碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析.pdf

第3 2 卷 ， 第3 期 2 0 1 1年 5月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI L W AY S CI E NCE V0 1 ． 3 2 No ． 3 M a y． 2 01 1 文章编号 ：1 0 0 1 — 4 6 3 2 ( 2 0 1 1 )0 3 — 0 0 2 7 — 0 6 碳纤维布加 固混凝土连续梁 塑性 性 能试 验及有 限元分析 程 东辉 ，易亚敏 ，王天峰 ( 东北林 业大学 土木工 程学院 ，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 ) 摘要 ：为研究碳纤维布加 固情 况下钢筋混凝 土连 续梁 的塑性 性能 ，制 作 了 3根 2跨连续 梁 ，对试 验梁跨 中控制截面采用碳纤维布进行加 固 ，通过试验梁 的每跨 三分点 的静 载试验 ，得 到 了试 验梁 在不 同受力 阶段的荷 载、裂缝 分布 、变形等试验数据 。基 于实测数据 ，利用 ANS YS有限元分析软件开展碳 纤维布加 固钢筋混凝土连 续 梁的有限元分析 ，得到钢筋应力 变化 、中支座控 制截 面挠度 变化 及各 特征时 刻的 承载力 等。结果表 明 ：利用 碳纤维 布加固混凝土连续梁并未 显著提高构件 弹性 状态 下的承 载力 ，而 对塑性 状态 下的极 限承载 力则有 明显提 高 ，且 加固后的连续梁呈现 明显 的内力重分布 。 关键词 ：钢筋混凝土连续 梁 ；加 固；碳纤维布 ；有 限元 分析 ；应力 ；承载力 ；挠度 中图分类号 ：TU3 7 5 ． 1 ：TU3 9 8 ． 2 ；TU3 1 2 ． 1 文献标识码 ：A 碳纤 维 布( C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r s h e e t ，C F RP )具有 轻质 、高强 、耐腐 蚀等 特点 ， 利用 C F RP布可 以对 混凝 土构件 进行 加 固处理 。 目前 国 内外研 究 机构 对 此 开展 了大 量 的 研 究 工 作 。其 中针对 C F RP布加固混凝 土受弯构件 的 研究主要集 中在简支构件方面，而对于混凝土连续 梁在加固后力学性能的研究开展得比较少 。本文通 过试验并辅以有限元分析 ，对混凝土连续梁加 固状 态下的塑性性能进行研究 。 1 试验方案 1 ． 1 试验梁设计 共设计 3 根 2 跨钢筋混凝 土连续梁 ，梁截面尺 寸均为 2 0 0 mm3 0 0 ram，混凝土强度等级为 C 4 O ， 中支座及跨 中处 的纵 向受力 钢筋 均采用 HR B 3 3 5 钢 ，箍筋采 用 HP B 2 3 5钢 。为 了充 分考 虑 C F R P 布的加 固作用 ，3根试验梁中支座及跨 中控制截面 的配筋率均较低，在跨 中及 中支座处均形成单筋截 面。试验梁跨度及配筋见表 1 。 1 。 2 试验 梁 的加 固 收稿 日期 基金项 目 作 者简介 ： 表 1 试验梁跨 度及 配筋 采用 C F RP布对试验梁跨 中进行加 固，加 固 用 C F R P布宽度为 2 0 0 mm。根据 《 碳纤维片材加 固混凝土结构技术规程 》( C E C S 1 4 6 ：2 0 0 3 )( 简称 加 固规程 》 ) 中 4 ． 3 ． 8中的相关规定 ，计算 C F R P 布的延伸长度 。各试验 梁的 C F R P布延 伸长度与 粘贴长度见表 2 。 表 2 试验梁单 跨 C F R P布粘贴长度 i n l n 按 照 《 加 固规 程 》 中的构 造 要 求 ，为 防止 C F RP布发生剥离破坏 ，在各跨跨 中 C F R P布延伸 长度端部分别设置宽 2 0 0 mm 的 u型 C F R P布箍 。 连续梁加 固后 的状态如 图 1所示 。 2 0 1 0 — 0 8 — 2 0 ；修 订 E l 期 ：2 0 1 I - 0 2 — 2 6 中央 高校专项基金资助项 目 ( DL 0 9 C B 0 4 ) ；黑龙江省 自然科学基金资助项 目 ( E 2 0 0 7 3 2 ) ；东 北林 业大学研 究生科技创新基 金 资助项 目 程东辉 ( 1 9 7 1 一 ) ，男 ，黑龙江哈尔滨人 ，副教授 ，博 士。 中国铁道科学 第 3 2 卷 冀 2 布 垩 (b ) 梁 跨 中 加 固 区 段 度 端 部 U 型 C F R P 布 箍 一 图 1 加 固后的试验梁 对试验梁采用分级加载 ，每级 1 0 k N。在中支 座控制截面混凝土开裂后采用每级 5 k N加载 ，直 至试验梁破坏 。 试验梁采用下列装置进行数据采集 ：在中支座 沿截面高度方向粘贴应变片 ，用以验证平截面假定 及计算截面转角；在中支座控制截面两侧的纵向受 力钢筋表面处，以 3 0 1 T l r f l 等间距各粘贴 l 5片钢筋 应变片，以测量试验梁达到极限状态下的塑 眭铰区 长度 ；在跨中加载点区段的受压区混凝土顶面，连 续粘贴混凝土应变片；在加载点区段纵向受拉钢筋 表面，等间距粘贴 5片应变片；试验梁的变形由跨 中处的位移计进行测量 。试验梁加载与测量装置布 置如图 2 所示。 ①钢筋应变片：②混凝土应变片；③拉杆传感器； ④分配梁；⑤拉压力传感器；⑥千斤顶；⑦反力梁：⑧百分表。 图 2 加载及测量方案 2 试验现象与结果 ( 1 )3根试验梁加载过程中，均呈现中支座控 制截面受拉钢筋先屈服、跨 中控制截面受拉钢筋后 屈服 、C F R P布被拉断的破坏形式 ，如图 3 所示 。 图 3 C F R P布被拉断 ( 2 )中支座控制截面承受的弯矩远大于跨中控 制截面弯矩 ，因此试验梁第 1 条裂缝均出现在中支 座截面附近。随着荷载增加 ，跨 中控制截面附近也 有裂缝出现。由于制作及加载误差，连续梁东西两 跨相继出现裂缝 。图 4为试验梁实测裂缝分布图。 ( c )L 3 - 2 C 图 4 试验梁实测裂缝分布图 ( 3 )混凝土开裂使截面刚度降低 ，由于东西 2 跨裂缝出现的时刻和扩展速度不同，导致东西 2 跨 跨中的变形不同步。图 5为连续梁东西 2 跨的实测 挠度 曲线 。 1 2 0 1 O 0 堇 8 0 耀6 O 4 0 2 0 0 l 2 0 1 0 O 重 8 0 挺6 0 4 0 2 O O 0 2 4 6 8 l O l 2 I 4 1 6 l 8 2 O 2 2 2 4 挠度／ m m ( a 】 东跨跨中 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 l 6 l 8 2 O 2 2 2 4 挠度／ m m ( b ) 西跨跨中 图 5 试验梁荷载一挠度曲线 ( 4 )在荷载作用下，当 3 根试验梁跨 中控制截 第 3 期 碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析 2 9 面纵向受 拉钢筋屈 服后 ，荷载增 量 由 C F RP布承 担 。当达到极限荷载时 ，试验梁发生较大变形 ，跨 中的 C F R P布被拉 断，而此时锚 固端 的 C F R P布 保持完好。 通过布置在支座下部的压力传感器可以获知支 反力随荷载的变化情况。图 6给出了 3根试验梁支 反力的实测值与弹性计算值比较。由图可知：自加 载开始直至中支座钢筋屈服前 ，试验梁各支座支反 力的弹性计算值与实测值吻合 良好 ，这表明此时的 试验梁还处于弹性 阶段 ；荷载继续加至中支座控制 截面纵 向受力钢筋屈服 ，此时支反力的弹性计算值 3 0 0 2 5 0 蚕2 o o l 5 0 1 0 0 5 O 0 3 0 0 2 5 0 五 2 0 0 1 5 0 l 0 0 5 0 O l O 2 0 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 l O 荷载／ k N ( a ) L1 — 1 A 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 荷载／ k N ( b )LI 一 3 B 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 荷载／ k N ( c )L 3 — 2 C 6 试验梁支反力实测值 与弹性计算值 比较 与实 测值 的关 系 曲线 开 始发 生偏 移 ，边 支座 支反 力 的弹性计算值逐渐小于实测值 ，而中支座支反力的 弹性计算值逐渐大于实测值 ，这说 明试验梁 已经开 始发 生 内力重 分布 ；进 一步加 载 至试验 梁跨 中控 制 截面钢筋屈服 ，各支座支反力实测值与计算值偏移 加大 ，这表明试验梁已经发生明显的内力重分布 。 3 有 限元分析 为了验证试验数据的准确性 ，同时也为了以后 进一步开展 C F RP布加 固混凝土连续 梁塑性性能 的研究 ，本文借助有限元软件 AN S YS开展 了这类 构件力学性能 的数值计算。 3 ． 1 单 元选 取 1 )混凝土单元 采用 ANS YS软件 中 S o l i d 6 5 ，可 以综 合考虑 包括塑性和徐变在内的材料非线性大位移引起的几 何非线性、混凝土开裂及压碎引起的非线性等。用 实体单元 S o l i d 6 5 特有 的 c o n c r e t e 模型定义混凝 土 强度准则 ，并关闭混凝 土压碎特性 。混凝土单元的 本构关系通过输入数据表形式 自行输入能够反映混 凝土材料性质的应力一应变关系曲线。此外还采用 了 Wi l l a m- Wa r n k e 5 单元参数破坏准则。 2 )钢筋及支座 钢筋采用 L i n k 8单元类型，应力一应变关系为 理想弹塑性模型。支座选用 S o l i d 4 5单元模型 。 3 )C F R P布单元 采用 s h e l l 4 1 膜单元 。该单元 只能承受拉力作 用 ，没有抗 弯、抗压 能力 ，符合 C F R P布在 构件 中的受力状况 。C F R P布的应力应变关系采用理 想弹性模型。 3 ． 2 有 限元模 型 的建 立 利用分离式模型一位移协调法研究钢筋混凝 土间的相互作用 。C F RP布与混凝土间采用公用节 点方法 ，将梁底面定义为 C F R P布，并给出参数 。 对支座处梁截 面各节点进行约束 ，以定义各支座 。 为减少计算量，取梁体的一半进行建模计算 。有限 元模型如图 7 所示。 采用完全的 Ne wt o n — Ra p h s o n迭代法求解 。打 开 自动 时间步 长，用 C n v t o l 命 令 调整 收敛 精度 ， 加速收敛 ，以减少计算时间。收敛精度取 0 ． 1 。 3 ． 3 有 限元计 算结 果分 析 3 ． 3 ． 1 钢 筋应 力 变化 鉴于仿真模型的对称性 ，取连续梁 I 1 — 1 A的 1 ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 7 I ) 似 中国铁道科学 第 3 2 卷 ( a ) 实体模型 ( b ) 钢筋骨架及CF R P 布单元 图 7 有限元模型 跨为研究对象，分 析各 阶段钢筋应力的变化情况 ， 如图 8 所示 。由图可知 ：当中支座负弯矩区钢筋应 力达到抗拉屈服强度时 ，跨中纵向受力钢筋的应力 远未达到抗拉屈服强度 ；随着荷载增加 ，中支座钢 筋屈服区域增大 ，直 至跨 中控制截面处的钢筋屈 服 ；当继续加大荷载直至跨 中受压 区混凝土达到极 限压应变时 ，如图 8( b )所示 ，可 以看 出，中支 座钢筋屈服区域较大。 3 ． 3 ． 2 跨 中控制截面挠度变化 仍取试验梁 L 1 — 1 A 的 l 跨为例给 出各受力 阶 段试验梁跨中控制截面处的挠度变化情况，如图 9 所示 。由图 9( a )可知：中支座混凝土 的开裂对 跨中挠度变化的影响并不大 ；当荷载增加至中支座 负弯矩 区钢筋屈服时 ，由于试验梁持续的内力重分 布 ，使跨中承担的荷载不断增加 ，随之引起跨中挠 度不断增大，如图 9( b )所示 ；荷 载继续增至跨 中纵向受力钢筋屈服 ，此时跨 中的挠度变化更加显 著，如图 9( c )所示。 以数值分析数据和试验实测数据为基础 ，绘制 连续梁 L 1 — 1 A单跨跨 中控制截 面处 的荷载一挠度 曲线 ，如图 1 0所示 。由图可知：无论连续梁处 于 弹性工作状态还是进入塑性工作状态 ，数值分析结 ( a ) L 1 一 l A中支座钢筋屈服时刻钢筋应力图 ( b ) L 1 ． I A 跨中混凝土达到极限压应变时刻钢筋应力图 图 8 各特征时刻 L 1 — 1 A的钢筋应力图 果与试验结果均吻合较好 ，说明利用 ANS Y S软件 分析 C F R P布加 固混凝土连续梁 的荷载一挠度关 系是 比较准确的。当连续梁形成破坏机构、跨中受 压区混凝土接近极限压应变时，实测曲线与计算曲 线间出现了一定偏差 ，但偏差幅度不大。 3 ． 3 ． 3 内力 重分布状 况 表 3给出了 3根试验梁在各特征时刻的承载力 实测值和计算值。由实测值可以看出：3根连续梁 中内力重分布最大 的是 L 2 — 3 B，重 分布幅度达到 1 0 0 9 ／ 6 ；最小 的为 L 1 — 1 A，重 分 布 幅度 为 6 7 。 ANS Y S软件 的计算结果表明：连续梁 L 2 — 3 B的内 力重分布幅度为 1 1 1 ，连续梁 L I - 1 A的内力重分 布幅度为 5 6 ． 7 。实测和计算结果均表明，利用 C F RP布加固后 ，混凝土连续梁内力重分布幅度较 大 ，并且呈现出较好的塑性性能。 4 结论 ( 1 )在配筋适当条件下 ，加固后的连续梁能够 实现中支座钢筋先屈服 、跨中钢筋后屈服、C F RP 第 3 期 碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析 3 l ( a 1 中支 座混 凝土 开裂 时刻 跨 中挠度 图 ( b ) 中支座钢筋屈服时刻跨中挠度图 E 1 ] [ 2] [ 3] ( c ) 跨巾钢筋屈服时刻挠度图 图 9 L 1 — 1 A各 受力 阶段 跨中挠度图 图 l O L1 — 1 A单跨跨 中挠度实测值与计算值 比较 表 3 各特征时刻试验梁承载力 实测值与计算值 布被拉断、最后受压区混凝土达到极限压应变的破 坏形态 。 ( 2 )钢筋混凝 土连续 梁跨 中用 C F R P布加 固 后 ，对中支座纵 向受拉钢筋屈服时刻的承载力提高 幅度不大，但能够明显提高试验梁的极限承载力。 ( 3 )由于 C F RP布加 固混凝 土连续 梁的极 限 承载力明显提高 ，使得连续梁的内力重分布幅度较 大 ，呈现出较好的塑性性能。 ( 4 )由于 C F RP布加 固混凝 土连续 梁的塑性 性能受诸多因素的影响，有关内力重分布幅度 、等 效塑性铰区长度等问题 的计算方法 ，仍需开展更深 入的研究工作 。 参 考 文 献 程 东辉 ， 郑文忠．无粘结 C F RP筋 部分 预应力 混凝 土简支 梁试验 与分析 E J ] ．中国铁道科学 ， 2 0 0 8 ，2 9( 2 ) ：5 9 — 6 6． ( CHENG Do n g h u i 。ZHENG We n z h o n g ．Te s t a n d Re s e a r c h o f S i mp l y S u p p o r t e d B e a m Pa r t i a l l y Pr e s t r e s s e d wi t h Un b o n d e d CF RP Te n d o n l J 1． Ch i n a Ra i l wa y S c i e n c e ，2 0 0 8，2 9 ( 2 )：5 9 — 6 6 ． i n Ch i n e s e ) 陆洲导， 谢群， 何海．碳纤维布加固钢筋混凝土连续梁受弯性能试验研究 E J ] ．建筑结构，2 0 0 5 ，3 5( 3 ) ：3 3 — 3 5 ． ( L U Z h o u d a o ，XI E Qu n，HE Ha i ．Te s t o n Fl e x u r a l Be h a v i o r o f Co n t i n u o u s Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a m S t r e n g t h e n e d w i t h C F R P 【 J 1．B u i l d i n g S t r u c t u r e ， 2 0 0 5 ，3 5( 3 ) ：3 3 — 3 5 ．i n C h i n e s e ) 何海， 陆洲导，姜安庆．C F R P加固对钢筋混凝土连续梁受力影响的初探 E J ] ．四川建筑科学研究 ， 2 0 0 4 ，3 0( 1 ) ： ∞ ∞ ∞ 加 如 加 0 N ) 撂 3 2 中国铁道科学 第 3 z卷 [4] [5 ] [6] [7 ] [8] [9] Do ] 57 ． ( HE Ha i 。LU Z h o u d a o，J I ANG An q i n g ．Me c h a n i c s Effe c t i o n o f RC C o n t i n u o u s B e a m S t r e n g t h e n e d b y C a r b o n Fi b e r R e i n f o r c ed P l a s t i c( C F RP )E J ] ．S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e ， 2 0 0 4 ，3 0( 1 ) ：5 7 — 5 8 ．i n C h i n e s e ) 冯鹏， 叶列平．F I 结构和 F R P组合结构在结构工程中的应用和发展 E c ]／ ／ 第 2 届全国土木工程用纤维增强复 合材料 ( F R P )应用技术学术会论文集．北京：清华大学出版社， 2 0 0 2 ． 周光辉，马卫群．F R P片材加 固钢筋混凝土连续梁试验研究 [ J ] ．湖南城市学院学报：自然科学版， 2 0 0 4 ，1 3 ( 3 ) ：4 — 6 ． ( ZHOU Gu a n g h u i ， M A W e i q u r h E x p e r i me n t S t u d y O i l RC C o n t i n u o u s Be a ms S t r e n g t h e n e d wi t h F RP La m i n a t e s [ J ] ．J o u r n a l o f Hu n a n C i t y Un i v e r s i t y ：N a t u r a l S c i e n c e ，2 0 0 4 ，1 3( 3 ) ：4 - 6 ．i n C h i n e s e ) 岳清瑞，陈小兵，牟宏远．碳纤维材料 ( C F RP )加固修补混凝土结构新技术 [ J ] ．工业建筑，1 9 9 8 ，2 8( 1 1 ) ：1 — 5。 3 4 ． ( YUE Qi ng r u i ，CHEN Xi a o b i n g， MU Ho n g y u a m S t r e n g t h e n i n g R e p a i r i n g& C o n c r e t e S t r u c t u r e s I- J ] ． n e s e ． ) Ne w Te c h n o l o g y o f Ca r b o n Fi b e r Re i n f o r c e d P l a s t i c s o n I n d u s t r i a 1 C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 8，2 8 ( 1 1 ) ： 1 - 5 ，3 4 ． i n Ch i - EL - REF AI E，AS HOUR S A ，GARRI TY A F，e t a 1 ．S t r e n g t h e n i n g o f Co n t i n u o u s Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms Us i n g C a r b o n F i b e r - R e i n f o r c e d P o l y me r S h e e t s I- J ] ．AC I S t r u c t u r a l J o u r n a l ，2 0 0 3 ，1 0 0( 4 ) ：4 4 6 — 4 5 3 ． HAMI D R，AI I A N H．C o n c r e t e B e a ms S t r e n g t h e n e d w i t h E x t e r n a l l y B o n d e d F R P P l a t e s[ J ] ．J o u r n a l o f Comp o s — i t e s f o r Co n s t r u c t i o n，2 0 0 1 ，5 ( 1 ) ：4 4 — 5 6 ． THA NAS I S C T ． S h e a r S t r e n g t h e n i n g o f R e i n f o r c e d Co n c r e t e B e a ms Us i n g E p o x y - B o n d e d F R P C o mp o s i t e s[ J ] ． ACI S t r u c t u r a l J o u r n a l ，1 9 9 8，9 5 ( Z ) ：1 0 7 — 1 1 5 ． EI - MI HI LMY M T，TEDES C O J w_An a l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e B e a ms S t r e n g t h e n e d wi t h H L a mi n a t e s F J ] ．J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 0( 6 ) ： 6 8 4 — 6 9 1 ． Pl a s t i c Pe r f o r ma n c e Te s t a n d Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o n t h e Co nc r e t e Co n t i nu o u s Be a ms S t r e ng t h e ne d wi t h CFRP S h e e t s CHENG Do n g h u i ，YI Ya mi n，W ANG Ti a n f e n g ( S c h o o l o f C i v i l E ngi n e e r i n g ， No r t h e a s t F o r e s t r y Un i v e r s i t y ，Ha r b i n He i l o n g j i a n g 1 5 0 0 4 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o s t u d y t h e p l a s t i c p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h CF RP s h e e t s ，t h r e e t wo - s p a n c o n t i n u o u s b e a ms we r e f a b r i c a t e d a n d t h e c o n t r o l s e c t i o n s i n t h e mi d — s p a n o f t h e t e s t b e a ms we r e s t r e n g t h e n e d wi t h CF RP s h e e t s ．S t a t i c t e s t wa s c a r r i e d o u t o n t h e t e s t b e a ms wi t h t wo - p o i n t l o a d i n g t y p e ． Th e t e s t d a t a s u c h a s l o a d，c r a c k d i s t r i b u t i o n a n d d e f o r ma t i o n we r e o b t a i n e d i n d i f f e r e n t l o a d i n g s t a g e s ． B a s e d o n t h e t e s t d a t a ，t h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n t h e c o n t i n u o u s b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h CFRP s h e e t s wa s c a r r i e d o u t b y ANS YS s o f t wa r e ．Th e v a r i a t i o n s f o r s t e e l s t r e s s a n d d e f l e c t i o n o f c o n t r o l s e c t i o n i n t h e i n t e r me d i a t e s u p p o r t a s we l l a s t h e b e a r i n g c a p a c i t y i n d i f f e r e n t s t a g e s we r e o b t a i n e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e c o n t i n u o u s b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h C FRP s h e e t s h a s n o t b e e n d i s t i n c t l y i mp r o v e d u n d e r e l a s t i c s t a t e wh i l e t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y h a s b e a n s i g n i f i e a n t l y i n c r e a s e d u n d e r p l a s t i c s t a t e ， a n d t h e c o n t i n u o u s b e a ms d i s p l a y s i n t e r n a l f o r c e r e d i s t r i b u — t i o n o b v i o u s l y ． Ke y wo r d s ：Re i n f o r c e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a m； St r e s s ；Be a r i ng c a p a c i t y；De f l e c t i o n Re i n f o r c e me n t ；CF RP s h e e t ；F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ； ( 责任编辑阳建鸣)