碳纤维布加固RC梁正截面强度计算理论.doc

碳纤维布加固RC梁正截面强度计算理论 李英勇1 王松根1 王苏岩2(1山东省交通厅公路局，山东 济南 250002；2大连理工大学土木水利学院，辽宁 大连 116024)摘 要：为建立与现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）相衔接的碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁正截面强度计算理论，结合CFRP加固钢筋混凝土抗弯构件的研究成果，对加固后截面承载能力极限状态、界限破坏状态、界限加固量以及混凝土受压区界限高度系数进行了合理的界定，最后，针对原公桥钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ 023-85）、现行公桥钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）与混凝土结构设计规范（GB50010-2002）的不同要求，提出了粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土桥梁正截面强度计算公式。通过与室内试验数据比较，碳纤维布贡献计算值与试验值吻合良好，所提公式可用于实际桥梁粘贴碳纤维布的加固计算。关键词：碳纤维复合材料（CFRP）；桥梁；加固；受弯承载力Design Philosophy of Reinforced Concrete Beams with externally Bonded CFRP Sheets Li ying-yong1 Wang Song-gen1 Wang Su-yan2（1 Highway Bureau of Shandong Province，Shandong Jinan 250002 China；2 School of Civil and hydraulic Engineering, Dalian University of Technology，liaoning Dalian 116024 China）Abstract：The method to define the ultimate limit state of carrying capacity, critical failure, critical strengthened quantity and critical height coefficient of concrete compressive region is suggested. Design algorithms in Code for Design of Highway Reinforced Concrete and prestressed Bridges and Culverts（JTJ 023-85） and （JTG D62-2004） format as well as Code for Design of Concrete Structures（GB50010-2002） format are proposed to predict the capacity of available beams strengthened in flexure with CFRP sheets. The effectiveness of the design approach is then validated by comparing the experimental results with the calculated flexural capacity. Results showed that the proposed design approach is conservative and acceptable.Key words：Carbon fiber reinforced polymer（CFRP）；Bridge；strengthening； Flexural capacity0 前言粘贴碳纤维布加固混凝土结构技术是一项新型、简捷、有效的混凝土桥梁加固技术。该技术充分应用了碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）所特有的高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变及热膨胀系数小等优点，为混凝土桥梁加固技术注入了新的活力。由于该新型桥梁加固技术在施工方面所具有的无可比拟的优势以及工程应用的日益广泛，我国已于2003年5月1日正式颁布了碳纤维片材加固混凝土结构技术规程。然而，纵观国内现有的工程加固实例，普遍存在着较为严重的盲目粘贴现象，其主要原因是设计人员对常见纤维材料力学性能认识不足，以及目前没有可靠的碳纤维布加固桥梁设计理论，从而造成了不必要的材料浪费，大大增加了工程造价，严重限制了该技术在桥梁加固领域的推广应用。2001年6月至2003年1月，山东省交通厅公路局结合交通厅重点科研项目碳纤维复合材料（CFRP）在桥梁加固中的应用研究，进行了卓有成效的研究工作，研究的目的在于解决加收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（50378011）作者简介：李松辉（1970.7），男，山东莱州人，工学博士，副教授，主要从事公路桥梁加固技术研究.固纤维材料种类的选择、实用加固设计计算理论、粘贴加固的施工工艺，有力地解决了目前存在的盲目粘贴与桥梁加固计算理论相对滞后的矛盾，真正做到好钢用在刀刃上。1 加固后钢筋混凝土梁正截面强度计算理论根据原公桥规(JTJ023-85)及国内外CFRP加固混凝土抗弯构件的试验结果，有关文献曾针对公桥规对加固钢筋混凝土梁正截面承载能力极限状态进行了定义，并给出了如下计算公式: （2）中性轴的位置按下式确定： （3）图1 CFRP加固单筋矩形截面受弯构件正截面强度计算简图Fig. 1 Stress and strain distribution in a section at the ultimate limit state其中，为碳纤维局部折减系数（取0.8），为考虑碳纤维布粘贴质量等因素的局部折减系数（计算时，碳纤维布的局部折减系数取0.8, 主要考虑到ACI440F设计指南中对碳纤维布取0.85的强度折减系数，同时，由于加固后构件破坏均具有一定的突然性, 故引入0.95的工作条件系数, 0.850.95=0.8075,近似取0.8, 相当于取了1.25的材料安全系数，以提高加固后构件的强度储备），为恒载作用下基底初始应变，可按弹性分析的方法计算；、分别为碳纤维布（CFRP）的弹性模量和计算面积，为极限状态时碳纤维布的有效拉应变，可按碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146:2003）有关公式进行计算，其他符号同原公桥规(JTJ023-85)。利用上述进行计算时，混凝土受压区高度应满足公桥规(JTJ023-85)的要求。上述公式是基于原公桥规(JTJ023-85)建立的，在按照混凝土结构设计规范应用时，可参照规范中相应正截面承载能力计算公式做相应处理即可。但必须注意，在计算受压区高度时，应对碳纤维布的有效强度（或有效应变）计入1.25的综合强度折减系数，而按原公桥规(JTJ023-85)计算受压区高度时，由于对钢筋及混凝土的设计强度均计入了1.25的材料安全系数，刚好与碳纤维布的综合强度折减系数相抵消，使公式（3）得以简化。参照上述处理方法，与混凝土结构设计规范相应的加固梁正截面承载能力计算公式为 （4）其中，中性轴高度x可按平衡条件计算 （5）式中fc、fy分别为混凝土的轴心抗压强度设计值与纵向钢筋的抗拉强度设计值；为等效矩形应力图形系数，对于C50以下的混凝土取1.0；其它符号意义同前。现在，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）已与2004年10正式颁布实施，新公桥规与原公桥规有较大的差别，修改后的公路桥梁规范在设计理论上更接近于现行混凝土结构设计规范，特别是受弯构件正截面抗弯承载力计算方面，公式的基本假定及形式比较一致，只是对混凝土设计强度、钢筋设计强度的取值以及上强度符号上稍有差别，按照现行公桥规（JTG D62-2004）给出的受弯构件正截面抗弯承载能力计算公式为 （6）混凝土受压区高度可按下式计算 （7）其中，fcd、fsd分别为混凝土的轴心抗压强度设计值与纵向钢筋的抗拉强度设计值，其它符号意义同前。2 计算公式的试验验证为进一步验证设计公式的可靠性，结合本次室内试验结果以及国内已有文献中关于抗弯加固的试验数据进行分析1-6。根据本文对碳纤维布抗弯加固梁的计算方法，分别按照原公桥规(JTJ023-85)、混凝土结构设计规范以及现行公桥规（JTG D62-2004）的公式形式为依据，分别计算各加固梁的正截面承载能力以及粘贴碳纤维布对加固梁正截面承载能力的贡献值。通过比较不同规范公式的计算结果，验证各类加固计算公式的合理性以及计算结果的安全性。各试验梁的基本参数及材料力学性能见文献2-5，基于不同设计规范的加固构件抗弯承载能力计算值与试验值对比见表1。表1 试验值与计算值的对比Table 1 Comparision between test results and calculated values试验梁编 号Mmax(kNm)Mcf(kNm)fcf(MPa)公桥规(JTJ023-85)混凝土结构设计规范公桥规（JTG D62-2004）x(cm)Mp(kNm)Mcf(kNm)x(cm)Mu(kNm)Mcf(kNm)x(cm)Mu(kNm)Mcf(kNm)FA043.720.004.59925.0404.66727.5704.51525.830FA148.194.4719205.53530.145.105.52832.665.095.40830.955.12FA250.116.3919205.53530.145.105.52832.665.095.40830.955.12FA348.194.4719205.53530.145.105.52832.665.095.40830.955.12FA448.194.4719205.53530.145.105.52832.665.095.40830.955.12FB030.540.001.99213.110.002.04714.440.001.97313.500.00FB136.566.0219202.82018.895.782.81920.215.772.77119.295.79LL-023.3403.72313.300.003.76714.660.003.64013.720.00LL-126.493.1524004.68816.623.324.65217.973.314.55717.053.33LL-329.255.9124005.65319.786.485.53721.146.485.47320.236.51WLC137.503.85721.170.003.97423.300.003.83321.800.00WLC349.51223505.20228.617.445.23130.727.425.13129.267.46WLC755.51823507.89242.3221.157.74444.4621.167.72843.0321.23WLC85719.523507.89242.3221.157.74444.4621.167.72843.0321.23WLC96022.523507.89242.3221.157.74444.4621.167.72843.0321.23WLC1046.5923504.81826.535.364.87228.635.334.76027.175.37WLC114810.523505.20228.617.445.23130.727.425.13129.267.46WLC1253.415.923505.20228.617.445.23130.727.425.13129.267.46WLc1646.5923505.20228.617.445.23130.727.425.13129.267.46WLC1761.52423507.89242.3221.157.74444.4621.167.72843.0321.23B059.8302.60939.950.002.65544.000.002.57741.170.00BMO75.9516.1223503.59450.1110.163.66253.989.983.57051.2810.11BM179.0719.2423503.37150.4610.513.39854.4310.433.33351.6710.50BM272.4312.623503.64750.0210.073.71053.909.903.61951.2110.04BM-17.7501.7443.240.001.7533.550.001.6833.300.00BM-210.3752.62518003.3116.293.053.1936.603.053.1736.363.06BM-411.8754.12518004.8789.065.824.6339.405.854.6629.165.86BM-512.6254.87518006.44511.568.326.07311.968.416.15111.718.41BM-6179.2518009.57815.7412.508.95316.3112.769.12916.0112.71BM-18.12504.0524.660.003.9255.120.003.7804.780.00BM-2112.87518006.3947.242.585.9997.742.625.9317.422.64注：1、表中FA、FB、FC系列梁为本文作者试验数据；LL系列试验梁是由同济大学赵鸣完成1；WL系列试验梁是由东南大学吴刚完成2；BM系列梁是由清华大学叶列平完成3；BM、BM系列梁是由天津大学赵彤完成4；2、在引用WL系列数据时，WLc3、WLc4、WLc6、WLc14试验结果接近，只取WLc3作为代表；WLc11、WLc13试验结果接近，只取WLc11作为代表。根据表1的计算结果，在应用不同规范形式的加固公式时，应特别注意碳纤维布有效应变的取值问题，尽管各公式中已对碳纤维布取了0.8的材料综合强度折减系数，但少量加固梁的碳纤维布贡献计算值仍略高于试验值，计算的碳纤维布承载潜力较小。同时，加固计算时要进行必要的验算，特别要验算加固梁碳纤维布的有效应变是否与验算值相符，以免采用了过大的碳纤维布强度值而造成承载能力提高较大的假象。多层粘贴加固梁所发生的剥离破坏是加固梁极限承载能力偏低的主要原因，表中试验梁WLc7、WLc8、 WLc9以及 BM-4、BM-5、BM-6均未采取端部锚固，尽管采用了相同的底面粘贴型式，但由于剥离破坏的随机性，导致了极限承载力离散性较大，而采取了端锚固措施的WLc17试验梁，其极限承载能力试验值大于计算值，因此，加固设计时，可靠、有效的端锚固措施是确保碳纤维布强度发挥的关键因素。3 结语本文依托原公桥规（JTJ023-85）、现行公桥规（JTG D62-2004）及混凝土结构设计规范提