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[分享] 如何在加固混凝土连续梁中发挥FRP的优势 [复制链接]

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yaqin 发表于 2019-5-15 09:46:05 |显示全部楼层 |          |
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我国既有混凝土桥梁和建筑工程在长期服役过程中,不可避免地存在材料老化、自然灾害、不利荷载引起的材料损伤。因而,大量混凝土受弯构件需要进行加固补强来提升承载能力。研究表明,纤维增强聚合物(FRP)加固混凝土连续梁,能够较大幅度地提高构件抗弯承载能力,改善混凝土连续梁的破坏模式,影响混凝土连续梁的弯矩重分布能力。结构的延性水平是影响FRP加固混凝土连续梁弯矩重分布能力重要指标。部分学者利用延性系数指标,分析了FRP加固混凝土连续桥梁的弯矩重分布能力。但目前还缺乏可靠的延性指标,来表征FRP加固T形截面混凝土连续梁的弯矩重分布能力。


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本文通过非线性延性系数指标、变形法和塑性能量法三种延性系数指标,来反映试验梁的实际弯矩重分布能力,分析了FRP加固后混凝土连续梁的弯矩重分布状态,为实际工程中连续梁采用FRP进行抗弯加固设计,提供技术依据。


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FRP加固试验方案


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试验设计

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试件设计8根T形截面混凝土两跨连续梁,其截面尺寸和配筋情况相同,均采用C30混凝土,截面尺寸h×b为150mm×250mm,翼缘厚度hf=60mm,翼缘宽度bf=800mm。试件截面尺寸和配筋情况如图1所示。

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图1 试件配筋图(单位:mm)

图2 加固方案示意图

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加固试验梁在支座处粘贴一层纤维布,在跨中处底部粘贴一层至四层玄武岩纤维布和一层至三层碳纤维布。同时在连续梁跨内粘贴U形箍以加强锚固,避免FRP过早剥离。加固方案如图2所示,试件加固方案如表1。


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弯矩重分布特征

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试验结果表明,所有梁均表现出跨中处混凝土开裂、支座处混凝土开裂、跨中钢筋屈服、支座处钢筋屈服、构件破坏这五个阶段(除B-B0试件表现出从支座到跨中屈服,B-B4跨中钢筋未屈服,B-C3中支座处纵筋未屈服)。由β=1-MT/Me(MT为试验数据实测的截面弯矩,Me为理论弯矩值)计算各截面在各阶段的弯矩调幅系数情况。当跨中开裂时并无弯矩重分布现象发生;在支座开裂荷载阶段时,跨中处的弯矩传递给支座处,加固后的支座调幅系数基本在-10%左右;当跨中钢筋屈服时,B-B1至B4的支座调幅系数依次是-23.2%、-29.5%、-18.1%、-17.2%,B-C1至C3的支座调幅系数依次是-24.5%、-8.5%、-13.5%,可以看出弯矩重分布现象,随着跨中处加固量的增加而变化;当支座钢筋屈服时,B-B1至B4的支座调幅系数依次是-29.2%、-38.4%、-21.2%、-21.0%,B-C1至B-C2的支座调幅系数依次是-36.4%、-11.5%,弯矩重分布现象最为明显;极限荷载阶段时,B-B1至B4的支座调幅系数依次是-27.0%、-28%、-10.7%、-8.5%,B-C1至B-C3的支座调幅系数依次是-35.9%、-12.8%、-13.0%,此时弯矩重分布现象比较明显。


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图3 连续梁跨中截面弯矩对比图

图4 连续梁支座截面弯矩对比图

延性分析

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非线性延性指标


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非线性延性系数α=Δu /Δy式中,Δu、Δy分别为极限荷载和钢筋首屈服时对应的挠度(取两跨中的最大值)。延性分析见表3。

考虑非线性延性指标,参考对比梁的延性指标为5.28,当BFRP加固跨中三层纤维布时延性最佳,为5.33。且BFRP加固连续梁的延性指标,随着跨中粘贴量的增加,先增大再减小,BFRP跨中处粘贴四层BFRP时跨中钢筋并未达到屈服,且没有形成塑性铰,延性水平较低。而CFRP连续梁的延性指标,随着跨中处粘贴量的增加而减小。. x1 P6 b" D2 r+ F7 f3 R

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变形法


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采用变形法研究了连续梁的延性行为,由可变形性J因子表示试验梁的延性指标:J=(Mu×△u)/(M1×△1)。式中,Mu、M1分别为极限弯矩和混凝土压应变为0.0005时相对应的弯矩,△u、△1分别为极限曲率和混凝土压应变为0.0005时相对应的曲率。如图5所示。

4 K# }' A& H: {4 i5 D. [! g+ Q$ B

图5 试件跨中弯矩-挠度曲线

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考虑变形法,与加拿大高速公路桥梁设计规范(CSA 2014a)用于T形截面连续梁规定的最小延性系数6.0相比,梁B-B0、B-B1、B-B2都具有很好的延性水平,其中梁B-B2具有最高的J因子,为11.44。BFRP加固梁的变形性J因子要优于CFRP加固梁,且BFRP连续梁的J因子同样随着跨中处粘贴量的增加先增大再减小,可变性J因子分别为10.14、11.44、6.2和6.23,相应的弯矩调幅系数在支座屈服、跨中屈服时也是随着跨中处粘贴量的增加而减小;且跨中屈服、支座屈服时的弯矩重分布系数均超过了15%,有利于弯矩重分布发生。而CFRP连续梁的J因子随着跨中处粘贴量的增加而减小,梁B-C1、B-C2、B-C3的可变性J因子分别为6.2、5.34和3.53,表现出较差的延性,故CFRP粘贴量增加不利于弯矩重分布的发生。


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塑性能量法

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利用能量法分析T形截面混凝土连续梁的延性行为,即塑性能量比γ是非弹性能量与总能量的比值,其中总能量是荷载-挠度曲线关系。β=Ap /Aa式中,Ap为荷载-挠度曲线下方所包围的塑性变形面积;Aa为荷载-挠度曲线下方所包围的总面积(拟合曲线公式定积分计算所包围面积)。

7 h* `! p% `# Z5 f9 O* x

能量法延性指标γ分类:当β≥0.85试件呈延性;当0.80≤β<0.85试件呈半延性;当β<0.80试件呈脆性状态。相应的延性分析如表4所示。

考虑塑性能量法,梁B-B0、B-B1、B-B2、B-B3、B-C1表现出延性破坏特征,而梁B-B4、B-C2表现出半延性破坏特征,B-C3表现出脆性破坏特征。由于FRP外包加固连续梁,增强了对混凝土的约束力,改善了连续梁的能量吸收能力。另一方面,BFRP加固连续梁的延性行为,随着跨中加固量的增加基本无规律可循,延性指标依次为0.876、0.912、0.866、0.806,最大调幅系数依次为29.2%、38.4%、21.2%、21.0%。CFRP加固连续梁的延性行为随着跨中加固量的增加而减弱,且随着加固量的增加,BFRP加固后的延性比CFRP加固后的延性更好。

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图6 试件跨中荷载-挠度曲线


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从图6可知,各构件跨中荷载-挠度关系曲线在混凝土形成较宽裂缝后,在支座截面造成较大的转动,故其支座反力比在构件处于弹性阶段时要更高,弯矩分布表现为从正弯矩区向负弯矩区传递,一直持续到连续梁发生破坏。梁B-B1、B-B2、B-B3、B-B4、B-C1在跨中屈服、支座屈服时,其弯矩重分布系数分别为23.2%、29.5%、18.1%、17.2%、24.5%和29.2%、38.4%、21.2%、21.0%、36.4%,均出现超过15%的弯矩重分布系数达到极限荷载时,试验梁的弯矩重分布达到27.0%、28.0%、10.7%、8.5%、35.9%,可知随着跨中处GFRP加固粘贴量的增多,越有利于跨中处钢筋屈服、支座处钢筋屈服、极限破坏的弯矩重分布发生。但粘贴4层后,其跨中钢筋并未屈服,试验梁超筋破坏,不利于弯矩重分布的发生。梁B-B0、B-B1、B-C1在跨中屈服、支座屈服时的弯矩调幅系数分别为22.9%、23.2%、24.5%和13.7%、29.2%、36.4%,在极限状态时的弯矩调幅系数分别为11.7%、27.0%、35.9%,可知加固一层纤维布,比未加固更有利于发生弯矩重分布。梁B-C1、B-C2、B-C3(支座处未屈服)在跨中屈服时的弯矩调幅系数分别为24.5%、8.5%、13.5%,极限状态时的弯矩调幅系数分别为35.9%、12.8%、13.0%,可知随着跨中处CFRP加固量的增多,弯矩重分布能力逐渐减弱。

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加固后的混凝土抗弯性能

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采用FRP粘贴加固的方法,可有效提高既有混凝土连续受弯构件的抗弯性能。定量分析加固后的混凝土连续受弯构件弯矩重分布特征,对完善FRP加固受弯构件的设计方法非常重要。本文基于三种延性系数指标,表征了FRP加固混凝土连续梁的弯矩重分布能力,得到以下结论:


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当采用BFRP加固支座截面时,弯矩重分布现象在跨中屈服和支座屈服最为显著,当跨中截面纵向钢筋屈服时,B-B1~B-B4的支座调幅系数依次为-23.2%、-29.5%、-18.1%、-17.2%;支座钢筋屈服时,B-B1~B-B4的支座调幅系数依次为-29.2%、-38.4%、-21.2%、-21.0%;CFRP加固支座截面时,跨中截面屈服和支座截面屈服时的弯矩重分布能力,随着加固量的增加越来越弱。同等工况下(跨中和支座处加固量相同)加固一层FRP时,极限承载力提高10%以上,此时更有利于弯矩重分布的发生。

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基于非线性延性指标和变形法,各构件的延性系数指标随着跨中加固量的增加先增大再减小,其弯矩重分布能力随着跨中加固量的增加也先增大再减小。其中梁B-B2具有最高的J因子,为11.44。BFRP加固梁的变形J因子要优于CFRP加固梁,且BFRP加固连续梁的J因子,随着跨中处粘贴量的增加先增大再减小,而CFRP加固连续梁的J因子表现出的延性较差。


8 p( X3 D+ a6 t  W5 {; b' F4 B

基于能量法,BFRP加固后的连续梁塑性能量比,与未加固的连续梁相比,仍能表现出较好的延性水平(除梁B-B4外)。BFRP加固混凝土连续梁基本呈延性破坏,CFRP加固混凝土连续梁大部分延性破坏特征不明显。


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本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2019年 第1期 总第5期

作者 / 欧阳利军 颜飞 施鹏飞

作者单位 / 上海理工大学环境与建筑学院 同济大学桥梁工程系

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