连梁受力特点在水平荷载作用下，双肢剪力墙体系变形及连梁受力变形情况如图1所示.剪力墙受到轴力、剪力和弯矩，使剪力墙产生弯曲变形.在高层建筑中，由于连梁两端墙肢不均勻压缩，也会使连梁产生内力[2].剪力墙刚度远远大于连梁刚度，使 之相连的连梁产生因剪力墙变形而带来的转动，在墙肢和连梁的相互作用下，连梁产生约束弯矩，剪力梁跨保持不变，并且梁两端产生大小相等方向相反的弯矩，反弯点位于跨中位置.由于连梁受力特点不同于竖向荷载作用下的框架梁，且连 梁一般跨度较小，截面高度大，使连梁对剪力十分敏感，在往复荷载作用下，连梁极易形成交叉裂缝，导致连梁剪切破坏.Fig. 1 Force and deformation of coupling beam1.2边界条件设定由于连梁特殊变形和受力特点，在试验过程中采用合适的边界条件对于连梁研究具有重要的意义.通过缩尺试验，对联肢剪力墙进行整体试验加载，施加水平作用力，探究联肢剪力墙中连梁的性能，能够真实地反映连梁的受力及变形情况.但往往由于试验条件、试验研究对象、测试 手段等因素常取一根连梁进行试验研究，因此需要寻找等效于连梁在联肢剪力墙中变形及受力的边界条件.连梁符合一端固定，一端滑动的受力模式，所以在模拟连梁边界条件应满足以下两个条件以达到模拟连梁平剪工作条件：（1)保证连梁 两端转角保持一致；（2)连梁弯矩反弯点位于跨中位置.2现有连梁试验加载装置围绕实现连梁边界状态的两个必要条件，国内外研究人员根据自身试验条件研发了多种的试验加载装置.B A R N E Y[3]通过对局部联肢剪力墙进行试验，两片剪力墙通过两跨连梁连接，作动 器沿连梁试件的中心线进行加载，如图2所示.C IU H A ND U和ITJD O R[4]采用如图3所示加载装 置.在该方案中，由于多跨连梁共同变形形成平行四边形变形模式，使连梁两端转角保持一致，能够较好地模拟剪力墙连梁的边界条件.以上两种双跨连梁加载方案，由于两个连梁构件共同抵抗荷载，要求两根连梁受力情况一致且每个构件承担1/2的水平承载力才能得到准确的试验结果. 若两根连梁由于破坏不同造成的受力不一致，则 导致对于分配到每根连梁的承载力无法准确测定.此外，该加载方案试件制作也更为复杂.图2加载装置图（Barney)Fig. 2 Test setup of Barney图3 加载装置图(Cinhandu)Fig. 3 Test setup of Cinhandu现有绝大部分方案采取针对单根连梁进行试验研究.如P A U L A Y等[5]进行交叉斜筋连梁试验第2期侯炜，等t匿种新型连梁拟静力加载方案及其试验验证209研究的加载装置如图4(a)所示.装置中两个钢臂分别固定在墙肢一侧，而墙肢另一侧一端安设滚轴(滑动支座），另一端安设固定支座，液压作动器安设在两个钢梁之间，作动器的加载中心与连梁中心位置对齐，以保证连梁受力时反弯点在连梁跨中位置.当作动器伸长或缩短时，连梁变形如图4(b)所示.在加载工程中，需保证作动器力作用线在构件中心面内，防止作用线偏离面而使构件受扭.在加载工程中，整个作动器均处于运动状态，需保证作动器良好运作及安全.Galana[6]采用如图5所示的试验装置进行加载试验，该加载 装置存在着连梁端部转角无法保证相同.当试件处于弹性状态时，试件能够正常受力；当试件出 现较大裂缝后，两端转角将有明显的不同，从而 使拟静力试验后期产生的试验现象及数据不够准确.(a)加载装置（b )加载装靑图4加载装置（Paulay)Fig. 4 Test setup of Paulay图5加载装置图（Galano)Fig. 5 Test setup of GalanoS H A H R O O Z™、H A R R IS®1、P A R K®对组合连梁及钢连梁的试验研究中，考虑到钢连梁、组合连梁与墙肢连接锚固以及试件制作问题，往 往仅取一半的连梁作为研究对象，采取了如图6所 示的加载方式，这种悬臂梁式的加载方案利用连梁反弯点位置弯矩为零，将荷载直接施加于连梁跨中位置.但其得到的破坏形态与整体连梁模型并不相同，验证节点区受力更为合适1些.图 6 加载装置（Shahrooz/Harries/Park)Fig. 6 Test setup of Shahrooz为了更好地实现连梁的安装和加载，更多方 案将连梁旋转90°，如图7所示.TTASSK)N[1°\ 傅剑平等[11]在小跨高比连梁抗震研究中采用了如图7(a)所示的加载装置.由于达到后期时图7(a)装置L形梁的变形及试件裂缝的发展已不能使L 形梁保持乎动，皮天祥D2]采取在试件一侧设置千斤顶，从而限制L形梁发生转动由于连梁变形过程中需实时根据转角调整千斤顶轴力，操作较为复杂，且千斤顶产生的轴力传递至连梁后影响连梁试验结果.有研究人员采取试件两侧设置千斤顶[1514‘从而保证L形梁保持平动，并平衡千斤顶产生轴力，如图7(c)和图7(d)所示.在连梁及短柱等以剪切受力为主的构件拟静力加载装置中，最常见为日本“建研式”加载装置，该装置利用新增平行四边形连杆机构和L形加载 梁，并将水平作动器安设位于试件1/2高处，即为 达到反弯点在连梁跨中位置，从而模拟出真实的边界条件.设计时对四连杆的要求较高，需要拥 有足够的强度、刚度以及保证各个连接铰在试验过程中良好地工作.建研式的加载方式不仅能够进行纯剪切试验，对于有轴压的短柱剪切试验也能实现.清华大学张刚[15]及香港大学LA M^]连 梁加载试验均采用建研式加载方式.如图8所示，图中哑铃状阴影部分代表试件，试件轴线沿竖直方向，试件下端通过刚性地梁固定在试验台座上，为了防止L形加载钢架的平面外平动与转动，在L 形加载钢架两侧分别在三位置共安装了六套侧向约束辊轴，侧向约束辊轴与四连杆转动约束机构约束L形加载钢架的平面外平动与所有转动，从而使L形加载钢梁只能在平面内的发生平动.由于建研式加载装置往往需要占据较大的工作场地，且连杆机构的拆卸工作也较为繁琐，因此西安建筑科技大学结构与抗震重点实验室D7]对 建研式加载方式进行了改进，将平行四边形连杆装置巧妙设计和布置，以满足不同的试验要求，210西安建筑科技大学学报（自然科学版)第49卷图9加载装置图（张兴虎） Fig. 9 Test setup of Zhang xinghu\ 滚轴图10加载装置图（Sang)Fig. 10 Test setup of Sang下几个问题：(1)现阶段试验，较多进行为单跨连梁的拟静力研究，缺乏对于多跨连梁进行试验研究，进行 多跨连梁试验装置需要考虑更多因素作用，尤其 是连梁的测点测试方案.(2) 通常，连梁加载方案中不考虑轴力的影图8加载装置图（Lam)Fig. 8 Test setup of Lam节约试验场地及安装便利的优势，如图9所示.改 进装置不仅能够实现纯剪切的大型试验，并且能 够完成压弯型试验.然而，该装置由于减小了字 行四边形的尺寸，使得试验能力有限，荷载较大 加载时可能由于连杆刚度和强度不足造成机构 损坏.SA N G »«进行对角暗柱预制连梁试验中提出 了新型的加载方法(如图10所示），通过在竖向钢 梁上设置滚轴使L 型钢梁在设置高度内保持平动， 并且具有较大刚度，能够较好的模拟墙肢变形.随着试验经验和技术的进步，各种不同的加 载方案被设计并实施.但由于各科研单位试验条 件、能力及场地均有较大差别，加载方案的适用 性也不同.现有连梁的试验加载和研究还存在以千斤顶㈧加载装界图(T irta )图7安设竖向作动器加载装置图Fig. 7 Test setup of installing the vertical actuators(b )加载装置图(皮天祥)。