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钢筋混凝土梁抗弯加固中碳纤维的应用前提和使用面积的研究

钢筋混凝土梁抗弯加固中碳纤维的应用

前提和使用面积的研究

张岩陈道政

(合肥工业大学土木建筑工程学院合肥230009)

摘要：碳纤维布加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法。根据平截面假定和力的平衡关系提出了混凝土梁抗弯加固中碳纤维的应用前提；根据界限破坏模式和延性问题提出了双筋矩形截面粱的最大和最小碳纤维布使用面积的计算方法，并给出相应的计算公式。结果可供碳纤维布加固工程设计参考。

关键词：碳纤维布(C FRP)R C梁抗弯加固抗弯承载力

s T U D Y O N T H E A SSU M PT I oN A N D T H E C oN SU M PT I O N0F C F R P SH E E T S

I N S T R E N G TH E N I N GoF R C B E A M S

Z han g Y an

C he n

D aozheng

(Col l e ge of C i vi l Engi ne e ri ng，H e f ei U ni ver s i t y of T echnol ogy H ef ei230009)

A b st r act：I t i s a s or t of new—s t yl e s t r engt he ni ng m et hod t o s t r engt hen t he R C beam s w i t h c ar bo n f i be r

r e i nf or ce d pol ym er s．B as ed o n s upposi t j on of pl a ne se ct i on and bal ancc of forc es，t he as sum pt i on of C FR P i n t he s t r engt he ni ng of R C beam s l s pr o posed．A cco r di ng t o t he1i m i t f ai l ur e m ode and duct m t y，t he m axi m um

C FR P ar ea and m i ni m um C FR P ar e a of doubl e t endo n re ct angul a r bea m a r e gi ven，a nd t he ca l cuI at i o n f om ul as

w er e pr op ose d．T h e r esu l t s pr ovi de t he。ret i cal ba si s f or de s i gn of s t r e n gt h e ni ng w i t h C F R P．

K eyw or ds：C FR P sh eet s f l ex ur al s t r engt he ni ng of R C bea m f l ex ur al10a d—c a rr yi ng ca pac i t y 碳纤维材料具有施工方便、耐腐蚀、质量轻、强

度高、不减少梁下净空并可以在较少或不影响既有

结构使用的情况下进行施工等一系列优点而被应用

到混凝土结构加固中。但不是在任何情况下都可以

进行加固(如梁高很小时)，更不是加固粘贴的碳纤

维布层数越多越好[1]。目前对钢筋凝土梁的抗弯加

固中碳纤维的应用前提和合理使用面积的研究甚

少，本文针对这两个问题从公式的推导进行了分析和研究，并提出了相应的计算公式及应用条件。

1碳纤维加固混凝土梁的应用前提

对于普通钢筋混凝土梁，其极限状态如图1所示[2]，由平截面假定和力的平衡关系可得出：M。。l一^胁3岛1(1一O．5岛1)(1) ^矾。矗l=，，A。(2)

由式(1)、式(2)可知，如果在不增大梁的截面情况下，提高梁的抗弯承载力，其实质是增大钢筋混凝土梁的受压区高度。因此，当原梁的相对受压区高度在一定范围内是使用碳纤维加固梁法的应1006I nd ust r i al C onst ruc t i on V01．38，S uppl e m e nt，2008

图1普通混凝土受弯构件正截面承载力计算筒图

用前提。碳纤维的极限应变与钢筋的极限应变很接近，可以认为当加固后的梁达到抗弯极限承载能力状态时的相对受压区高度为矗，设口M一△M／M。。，，其中△M—M—M。。，，M。。为原来梁的极限承载能力，M为包括新增荷载的弯矩设计值，且口。不宜大于O．4，所以

畿≥訾口”+

第一作者：张岩女1982年1月出生硕士

收稿日期：z007一07～z4

工业建筑2008年第38卷增刊

脯：黠慧糍≥计，㈣

假定!竽≈1．05，由式(3)有1．1氕(1一o．5矗)

≥(口^f+1)(岛1一o．5岛1)

解方程有

厂———■广百—————————一

矗≤1一√1一i}南＆(1—0‘5氛)(4)

式中岛：——加固前梁的相对受压区高度；

&——梁的钢筋破坏界限相对受压区高

度，按G B50010[司规定计算；

^。，，^。：——分别为加固前和加固后梁的有效

高度；

^——混凝土轴心抗压强度设计值，一

般由实测经计算得到。

当加固前梁的相对受压区高度满足式(4)时，则可以认为是选择碳纤维加固方法的适宜前提。

2碳纤维布截面面积分析

2．1基本假定

1)加固后梁符合平截面假定H]；

2)混凝土开裂后不考虑受拉混凝土的作用；

3)不考虑钢筋与混凝土之间的滑移；

4)钢筋、混凝土、碳纤维板的应力应变关系按规范取用口。1；

5)分析时，仅考虑混凝土被压碎、钢筋屈服和碳纤维布被拉断两种破坏形式。

2．2极限弯矩与碳纤维板面积的关系

外贴碳纤维布抗弯进行加固补强时，在确保加固梁不发生粘结剥离破坏和受剪破坏的条件下，设计极限状态控制为：当正截面内受拉纵向钢筋达到屈服状态时，受压纵向钢筋屈服，受压区混凝土应力达到弯曲抗压极限强度，同时碳纤维布达到其允许拉应力[e。r]。这种平衡状态时，3种材料性能都能得到充分利用。此时的应力、应变简图如图2所示，图中A，和^分别表示碳纤维布的面积和拉应力。

L“一

图2截面应变和应力分布

根琚{j争力半衡条件口J碍：

∑x—o口t工k。+A。，，’一A。厶+A e^

(5)

∑M c—o

M u—A s L(卜竽)+蛳(^一警)

十蚶，，(警～∥)㈣由式(5)和式(6)可得

M。一愚l A；+愚2A f+愚3(7)

式中：志t一一曷南

驴^^+丛铲；愚。一A，厶^。一A，，，，n。一生垒』铲。

令△=磋一4五1志3>o；争

庀1

因此可知，式(7)必有两个不相等的根，并一正一债，舍去债值，可得到M t．一A，曲线见图3。

虬～

图3极限弯矩与碳纤维布面积的关系

从图3可见：当A r—A fo时，即极限破坏时，加固梁能承受的弯矩M u最大。

～一f函。j广A s'；一A。f，

“m一

，f

M u．。。=惫。一．鲁

工士K l

2．3碳纤维布最小设计面积

从2．2节可知，加固碳纤维板面积在o～A r。间都能提高梁的极限承载力，但为了避免碳纤维的使用量过低而造成碳纤维布的拉断，就要确定碳纤维布的最小使用量。补强的设计原则应遵守当受压区混凝土压碎时，外贴碳纤维布也刚好达到其极限应变，此时碳纤维布的用量最小。由式(5)可得

A…一吐鱼堕≤蜒王尘五(8)

^f，m in一——————————7————————一＼o，

J f

式中：z。一—卑_％；，f—E f￡fu(E f为碳纤维

e cu1_e

f u

布的弹性模量)。

】007

梁的极限抗弯承载力为

M u—M(卜雩)+蚶V，(竽一d)+

^A‰i。f^。一塑导1(9)

＼厶，

2．4碳纤维布最大设计面积

采用外贴碳纤维布加固受弯混凝土粱，有可能削弱原来梁的延性，对延性损失较大的梁的截面必须进行处理。为了维持足够的延性，在结构达到极限破坏状态，即混凝土被压碎或碳纤维破坏时，构件中受拉钢筋的应变至少达到o．005，受压钢筋的应变要达到o．002，钢筋达到这样的水平，就认为可获得足够的延性。为了保证加固梁有足够的延性，必须保证在梁被破坏时，受拉钢筋的应变e。≥o．005，受压钢筋的应变￡a7≥o．002。

由式(5)可得

A…一塑盖亟±髦型生—：出垒(10)

^f，m x一———————1_———————一＼』V／

L|￡|

式中油一j％‰et一(舞)㈧一

e ct I1～e

f u、no—zo，o．005；岛’一0．o。2(￡f为碳纤维布的应变)。

梁的极限抗弯承载力为

M u—E。e。A。f^。一塑：导1+

＼6，

E f e f A f'一x(^一竽)+跣As，(警一∥)

(11)