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湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 1 页 CFRP 加固细长钢筋混凝土柱的全尺寸试验 卡特琳娜 贾度索娃 博士 尤拉伊 比西克 本文摘自 JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION ASCE MARCH APRIL 2013 摘要摘要 本文提出了两种研究碳纤维增强聚合物 CFRPs 对细长的矩形钢筋加固混 凝土柱的一种性能的方式 许多研究表明 第一种方法是一个著名的碳纤维布包 裹的形式的影响 第二个是一个相对较新的加固方法是近表面安装 NSM 加 固条 一共八个的矩形截面的全尺寸的样品 210 150 毫米 进行了偏心受压 荷载下的破坏测试 样本的总长度为 4100 毫米 本研究的结果表明 在主要的 受力方式一致的情况下细短柱加固中的差异显著 据证实 碳纤维的影响包柱强 度的增加比例比主要受压的短钢筋混凝土柱更大 在纵向的 CFRP 条纤维粘结成 槽 加载后混凝土承载力提高 比偏心受压的钢筋混凝土细长柱的弯曲承载能力 更有效 结果显示提高抗弯能力的最有效方法是通过 NSM CFRP 加固和 CFRP 片材包装保证的协同作用 简介 过去使用传统的混凝土加固材料虽然增加了承载力 但同时也增加截面的尺 寸 过去的几十年 复合材料有了长足的发展 碳纤维增强聚合物 CFRPs 因 其高性能而广泛地为人所知 尤其是它耐腐蚀 高强度重量比 易于搬运和安装 的性能 对 FRP 在混凝土加固中的应用已经扩展到每一种应力领域 本文重点 研究加固对细长混凝土柱压缩承载力和弯曲承载力的影响 记录轴心受压短柱的 承载能力和 FRP 片材包装上的延展性增强效应的表现和测试数量 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 2 页 细长柱与偏心受压短柱的比较在大量出版物中的信息量是不够的 这个拓展 应用因为细短柱的列的表现存在差异而受到限制 这一研究领域的创始人研究钢 管混凝土纤维增强聚合物管 CFFT 发现 随着长细比的增加 柱的承载力显 著下降 测试玻璃钢材料的 CFFT 列具有较高的强度和较低的刚度 往往更容易 受长细比的影响 此外 另一些人证明 随着长径比增加强化效果降低 考虑长 细比对承载能力的影响 FRP 包裹混凝土柱比普通的钢筋混凝土柱加固效果好 约束提高强度而不是弯曲刚度 韩先生和陶先生发现增加偏心荷载而降低柱的长 细比会增强 CFRP 约束的列上的承载能力效应 试验表明长细比小于 40 的柱加 固前后的承载能力变化不大 用长细比为 70 的方柱研究单向和双向碳纤维布置层对于承载能力的影响 测量了柱的极限强度后 发现在横向的承载能力与未加固之前相差无几 承载能 力的增加是通过加强纵向实现 弯曲成为主导的时候纵向纤维变得更有效 费茨 威廉和比斯比 2010 在两个和四个小规模的试件的横向和纵向分别布置碳纤维 两层 圆截面和长细 10 35 列 来验证强化作用 受限制的细长柱越多承载 能力越低 横向 CFRP 包裹对于短柱承载能力的增加更为重要 而纵向 CFRP 包 装可用于提高碳纤维包裹混凝土圆形细长柱的性能而让他们达到更高的强度 同 样的结论可以等效短碳纤维包裹列的情况 2008 年和 2010 年的专家调查认为碳纤维包裹只在纵向起到强化作用 在过 去的三年或四年 FRP 加固处理研究数量有限 直到 2009 年巴罗斯等人的研究 出现 在这些研究中 对小型或大型的小长径 17 和 22 样本进行了测试 这是安装的 CFRP 条和 CFRP 加固护套在就近表面第一时间的反应 NSM 还 全面研究了相当高长径 95 的矩形柱的加强 本文的重点是调查碳纤维布加固偏心受压长柱的有效性 大多数的钢筋混凝土柱的实际构造为具有矩形横截面和加载偏心的细长柱 所以纤维增强聚合物的强化作用是设计程序必须推导和验证的内容 本研究的目 的是验证 NSM CFRP 加固对受弯柱的效果 在实际设计应用中提供一种加强钢 筋混凝土细长柱的计算方法 下面的章节对实验和数值的情况进行了描述 实验项目 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 3 页 试验是将八个完整的细长的矩形钢筋混凝土柱分成四系列 对于不同的系列 采用不同的条件加强 第一 一个参考序列有未加强柱 其余的系列采用碳纤维 布 即纵向加固 表层嵌贴 CFRP 板 横向则用碳纤维布包裹 并结合这两个方 法 为了使得细长柱在很大程度上近似在实际结构的承重构件 设计的样本柱长 4100 毫米 矩形截面 210 150 毫米 纵向对称配筋 2 4 10mm 并在两端铰支 图 1 每隔间距 150 毫米安置直径为 6 毫米的箍筋 在纵向终点安装的箍筋 减少到 30 毫米的间距 在柱两端设置 30 毫米厚的钢板是为了使荷载更合理地分 布 横截面的角落被嵌入三角形斜板条 10 10 毫米 的模板边缘 为了加强 围柱 还要另外加半径 20 毫米的倒角 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 4 页 图 1 试样几何形状 尺寸以毫米为单位 首先对 C1 和 C2 两列的混凝土柱进行加固 另外两列 C3 和 C4 用表层嵌 贴加固法进行加强 即在混凝土盖上的凹槽中安装碳纤维板 1 4 10 毫米 图 2 a 接下来的两列 C5 和 C6 用一层横向 CFRP 板 300 毫米宽 加强 50 毫米中心箍筋的限制 图 2 B 剩下的两个柱 C7 和 C8 是前面提到的方法 相结合来进行加强 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 5 页 图 2 加强配置 a C3 C4 b C5 C6 尺寸 毫米 材料 对标本的混凝土和钢的材料特性进行实验室测试 分析比较目的和模拟试验 后得到结果 在碳纤维复合材料的性能由制造商提供的钢板和钢带 表 1 验证 后 与先前的结果吻合良好 经过我们部门的调查后进行了测试 表一 CFRP 材料的性能 性能 CFRP 筋带 碳纤维布 C 类纤维原 重 量 300 g 平方米 抗拉强度 MPa 2500 3900 弹性模量 GPA 168 240 使用相同的混凝土配合比的所有列 在混凝土柱 立方柱 圆柱和棱柱形试 样浇筑后 28 天 立即对它们进行了测试 结果见表 2 28 天的圆柱形混凝土平 均强度为 32MPa 三条不同直径的钢筋的材料性能的测试结果显示在表 3 测量 的纵向钢筋屈服强度约为 560 兆帕 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 6 页 表二 混凝土的材料性能 性能 第 28 天 第 316 天 立方体抗压强度 MPa 35 6 42 1 圆柱体抗压强度 MPa 32 0 34 2 静态弹性模量 GPA 未测 36 8 样品 列放置在水平位置制备的模板上 经过 14 天的柱子进行脱模 过了 28 天即 成为加强柱 图 3 图 3 a 中给出了 C3 C4 和 C7 C8 两组三个方向的视图 每个 CFRP 套都按标准进行放置 图 3 b 中展示的是用间距 300 毫米的 170 毫米箍筋进行加固以后的 C5 C8 样本的形态 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 7 页 图 3 加强标本 一 NSM CFRP 条 b 碳纤维布约束 各项调查 所有八列在相同的方式下进行了测试 即通过增加在初始偏心 40 毫米处施 加的压缩力 这是使得钢筋的一个偏心位置的预定滚子 柱端焊上钢板 和角钢 截面之间 焊接底钢板 保持一个铰链连接 图 4 表三 钢筋的材料性能 特性 直径 6mm 直径 10mm 屈服强度 MPa 605 562 抗拉强度 MPa 625 637 弹性模量 GPA 637 208 极限拉伸应变 6 64 10 75 监测钢筋混凝土柱和 CFRP 加固柱在加载过程中增加的弯矩挠度 本实验的 主要目的是研究检验在中高处偏转和偏心作用压缩力之间的关系 总的来说 三 个线性可变位移传感器 LVDTs 因其被认为是最准确的测量仪器而被运用到此 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 8 页 方法中 图 5 为一个位于中高处和两个保持在柱两端 检查中高处偏转曲率的间 图 4 铰链连接的细节 图 5 柱的实验测试 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 9 页 接方法基于挠度计算 这是由 LVDT 在钢和混凝土的垂直方向上进行应变测定 所有材料的应变由应变计检测 T1 T4 钢 T5 T8 混凝土 T9 T10 T11 T12 CFRP 条和碳纤维布 位于中截面的混凝土样本的表面和 D1 D4 两个方向 压 缩 拉伸 的情况进行对照 在柱的每一个高度 五测点 G1 G5 被用来控制 一列的变形 测量范围 150 毫米长的仪器被安装在这些点上 用来测量各点的水 平位移 测试得到的参数记录在计算机软件中 测试结束后停止对横截面施加压力 保持其屈曲状态 数据已被记录 测试结果 整体 载荷 挠度曲线通过所有测试列的 LVDTs 来测量 测量挠度的意义在于计算 中高扰度 LVDT1 和最高与最低扰度 LVDT2 和 LVDT3 平均值的差值 应变仪 测得的曲率和挠度的计算需要应力 当两个仪表被安装在所调查的横截面时 及 得到平均值 检测方法 变形度仪 经纬仪 只适用于达到峰值负荷之前的最后 一步 在这一点之后 挠度会在无压力增加的条件下增长 在峰值负荷之后的步 骤的实现需要连续的电脑监控才能得以实现 负载转矩曲线用于比较各种测定方 法 以及由于压力变大所导致电阻增加的测定 中高截面的挠度通过作用力和所 研究的横截面总挠度来计算 其中 emeasured为直接 LVDTs 地质测量 或间接 应变仪 变形度仪 测得的 截面中高挠度 e0等于初始端偏心 40 毫米 挠度的间接测定方法来自于如下的曲率公式 其中 l 为柱长 4100 毫米 k 为曲率 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 10 页 图 6 直接和间接测量方法的比较 其中 c为中高截面的压缩面力 t为截面表面 通过变形度仪测定 或钢筋 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 11 页 中 通过变形度仪 的拉伸应变 hc t为 c和 t两点间的距离 所有测量方法的结果比较如图 6 所示 方法吻合较好 通过地理经纬仪直接 测得的值和通过用应变仪和变形度仪测得的压力间接计算的值表明大多数中间 柱高度的压力截面挠度与 LVDT 测得的很接近 柱阻力 实验调查中所测得的所有柱在屈曲中均失效 阻力的增加是由于压力可以表 示为一个最大压缩力的增强在未加固定的钢筋混凝柱的条件下得以实现 例如 通过纵向 NSM CFRP 条可以增加 12 9 柱压力 通过围一层横向 CFRP 板可以 增加 2 4 柱压力 通过结合碳纤维增强塑料带和 CFRP 板可以增加 15 4 柱压力 图 7 图 7 实验测试中采用 LVDT 测量负载力矩关系 对于密闭列 在加载过程中未观察到显著的变化 更多韧性峰后变现发生在 NSM CFRP条纵向加强列 在峰值负载和最终挠度之间的差异是加强列的1 5倍 失效模式 所有柱的失效模式通过破碎和剥落的混凝土来表示 在无加固柱下 在柱横 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 12 页 截面拉伸侧中高度上观察到一些较大的裂缝 图 8 a 和 b 柱中的拉伸裂缝在 使用长 NSM CFRP 条加强之后整个侧截面是不连续的 它们主要出现边缘附近 图 8 c 混凝土层脱落后 屈曲纵向钢筋钢筋和 CFRP 条破裂 图 8 d 通过横 向CFRP包装材料加强的柱 主要拉伸裂纹出现在中间CFRP箍筋的上部或下部 在去除之后于薄片中发现几个较小的裂缝 图 8 e g 同样的裂缝机制出现在通 过 NSM CFRP 条和碳纤维布外套的组合加强的柱后 图 8 h 为了防止中部 CFRP 箍筋上下出现裂缝 为了进一步调查 建议连续地包装 材料或者在柱中段与特别的钢筋一起包扎 图 8 失效后的柱 a 和 b 在横截面的拉伸侧的柱中高裂纹 c 列边缘附近的拉伸裂纹 d 钢筋的屈曲和 CFRP 条的裂纹 E G 下表有裂缝的 CFRP 条在中部上下的拉伸裂纹 或 h 装上 NSM CFRP 条和 CFRP 条来加强的柱裂纹 相对压力 观察所有使用柱材料在柱中高段的压力 CFRP 材料的压力作为评估其产能 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 13 页 利用率的一个指标 在最终压力的 0 25 0 28 下观察到了 NSM 纵向 CFRP 条的破裂 Olivova 也发现了类似的情况 2007 如图 9 所示 拉伸试验的最高压力高出原始的 5 倍 其减少可通过不同的路径而产生 如中高横截面有一个大的曲率 CFRP 条 以直接和弯曲应力的方式加强 而不是张力测试期间单纯的张力变化 所以CFRP 条的产能利用率是有限的 图 9 CFRP 条破裂失效 在失效时所测得的 CFRP 条 碳纤维复合材料 的压缩压力与拉伸应变下相 比降低了 40 在压缩后 未观察到显著的屈曲条 在含有 CFRP 条的试样中 拉伸和压缩的表现差别不大 与没有加 CFRP 条的试样相比 两边都加 CFRP 条 的试样失效压力高出 15 横向CFRP薄板固定在中高横截面中曲率大的细长柱中的效果是非常小的 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 14 页 预期的混凝土强度未得到增强 CERP板压缩面压力值增加非常低 几乎接近于0 柱横截面的拉伸面最大增加量为0 01 这个结果在Tao和Yu的报告中已经的到 证实 2008 分析程序 在实验调查研究中 使用 ATENA3D 程序来进行数值模型 在以前的论文中 可以发现更多的关于计算机建模的信息 Gajdosova 2010 材料属性和静态表现 从全面测试中进行调整 数值模拟和具体实验得到了相同的结果 在测量材料属性的柱测试前 根据不同来源的多种分析模型进行了理论分 析 然后修改了随后的实验调查方法 该模型与实验结果基本相一致 建议进一 步作为典型来使用 在理论分析的初步分析阶段 使用交互图 IDS 截取细长柱 图 10 作为讨 论多种柱阻力效果的最方便方法 最大负载的曲线 在两端用铰链支撑的柱中高 段 对于一个给定的长细比 和初始结束偏心 E01 如图线 0 B1 所示 当此线 交的 ID 在点 B1 时 柱失效 此时 柱尾端的载荷和弯矩在点 A1 在线 0 B2 中同样的关系点在底偏心点 E02 这表明 对于一个给定细长度 的细长柱交互 图 可以通过以不同的端偏心 e0i 重复多次此过程来观察获得 通过压缩力 N 和 一阶弯矩 M0 之间的线性关系 可确定其最大负载能力 NR 压缩力 NR 和总弯 矩 MR 在许多强调横截面相交 此时总弯矩为第一 MR 0 和第二阶 MR II 的和 NR MR 定义为钢筋混凝土横截面的阻力 其计算的方程如下 其中 Fcc 为混凝土压缩力 zc 为混凝土截面重心轴与混凝土压缩力的距离 Fsi 为 i 行的钢筋力 zsi 为 i 行的钢筋力与混凝土截面重心轴的距离 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 15 页 通过假设了一系列的应变分布计算交互图 然后通过强力的计算以确定每个材料 的应力应变特性 方程式 5 和 6 进行量化 在部分交互图的每个点 可以 计算真正的抗弯刚度减少值 EI 并且用于曲率的确定 包括二阶效应 得到 这个曲率后 通过一阶弯矩可以推导出细长柱交互图 图 10 细短柱的相互作用图 在分析方法中的第二部分涉及列入的列阻力的强化作用 现代的 NSM CFRP 条被视为截面表面附近的附加钢筋 这些压力的值取决于混凝土张力 由它们与 中性轴之间的距离决定 图 11 从 CFRP 条的压力值 压力是由一个非线性应力 应变关系来确定 同样的应力 应变图可以用于拉伸和压缩两方面 这对于 为应用了 CFRP 条的钢筋混凝土截面的最初压力预算非常重要 在强化过程中的 结构被最大程度地缓解 即使有一些低应变的混凝土和钢筋材料 但它们是必要 的 在卸载 f un 后 CFRP 条的理论初始压力值降低 平衡方程作如下调整 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 16 页 其中 Ffi 为 CFRP 条 i 行的压力 zfi 为 CFRP 条 i 行与混凝土截面重心轴 的距离 图 11 纵向 CFRP 条加强后的横截面力 碳化纤维强化塑料布约束包括了混凝土强度在修改后的应力 应变关系下的 增加 Lam和Teng的应力 应变模型 引自Hollaway and Teng 2008 主要报道了 实验结果 本图由遵循一个线性段结束的约束混凝土强度和极限定义一个点的应 变的抛物线的一部分组成 这些值是根据Teng的公式计算的 引自Hollaway and Teng 2008 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 17 页 FCC 为约束混凝土的抗压强度 FCO 为无侧限抗压强度 FL为侧向压力 CC 为约束混凝土的极限应变 CO 为无侧限混凝土的极限应变 受限的混凝土的强度和产生的侧向压力限制了由CFRP提供的应变 这取决 于许多因素 其中必须作出规定 最重要的因素是CFRP片材的横截面形状 材 料特性 圆角半径 和连续或箍筋形式约束 由于碳纤维材料的线性应力 应变 图 围压随碳纤维布应变的增大连续增大 约束有效性是高度依赖于这些应变 侧限压力的最终值是初始值FL的减少 O由在矩形截面两个方向的压力的几 何平均数计算得到 Ke 是横截面的有效约束因素 计算时类似于有效约束面积和总截面面积的 比值 keh 是柱高度有效约束的因素 通过减少约束作用来做出限制 平衡方程与例子相同 5 和 6 但具体的压缩力 包括混凝土抗压强度 以选定的列的理论分析结果为例 如图12所示 图 12 根据图 10 计算的所选柱交互图 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 18 页 结果讨论 结果列的电阻从实验研究都比理论计算大约8 这是在理论分析中的许多 简化产品 理论预测 计算机模拟和实验测试比较 如图13所示 其中只有较低 的部分的交互图 细长柱的峰值负载 显示 鉴于行为和所有柱极限承载能力的损失是由弯曲 列横向加固CFRP布套在 马镫产量的形成的反应类似的细长的钢筋混凝土柱 这是明显的非加强 在一个 弯曲应力路径 纵向NSM CFRP条往往能更有效 防止最终脱粘CFRP板在压缩 和保证环氧粘合剂稳定性 额外的碳纤维布套通过一列的整个长度设置 两种加 固方法结果的协同效应对列在仅使用NSM方法比较承载力的增强时略有增加 理论预测 计算机建模 软件 ATENA3D 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 19 页 实验测试 两个平均相同的列 图 13 理论预测 计算机模拟和实验测试的比较 表 4 千牛顿柱阻力细长效应 细长柱 未加强 柱 CFRP 带加强 柱 SE CFRP 片加强 柱 SE 条带共 同加强 柱 SE 0 704 713 1 780 11 793 13 25 679 687 1 745 10 762 12 48 594 610 3 638 7 667 12 71 428 460 7 438 2 490 14 95 265 296 12 266 1 312 18 118 137 196 13 174 1 207 20 注 SE 增强率 细长度的影响 在此基础上 理论模型的实验验证 理论参数的研究可以有任意参数的变化 进行 对长细比的影响的目的 验证计算表4进行了总结 在保持相同的横截面 和配筋下更改列的长度 长细比 约为25 48 71 95 118 1000 5000毫米长 度 细长度通过长度和混凝土的截面半径的惯性比比计算得到 而长度被认为是 铰链的长度 四种柱子的阻力减少或多或少与长细比增加的比例相同 基本的区别是在对 不同加固方法的阻力的增加 细长度越高 通过纵向NSM CFRP条加固的柱子的 阻力增长越大 反之亦然 对混凝土柱的增加较小 钢筋配比的影响 纵向钢筋比是理论参数研究的另一个改变参数 通过改变钢筋的直径 6 8 10 和 12 毫米 配筋率可以达到 0 0072 0 0128 0 0199 0 0287 随着配筋率 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 20 页 的四倍增加 0 0072 0 0287 最后加柱承载能力从 28 减少至 8 4 这一观察 结果证实巴罗斯等人的结论 2008 年 在短长柱范围内 以一个较小的普通钢 筋铸造的支柱相比于那些较大钢筋铸造的有一个较大的载荷容量 结论结论 为加强细长钢筋混凝土柱的承载能力 本研究提出了两个改造方法 即横向 碳纤维布护套法和纵向 NSM 碳纤维条粘结成混凝土盖法 基于以上研究 本文 得出以下结论 在无重要截面增大的情况下 在立柱表面或附近使用 CFRP 材料 可以增强 矩形混凝土短细柱的抵抗力 从实验研究和理论参数研究可以看出 由于不同的主要压力类型 短细柱加 固方法的效果是不同的 基于短柱的假设 优势压应力是横向碳纤维布的最要约束因素 因而 由碳 纤维布的限制并没有使细长柱的抵抗力增加 在相同压缩力下二阶效应导致弯矩增加 在细长柱的主要弯曲上纵向沿柱轴 夹层安装 NSM CFRP 条时 其受拉效果最好 理论参数的研究显示 约为 50 60 的长细比 值是本文两种加固方法的有效 性阈值 实验证明 提高抗弯能力的最有效方法是在碳纤维片包装条件下的 NSM CFRP 的协同效应 依据前面所提到的分析方法 实验研究 计算机模拟和理论模拟结果之间的 良好的相关性有效证实了短长柱设计和验证的可能性 湘西龙里公路娃娃塘大桥施工图设计 第 21 页 参考文献 Barros J A O Varma R K Sena Cruz J M and Azevedo A F M 2008 Near surface mounted CFRP strips for the flexural strengthening of RC columns Experimental and numerical research Eng Struct 30 12 3412 3425 Bournas D A and Triantafillou T C 2009 Flexural strengthening of RC columns with NSM FRP or stainless steel ACI Struct J 106 4 495 505 Fitzwilliam J and Bisby L A 2010 Slenderness effects on circular CFRP confined reinforced concrete columns J Compos Constr 14 3 280 288 Gajdosova K 2010 Strengthening of slender reinforced concrete columns with the use of fibre reinforced polymers Ph D thesis Slovak Univ of Technology Bratislava Slovaki