碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能的研究

文章编号:100926825(2007)0820063202碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能的研究收稿日期:2006210219作者简介孙正强(682),男,工程师,中铁八局昆明房屋建筑有限公司,云南昆明　65李　政(2),男,工程师,湖南中大勘测设计研究院,湖南长沙　5苏启斌(2),男,工程师,中铁八局昆明房屋建筑有限公司,云南昆明　65孙正强　李　政　苏启斌摘　要:对使用碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行了介绍,通过理论分析提出了梁底初始拉应变和极限弯矩的计算公式,从而为碳纤维布加固梁抗弯承载力计算提供了理论依据。

关键词:碳纤维布,结构,极限弯矩,抗弯性能中图分类号:TU375.1文献标识码:A 近年来,由于超载、使用功能变化或钢筋锈蚀造成钢筋混凝土结构、构件不能满足承载力和正常使用功能的现象较为常见,对此类结构目前普遍采用加固技术进行修复。

外贴纤维布的加固方法由于耐腐蚀、施工简便、自重小、不占用使用空间等优点而成为一项新兴加固技术。

将碳纤维粘贴于钢筋混凝土梁的底部,可以提高结构的抗弯承载力、控制裂缝宽度、提高裂缝分散能力、增加结构刚度、改善其受力性能,但由于结构形式和材质都发生了变化,对其进行抗弯设计计算时,必须考虑二次受力。

1　基本假定1)加固后的梁符合平截面假定。

2)混凝土受压应力应变关系计算梁底初始拉应变时,梁的受拉钢筋一般未屈服,可简化为三角形分布,计算正截面极限抗弯承载力时按《混凝土结构规范》取用[1,2]。

3)钢筋应力应变关系按《规范》取用[1,2]。

4)碳纤维布的应力应变关系为线弹性关系,直到破坏。

5)碳纤维布与混凝土梁之间粘结良好,无剥离破坏现象。

2　梁底初始拉应变的计算梁预先承受荷载,梁底将产生初始拉应变,而梁底初始拉应变的大小决定加固后梁的极限荷载。

因此,梁底初始拉应变的计算极为重要,截面应力—应变分布如图1所示。

2.1　梁未开裂阶段当梁处于未开裂阶段,可以将截面换算为单一材料截面。

截面受压区高度为:x 0=bh 2+2(αE -1)(A s h 0+A s a ′s )2bh +2(αE -1)(A s +A ′s )。

其中,b 为梁宽;h 为梁高;x 0为受压区理论高度;a ′s 为受压钢筋合力作用点至受压边缘距离;A s 为受拉钢筋截面面积;A ′s为受压钢筋截面面积,αE =E s /E c 。

截面惯性矩为:I 0=13bx 03+13b(h -x 0)3+(αE -1)A s (h -x 0)2+(αE -1)A ′s (x 0-a ′s )2。

式中:I 0———未开裂截面惯性矩。

梁受拉边缘混凝土初始拉应变可由下式求出:εi =M (h -x 0)0.85E c I 0。

其中,M 为预先施加的荷载作用下产生的弯矩;E c 为混凝土弹性模量;E s 为钢筋弹性模量;εi 为初始拉应变。

2.2　梁开裂阶段受拉区混凝土已开裂,拉力主要由受拉钢筋承受,故计算开裂截面惯性矩时,可以不必考虑受拉区混凝土的面积,仅考虑受压区混凝土面积。

受压区理论高度x 0可由下式求出:x 02+2αE b(A s +A ′s )x 0-2αEb(A ′a ′s +A s h 0)=0。

截面惯性矩由下式求出:I 1=bx 033+αE A s (h 0-x 0)2+(αE -1)A ′s (x 0-a ′s )2。

梁受拉边缘混凝土拉应变可按下式计算:εi =M (h -x 0)E c I 1。

式中:I 1———开裂截面惯性矩。

3　极限弯矩的确定要确定加固梁的极限弯矩,先要判断加固梁的两种弯曲破坏形式:碳纤维布断裂和受压区混凝土压碎。

参照钢筋混凝土理论,加固结构中的界限相对受压区可定义为:当正截面内受拉钢筋应力达屈服强度后,受压区混凝土应力达到弯曲抗压极限强度,同时CFRP 达到抗拉极限强度时,换算受压区高度与截面高度的比值,以ζcf b 表示。

ζc fb =x 1h =0.8c h =0.8εc uεc u +εf u,36 第33卷第8期2007年3月 山西建筑SHANXI AR CHITECTUR E Vol.33No.8Mar.　2007:19020019774100719770200文章编号:100926825(2007)0820064202某体育馆抗浮设计收稿日期622作者简介何云明(2),男,助理工程师,中国建筑西南设计研究院,四川成都　68肖克艰(62),男,教授级高级工程师,中国建筑西南设计研究院,四川成都　68何云明　肖克艰摘　要:结合工程实例,着重介绍了工程中采用的柱下桩基础加梁式抗水板的抗浮设计方法和先张法预应力混凝土管桩用作抗拔桩的设计要点与计算方法,以及抗拔桩与承台的连接构造,有效解决了施工中存在的问题。

关键词:抗拔桩,管桩,桩基础,抗浮设计中图分类号:TU245.2文献标识码:A1　工程概况工程位于三亚市区,总建筑面积2.6万m 2,有1层地下室,地上2层～5层。

结构形式为框架结构,屋盖采用双向管桁架钢结构。

工程地下1层为篮球训练场,2层为篮球比赛场,为了满足使用功能要求,形成了大跨、大空间预应力结构,工程±0.000绝对标高6.800m ,地下室层高5.1m ,永久抗浮设计水位标高考虑为-1.800m ,地下室抗水板底标高-6.150m 。

地下室抗水板厚400mm ,梁断面为300mm ×(700～850)mm 。

因建筑物高度高、跨度大、荷载大,对地基土强度和变形要求高,根据勘察结果,场地浅部土层不能满足设计荷载要求,不具备采用天然地基条件,拟采用桩基础方案,桩型可采用钢筋混凝土预制桩或钻孔灌注桩。

工程地质情况如下:③粉砂:层厚2.7m ～5.70m ,平均厚度4.18m ,稍密状;④粗砂:层厚8.0m ～11.90m ,平均厚度9.68m ,稍密～中密状;⑤粘土:层厚0.8m ～7.60m ,平均厚度3.96m ,可塑～硬塑状;⑤1粘土:层厚0.8m ～4.40m ,平均厚度2.72m ,可塑状;⑥中、粗砂互层:层厚4.8m ～16.50m ,平均厚度8.63m ,中密状E s0.1～0.2=12M Pa ;⑦粉质粘土:层厚0.5m ～7.20m ,平均厚度4.2m ,硬塑状。

2　工程抗浮方案结合工程实际情况、施工难度以及场地地基岩土工程条件,设计时比较了钻孔灌注桩和钢筋混凝土预制桩方案。

由于地基上部土层为砂土,且地下水位高,钻孔灌注桩成孔难度大,施工速度慢,水下浇筑混凝土,其成桩质量和单桩承载力都不易满足设计要求。

钢筋混凝土预制桩则克服了这些缺点,且承载力高,根据x 1=ζcf b h 。

其中,x 1为界限状态破坏时换算受压区高度;εc u 为混凝土极限压应变;εfu 为CFRP 极限拉应变。

如果以x 表示混凝土达到εc u 时的换算受压区高度,则可以将其与x 1进行比较,如图2所示。

根据两种破坏形式建立极限弯矩计算公式。

3.1　碳纤维布断裂当x <x 1时,εf >εfu ,CFR P 先断裂。

对混凝土压区中点取矩,M u =f y A s (h 0-0.5x )+f f u A f (h -0.5x )-σ′s A ′s (0.5x -a ′s ),σ′s =(εi +εc u )E sx 1-a ′sh -x 1。

其中,f y 为钢筋屈服强度;f fu 为碳纤维布极限抗拉强度;σ′s为受压钢筋应力;A f 为碳纤维布面积;A s 为受拉钢筋面积。

3.2　受压区混凝土压碎当x >x 1时,εf <εfu ,混凝土先压碎破坏。

对拉伸钢筋取矩:M u =αf c bx (h 0-0.5x)+εf E f A f (h -h 0)+σ′s A ′s (h 0-a ′s ),σ′s =εc u E s (1-β1a ′sx 1)。

其中,β1,α的值按《规范》取用。

4　结语1)分析了梁在未开裂阶段和开裂阶段的初始拉应力计算方法。

2)参考钢筋混凝土理论中的界限相对受压区高度的概念,判断加固梁的两种破坏形式,根据平截面假定,给出计算极限弯矩的方法。

参考文献:[1]G B 5001022002,混凝土结构设计规范[S].[2]东南大学,天津大学,同济大学,等.混凝土结构(上册)[M ].北京:中国建筑出版社,2001.[3]赵　彤,谢　剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M ].天津:天津大学出版社,2001.[4]王荣国,代成琴.CFRP 加固混凝土梁抗弯极限承载力的计算分析[J ].哈尔滨工业大学学报,2004(3):80281.[5]吴耀兴.碳纤维加固混凝土梁受弯承载力设计方法[J ].山西建筑,2005,31(7):44245.R esear ch on the bending resistance perf or mance ofreinf or cement concr ete bea ms str engthened using car bon clot hSUN Zheng 2qiang L I Zheng SU Qi 2bi nAbstra ct :It introduces t he rein forcement concrete beams strengthe ned using carbon cloth ,t hrough the theory analys is ,it puts for ward the cal 2culation formula of initial strain and ultimate bearin g moment of beam bottom ,and this gives a theory ref erence to the calculation of be ndin g resistance bearing capacity of beams st re ngthe ned us ing carbon cloth.K ey w or ds :carbon cloth ,struct ure ,ultimate bearing moment ,bending res istance performance46第33卷第8期2007年3月 山西建筑SHANXI ARC HITECTUR E Vol.33No.8Mar.　2007 :2001020:197910011911001。