邹雪文 翻译.pdf

Journal of Constructional Steel Research 66 2010 1081 1087 内容列表 钢结构研究杂志 通过各种电镀方法强化钢 混凝土组合梁的抗弯性能 H E M Sallama 1 A A M Badawyb A M Sabab F A Mikhailb a b 文明设计部门 Jazan Univ Jazan 706 沙特阿拉伯 材料工程部门 Zagazig 大学 Zagazig 44519 Egypt 文章信息摘要 文章历史 文章历史 2009 9 11发表 2010 3 4公认 关键词关键词 强化 钢 混凝土组合梁 焊接 铸合板 碳纤维布 电气应变测量仪 1 介绍介绍 通过研究胶和结构的碳纤维布 CFRP 或焊接 铸合钢板 了解初级分离对强化钢 混凝土 组合梁抗弯性能的影响 至于通过碳纤维布强化 两个不同的连接模式 即 碳纤维布围裹 在工字梁的翼缘和碳纤维布围裹在连同部分网的边缘 检查通过测试四种不同钢 混凝土组合 强化梁的四点弯曲 4PB 通过完全粘结碳纤维布的两个不同模式 二分之一的梁被强化了 其他的类似 但在下翼缘的底部表面有50毫米长 边缘宽度的初级剥离面积 至于通过钢 板强化 对于梁的下表面 钢板有三个不同的连接模式 即 间断焊接 端部焊接 和铸合 焊接钢板 也进行了4PB测试 实验的结果表明 通过 CFRP 对于所有的强化梁 在下翼缘发生屈服之前没有中间剥离 现象的增长 屈服后 比起这些由于快速增长的中间剥离而完全粘结的梁 初级剥离面积显示 下翼缘的抗弯承载力 在另一方面 有不同弹性刚度的焊接钢板的三种不同模式之间屈服荷载 是不同的 2010 Elsevier Ltd All rights reserved 钢 混凝土组合梁作为弯曲中的主要元素而广泛应用于桥梁和 房屋建设中 广泛应用于钢 混凝土组合梁的桥梁和作为主要的结 构元件在挠曲的建筑施工 钢 混凝土组合梁的承载能力改善由环 氧树脂粘结的纤维增强聚合物 FRP 层压板张力法兰 碳纤维增强 聚合物 CFRP 对加强和维修由于具有较高的强度重量比具有很大 的潜力 耐腐蚀钢桥面主梁性和较高的抗疲劳性能 1 4 脱粘发生 在FRP加强高应力集中的区域 这往往是相关联的与材料的不连续 性 并与存在的裂纹 脱粘应力集中开始传播路径的弹性和强度特 性的依赖于维修和基板材料以及它们的界面断裂 5 由于混凝土的 脆性性质主要有四个钢筋混凝土梁的剥离破坏模式加强与粘结板 片 Corresponding author E mail address hem sallam H E M Sallam 1 On sabbatical leave from Materials Engineering Department Zagazig Univ Zagazig 44519 Egypt 0143 974X see front matter 2010 Elsevier Ltd All rights reserved doi 10 1016 j jcsr 2010 03 005 即混凝土保护层厚度分离 板端剥离 乙级关键斜裂缝 CDC 剥离 中间裂纹 IC 诱导的剥离 6 8 另一方面 主要有两种剥离破坏钢中的模式I 梁的抗弯粘结扳 片材中间 剥离由于屈服型钢翼缘板端剥离 9 11 Choudhary 12 研究 了在弯曲行为的变化的CFRP层压板粘结到钢梁由于存在结 束时的叠层体的表面缺陷 12 减少表面缺陷的存在下 在 板端显着的保税碳纤维复合材料层压板的效率 对最高学识 的作者 这项研究是首次研究了中间脱粘区域的结构中的效 果加强钢梁的行为 因此 本研究的目标是研究钢 混凝土 组合梁的中间剥离加强与CFRP的增长行为 为了探讨这一 理念 弯曲加强与钢 混凝土组合梁的行为各种方法的安装 外部钢板 即端焊接 不连续焊接 粘接 焊接 进行了比较 1082 a H E M Sallam et al Journal of Constructional Steel Research 66 2010 1081 1087 Fig 1 I beam after welding two rows of shear stud and cross section dimensions b Fig 2 a Form work and steel reinforcement b Placing of concrete and compaction using mechanical vibrator 2 电应变计测量的可靠性 在电应变计测量的基础上 Schnerch和Rizkalla 13 发现加 大中性轴的距离后张力有所下降 他们将这种现象归因于在钢 梁和CFRP间由于粘合剂柔软性产生的强化带的部分剪切滞后效 应 然而 Sallam 14 将这种差异归因于位置和使用的不同的应 变仪 Schnerch和Rizkalla 15 将超屈服应变归因于使用应变仪 的短量规长度和相对于恒定力矩区域链轨定位两的碎料铰链确切 位置 Dawood和Rizkalla 16 的报道根据其修改的几何形状 在粘 合的板的两端将显着增加粘合剂的的粘结强度电气应变计测量 梁800 T2中所观察到的最大剪切应力的增加可能是由于应变的粘 接剂的影响的位置处的压力表的不连续性 然而 得到的数值结 果由Seleem等 9 给出了另一种可以接受的解释是剪切应力的拼 接板的两端处的粘合剂层的扩展 光束800 T2 的减小 而实验 工作 16 再编码在两端的最大剪切应力拼接板 请参阅图4 b 参考文献 9 剪切应力的绝对值预测数值拼接板的两端处的两 束光 800 S和800 T2 是相同的 而相应的实验测量光束800 T2 的绝对值之间的差异大于超过40 因此 逆转 从峰值剪切应 力锥板端不吃亏 即裂纹萌生的最喜欢的网站剥离 10 有几种论文 17 20 测定了在I 梁下部凸缘间应变加强的现象 根据他们的柔性 他们发现 电应变仪的读数几乎不变 而负载 继续增加 许多这些论文的作者试图解释这种现象 例如Shaat 19 解释了这种现象的发生是由于混凝土板和钢梁之间有轻微的 相对滑移 Dawood 7 对这种现象的解释是由于高含量的残余应 力或可能由于梁凸缘的的张力由于网络的侧向屈曲或本地不稳定 的横向运动 或由于这些因素的组合的局部效应 这是值得大家 注意的是 Dawood 的平均应变的PI计测量一个在相同的位置测 量 并没有如负荷载表现出同样的行为和 负荷挠曲信封遵循相同 的趋势 因此 本工作的目标之一是集中在下法兰上的电气应变计 读数 3 实验方案 3 1 标本的细节和材料特性 总共有八个相同的钢 混凝土组合梁 每片梁由一个标准的工 字钢的尺寸为16 tw 6 3 mm tf 9 5 mm b 74 mm h 160 mm 连接到一个钢筋混凝土楼板 500毫米宽100毫米厚 转换为与钢梁 复合 加载的所有梁跨度为1800毫米 两个纵向排焊接到钢梁的上 翼缘的剪力钉 直径12毫米和50毫米的高度 被用来作为抗剪切连 接件之间的混凝土板和钢梁 作为示于图 1 混凝土板的加强使 用两层12毫米钢筋 每一层包括四根在纵向方向和横向方向 20根 放置好后 浇筑混凝土 压实混凝土并最终完成的表面 如图2所示 混凝土拌合料的目的是在28天后得到的压缩强度为40兆帕 工字钢 翼缘和腹板 钢板 钢螺栓和钢条测得的机械性能在表1中给出 极限粘结研究选择的是加强制度钢板 60毫米宽6毫米X厚度1700毫 米长 高强度CFRP Sikawrap Hex r 230 C 所使用的碳纤维片材 的性能列于表2 sikadur 30粘合剂用于粘合钢板和mbrace的饱和剂 BASF 被用于接合CFRP的底部凸缘的光束 八件130X60X 50 毫米木块被切割和紧密配合的凸缘之间使用粘结楔在支持和加载点下 以防止在网络瘫痪如由Tavakkolizadeh和Saadatmanesh 1 的建议 这是一个众所周知的事实 网络元素的钢构件可能瘫痪 受到局部集 中荷载 21 的扣或收益 3 2 调查梁 个光束被测试为未加固控制束 CB 加强梁被分成两组 第 一组包括三个组合梁钢加强板使用三种不同的附件模式连接到I 梁 Table 1 陈旧钢铁材料的他特性 H E M Sallam et al Journal of Constructional Steel Research 66 2010 1081 10871083 元素特性 初始应力 MPa最终应力 MPa I 梁 钢板 剪力钉 钢束 Flange Web 6 mm thickness 12 mm diameter 12 mm diameter 330 7 422 7 315 390 575 2 460 5 498 55 455 636 5 727 a b c 图图 3 被加强的横梁的紧张边缘的最后的脸 a DW b EW 和 c BW 图图 4 CFRP 单子环绕紧张边缘对齐和部分网 横梁 Cfweb Table 2 The properties of the used high strength CFRP sheets as reported by manufacture Tensile strength Tensile E modulus Strain at break Design thickness Density 缘的底表面上如图3所示 第一片梁 扳一片 梁 该板安装在与腿的焊缝长度为350毫 射 束DW 由马蹄形不连续焊接的板的两端 第 二片梁 该板只附着由马蹄形焊接在类似前一 个 束EW 的两个端部 在第三光束中 该 板安装结束焊接相似 但之后 键合板用粘接 材料 光束BW 4100 MPa 231 GPa 1 7 0 12 mm 1 78 g cm3 第二组包括4个组合梁的强度使用两种不同的依附模式研 究中间剥离的效果 在每个附件与碳纤维布 第一片梁 加强 了绕过张紧凸缘 CFFL 仅使用两个层粘结CFRP片材包装 第二片梁 加强周围的张力使用两个层粘结CFRP片材包装凸缘沿与 在网络的一部分 50毫米长 在其两个的两侧 CFweb 如图1 所示其他两个梁的CFFL D和CFweb的 D加强束CFFL CFweb的 强度相似 但是 与人工脱粘 50毫米长度的凸缘宽度 的底 面之间的钢法兰和第一层的碳纤维布在跨中梁采用了一块绝缘纸 具有纤维垂直的波束轴缠绕张力凸缘和在网络的一部分的宽度为 150毫米的碳纤维布的一个层使用锚固CFRP片材 在其端部和下 方的负载 即束带CFRP片材 加强梁在抗弯上设计失败 H E M Sallam 等等 Constructional 斯梯尔 Research 的杂志 66 2010 年 1081 1087 图5 控制横梁的故障模 式 基于设计模型的垂直切变提出的简支组合梁的强度等 22 加固梁的极限载荷不超过控制梁的抗剪承载力的90 3 3 钢梁表面防护和加强系统 为了确保牢固的粘结力 表面使用钢刷打磨 每个钢梁 直到金属表面呈现白色 用气刷清除所有灰尘 在安装前使 用丙酮来清洁材料表面 然后 加强系统安装的应用分两 个部分 使用电动搅拌机搅拌环氧树脂 BASF 约三分钟 环氧树脂制备的光束直接施加到表面采用刷 织物被小心地 放置到树脂涂布在所需的方向上 然后被按下紧紧地消除任 何违规或气泡 直到树脂挤出之间的粗纱织物 额外的环氧 树脂以前的应用程序后立即施加树脂层 作为第一个第二层 施加 在的情况下BW梁 Sikadur 30胶粘剂环氧准备钢板 环氧树脂粘接首先应用于整个钢板后 经过48小时 焊接端 锚具 腿焊接长度为350毫米 进行 在这样的情况下 产 生的热量由于焊接在板端会影响附近的焊接线的粘接剂 然而 这种效果是边缘的板端锚具的效率 对于焊接梁 I 梁 的表面清洁和钢板焊接 如图3所示 3 4 测试设置 简支梁跨度为1800毫米 100毫米的悬在每个支承和四点下 测试加载与500毫米之间的间距的两个浓缩点荷载 负载采 用了5000千牛 吨油压缸机的工作负荷控制在一个恒定的负载 率等于0 5千牛 秒 为了观察到的行为的光束根据调查 应 变 载荷和变形进行测量在所希望的位置 使用不同的测量 设备收集的数据 在钢中的菌株使用电测量电阻应变仪 10 毫米 KFG 10 120 C1 11L1M2R 三应变计坚持其底部的 脸 他们两个人放置在中间跨度 和第三个被放置在一个两 个负载点 第一应变仪是设在中跨下的网络 MS 网络 第 二应变仪位于跨中下法兰 MS 法兰 第三一个位于下方的 网络下的两个点之一负载应用程序 UL WEB 这种应变计 的读数显示效果的剪力滞的屈服点开始 然而 在顶部的混 凝土板的张力测定 图图6 控制横梁的负荷 tensile 的类型行为 使用两个LVDT测量仪 25毫米 放置在混凝土桥面梁的中间跨 度 其中一个放置在中间宽度和其他边缘的混凝土 在50毫米从 测量的光束的任何失真 的束的垂直偏转使用两个LVDT压力表 50毫米 置于测量在跨距中点 并在负载点的Web 应变数据压 力表 LVDT的自动记录和负载细胞使用数据记录器记录读数 秒 4 结果与讨论结果与讨论 4 1 控制光束 控制光束的行为产生的线弹性在负荷紧张法兰等于238 kN和 相应的偏转在中间跨度的时间是4毫米 然后可塑性发生生长中的 下凸缘 使得负载挠度曲线的非线性的 直到所施加的负载等于 464 kN和相应的在跨中偏转等于24毫米 在这之后的偏转增加没 有显着变化的负载的偏转等于至32毫米 那么 负载下降用混凝土 破碎靠近负载位置之一 如图5显示了这个延性破坏模式控制光束 负载与控制束的拉伸应变曲线这三个位置的测量 MS MS 法兰网 络 和UL 网络 所示的其下凸缘的底面如图6所示 据观察所得的 收率开始在三个位置在同一时间 因此 有一个可以忽略不计的剪 切效果滞后 正如预期的那样 不可靠的荷载 应变行为屈服后 三电应变读数仪表几乎不变 而负荷持续增加 Shaat和他的上司 最近发表的科学论文 3 从他的博士论文 19 这种现象 见图5 a 和参考文献 3 没有任何解释这种行为的原因 至于图5 a 在参 考文献 3 支持目前的说法 在该图中的P 曲线的斜率偏离时 凸 缘得到在85千牛顿 当负荷达到125千牛 钢在应变计的位置 网 络 产生不稳定发生了错误 H E M Sallam et al Journal of Constructional Steel Research 66 2010 1081 10871085 不连续焊接板在施加的载荷等于257千牛产生裂缝 然而连续 焊接而成的钢板 在328千牛产生 这种差异可能是由于在完 整性的情况下连续焊接板的强度高于不连续焊接板 然而 最 终焊接板的屈服载荷 370千牛 表现出最高的价值 这是因 为大部分的负载被转移到通过其端部的板 值得注意的是 由 于其表面和底部凸缘的下表面之间的接触 该板不能作为一个 纯粹的领带构件 在控制束的情况下 P 偶然的变化也被观 察到 如在图11中所示的这些加强梁 在本实验结果的基础上 推测此意外的行为可能是由于不稳定的电压高于钢凸缘下方的 应变计的应变计读数 一旦钢表现为应变硬化材料中 电应变 测量成为可靠 图12表明跨中荷载挠度曲线的三个组合梁加强钢板焊接 用不同的技术 DW EW和BW 与控制束相比的不同之处 在弹性区域 三个加强梁表现类似的刚度值 该值是大于控制 束约25 这意味着 在中间断开时不影响由钢板焊接而成 的加强梁的弹性行为 梁DW屈服和极限载荷分别提高了约28 和13 梁的屈服荷载控制束约32 不幸的是 当所施加的 负载接近420千牛顿时 由于意想不到的过早失效负荷开始减少 如上面提到的 加强EW板显示增强了约40 的屈服载荷 当所 施加的负载接近554千牛顿 125 的极限荷载的CB 和相应的 偏转为20毫米 光束BW发生过早失效 这种不理想的失败与加 强技术无关 阻碍了光束达到充分的弯曲能 力 混凝土板的顶表面上的压缩应变示如图7所示 在弹性范围 内 没有显着的这两个位置之间的差异 即无剪力滞效应 后得 到的下凸缘 在约238千牛顿 在P 关系变成非线性中心上方 的压缩应变线是由于剪切滞后的效果 4 2 加强梁钢板 钢板加劲梁的故障模式与控制束失败模式相似 DW梁加载 没有任何局部破坏 支撑在钢筋混凝土楼板 如图 8所示 然而 ED束装起来钢筋混凝土楼板裂解的底表面 然后失效是由于在两 个支架中的一个局部失效的引起的 不幸的是 下凸缘 BW束 屈服网格由于没有水平支撑 在两个竖向支承上混凝土中将产生 裂缝 EW束 随之失效 如图9所示 为了避免这种缺点 Schnerch和Rizkalla 13 以及El Hacha和Ragab 23 在桥面上附加钢 块 即完全包裹在两端的钢梁 值得注意的是 当EW失效后 负 载减少 即卸载阶段 要防止在端部的焊接板塑性变形 和正确 测量LVDT的实际剩余 如在图10所示的挠度和应变的应变仪 图 11表明了测量上的施加钢板上的负载与应变的关系 钢板附件的方 法 在所施加的负载的钢板 得到的值是在该图中所示的效果 4 3 碳纤维布加固梁 在由CFRP片材的情况下 加强梁 混凝土板粉碎后发生屈 服底部凸缘这是伴随着碳纤维布在不断的剥离 图图 8 由钢铁盘子所作的被加强的横梁的故障模式 DW 横梁 图 9 网络对支持的损坏 a EW 横梁和 b BW 横梁 1086H E M Sallam 等等 Constructional 斯梯尔 Research 的杂志 66 2010 年 1081 1087 图 10 由钢铁盘子所作的被加强的横梁的故障模式 EW 横梁 图图11 由钢铁盘子所作的被加强的横梁的负荷类型的行为 图图 13 由 CFRP 单子所作的被加强的横梁的故障模式 CFweb 横梁 图图 12 对于被加强的横梁的负荷偏角的曲线 DW EW 和 BW 矩区域如图13所示 即延性破坏的性质光束的偏转使得材料 之间的分离的下凸缘和CFRP片材的上表面上比其下表面容易 因此 比其下表面的下凸缘的上表面上剥离更为显著 一方面 这可能由于存在上部接口对其他的表面有拉伸应力 另一方面 不存在中间脱粘增长之前碳纤维布加固梁的屈服法兰后屈服的凸 缘 梁与预舒解区域显示较充分结合由于较低的抗弯承载力快速 增长的中间剥离 其次是中间剥离任何混凝土破碎或没有完全剥 离 由于碳纤维复合材料的纤维断裂片材束带 固定的 因此 下面的两个点的负载防止剥离达到剪切跨度中如图14所示 在 CFFL D梁上表现出了相当的延展性降低由于内的常数发生破裂 的碳纤维布弯矩区 当电气应变计粘接到碳纤维布 意想不到的 现象 即不可靠的荷载 钢产生应变行为后消失 如图15所示 Fig 14 Failure mode of strengthened beam by CFRP sheet CFfl D beam 基于所述目前的实验结果 是由于这个意外的行为电气应变计的性能 的缺点当钢在应变计的位置产生 即行为作为一个完美的塑料材料制 成 一旦钢的应变行为硬化材料的电气应变测量成为可靠的 的顶表 面上的负载与压缩应变混凝土不同的加强梁如图16所示 在弹性范围 内 负载 应变曲线的斜率的两个不同组加强梁高于控制光束 如图 17所示 荷载与跨中挠度曲线加强梁在CFRP扳 CFFL CFweb CFFL D和CFweb D 所有由低模量碳纤维复合材料加固梁轻度强化 的极限荷载与无强化的弹性比较控制梁阶段 H E M Sallam 等等 Constructional 斯梯尔 Research 的杂志 66 2010 年 1081 1087 1087 3 对于所有的碳纤维布 中间加强梁剥离后开始其增长收 益的钢法兰 4 梁的预剥离区域具有较低的弯曲能力比那些完全结合的 快速增长中间的脱粘 参考文献参考文献 1 Tavakkolizadeh M Saadatmanesh H Strengthening of steel concrete compos ite girders using carbon fiber reinforced polymers sheets Journal of Structural Engineering ASCE 2003 129 1 30 40 2 Al Saidy AH Klaiber FW Wipf TJ AI Jabri KS AI Nuaimi AS Parametric study on the behavior of short span composite bridge girders strengthened with Fig 15 The load strain behavior for strengthened beams by CFRP sheet 图图 16 混凝土与对最高表面的有压缩力的类型的负荷对于不同横梁 图图 17 对于被加强的横梁的负荷偏角的曲线 CFfl CFfl D CFweb 22 729 37 3 Fam A MacDougall C Shaat A Upgrading steel concrete composite girders and repair of damaged steel beams using bonded CFRP laminates Thin Walled Structures 2009 47 10 1122 35 4 Rizkalla S Dawood M Schnerch D Development of a carbon fiber reinforced polymer system for strengthening steel structures Composites Part A 2008 39 2 388 97 5 Buyukozturk O Gunes O Karaca E Progress on understanding debonding problems in reinforced concrete and steel members strengthened using FRP composites Construction and Building Materials 2004 18 1 9 19 6 Ye LP Lu XZ Chen JF Design proposals for the debonding strengths of FRP strengthened RC beams in the Chinese design code In Chen Teng editors Proceedings of the international symposium on bond behaviour of FRP in structures 2005 p 55 62 7 Teng JG Chen JF Smith ST Lam L Behaviour and strength of FRP strengthened RC structures a state of the art review Proceedings of the Institution of Civil Engineers Structures and Buildings 2003 156 1 51 62 8 Mohamed Ali MS Oehlers DJ Bradford MA Interaction between flexure and shear on the debonding of RC beams retrofitted with compression face plates Advances in Structural Engineering 2002 5 4 223 30 9 Seleem MH Sharaky IA Sallam HEM Flexural behavior of steel beams strengthened by carbon fiber reinforced polymer plates three dimensional finite element simulation Materials 31 3 1317 24 10 Sallam HEM Saba AM Mamdouh W Maaly H Ibrahim I Strengthening of steel beams using bonded CFRP and steel plates a pilot study Al Azhar University Engineering Journal 2005 8 10 23 9 11 Sallam HEM Ahmad SSE Badawy AAM Mamdouh W Evaluation of steel I beams strengthened by various plating methods Advances in Structural Engineering 2006 9 4 535 44 12 Choudhary SC Effects of a debonding flaw size and location on the flexural performance of CFRP retrofitted steel sections M Sc thesis The University of Texas at Arlington 2007 13 Schnerch D Rizkalla S Flexural strengthening of steel bridges with high modulus CFRP strips Journal of Bridge Engineering 2008 13 2 192 201 14 Sallam HEM Discussion of Flexural strengthening of steel bridges with high modulus CFRP strips Journal of Bridge Engineering 2010 15 1 117 15 Schnerch D Rizkalla S Closure to Flexural strengthening of steel bridges with high modulus CFRP strips Journal of Bridge Engineering 2010 15 1 118 16 Dawood M Rizkalla S Bond and splice behavior of CFRP laminates for strengthening steel beams In International conference on advanced composites in construction United Kingdom University of Bath 2007 17 Dawood M Fundamental beha