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1、21预应力碳纤维加固梁正截面抗弯性能分析1 预应力加固碳纤维板加固技术碳纤维板材是目前建筑材料中耐腐蚀(气候)性能最好的材料之一。已有的研究成果表明:弱酸、弱碱、冻融循环、长时间日照等环境作用对碳纤维的力学性能及耐老化性能影响极小。目前常用的非预应力碳纤维板加固技术,是在结构受拉区域用化学胶粘剂粘贴碳纤维板材,使其与构件混凝土及内部钢筋共同承受拉应力。但这种加固工艺对碳纤维强度的利用率极低,因为碳纤维板材的弹性模量为 165170 GPa,抗拉强度高达2800M Pa,要发挥抗拉强度需要 1.7%的拉伸变形;而钢筋的弹性模量一般为 200 GPa,抗拉强度仅为 300MPa 左右,要发挥抗拉强
2、度需要 0.15%的拉伸变形。当碳纤维板材与构件内部钢筋共同工作时,不考虑钢筋原有的初始应变,钢筋屈服时碳纤维板材所能发挥的强度也仅为抗拉强度的 8.8%;而在让碳纤维发挥全部强度所需要的 1.7%的应变下,混凝土结构会产生大的变形及明显的裂缝。如上所述,碳纤维加固 RC 梁承载能力的提高是以较大的变形为代价的,因为碳纤维材料弹性模量与钢筋相近、强度是钢筋的 10 倍,因此碳纤维材料发挥其强度时变形较大。预应力碳纤维加固法可较好的解决该问题,提高开裂荷载、屈服荷载,改善使用荷载下的性能。2 预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析1、非预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析在分析过程中,考虑
3、了材料的非线性,采用了如下假定:1)平截面假定,由试验结果分析及各文献资料可以看出,CFRP 片材加固 RC 梁在纯弯段范围内,其平均应变分布满足平截面假定。2)钢筋采用完全弹塑性模型,不考虑强化段,其数学表达式如下:当 时, ( ) (1-1)ysssEsyf当 时, (1-2)ysysf3)不考虑混凝土的抗拉强度。 4)压区混凝土采用 混凝土结构设计规范 (GB 50010)规定的应力-应变曲线:22( ) (1-3)nccf010c( ) (1-4)cfcu(1-5)56012,kun(1-6)5,10. kcf(1-7),3ucu其中-对应于混凝土压应变为 时的混凝土压应力;cc-对应
4、于混凝土压应力刚达到 时的混凝土压应变,当计算的 值0 f 0小于 0.002 时,应取为 0.002;-正截面处于非均匀受压时的混凝土极限压应变,当计算的 值cu cu大于 0.0033 时,应取为 0.0033;正截面处于轴心受压时的混凝土极限压应变应取为 0.002;-混凝土立方体抗压强度标准值;kcuf,-系数,当计算的 值大于 2.0 时,应取为 2.00。nn5)CFRP 片材采用线弹性应力-应变关系。2、预应力碳纤维板加固梁的正截面抗弯性能分析预应力碳纤维加固梁可按照普通预应力混凝土梁理论计算预应力碳纤维后混凝土梁的应力状态,参照预应力碳纤维的施工工艺,基本上与后张法相同。施加预
5、应力碳纤维后,混凝土产生的法向应力 为:pc(2-l)0cpnpcyIeNA式中: -预应力碳纤维产生的合力, ;p cfpAN-碳纤维预拉应力;p-加固前预应力钢绞线产生的混凝土切割初始应力;0c-碳纤维预拉应变;p23-碳纤维面积;cfA-碳纤维弹性模量;fE-加固梁截面面积;-截面重心至碳纤维合力点的距离;pneI -截面惯性矩;-截面重心至所计算纤维处的距离;y-碳纤维抗弯计算折减系数。由于碳纤维用量较小,预拉合力不大,张拉过程中对原梁的性能影响较小,假定混凝土在该应力作用下处于弹性阶段,则预应力碳纤维后梁上下截面的应变分别为:(2-2)bccpncppcb yIEeNA0(2-3)t
6、ccpncppct I0式中-加固梁下边缘截面产生的压应变,压为正;pcb-加固梁上边缘截面产生的压应变,压为正;t-加固梁下边缘截面的初始压应变,压为正;bc0-加固梁上边缘截面的初始压应变,压为正;t相应阶段碳纤维的预拉应变为 ,因此碳纤维钻贴位置处混凝土法向应力为零时的p碳纤维应变为 ,此应变即为碳纤维的超前应变。pcbp0参照二次受力的承载力计算方法,改碳纤维的滞后应变为超前应变,即可得预应力碳纤维加固梁正截面抗弯承载力的计算方法。3、预应力碳纤维加固梁正截面抗弯承载力的计算1)破坏状态为混凝土压碎参照第二章计算公式,考虑碳纤维的超前应变 ,其极限抗弯承载力为:0p(2-4)aAfhf
7、xhbfMsysc 12混凝土受压区高度 x 按下列公式计算:24(2-5)cfssyc Afbxf1其中: 。ucfpcfuncff ExhE,02)破坏状态为碳纤维拉断当破坏状态为碳纤维拉断时,考虑碳纤维超前应变,取中和轴高度为,相对受压区高度 。hxpucfn0, nx1对受压区高度的一半取距,忽略受压钥筋产生的作用,所以极限抗弯承载力为:(2-6)220, AfxfMsycfu3)破坏状态的判定(1)采用相对界限受压区高度 判定b混凝土受压区高度 采用如下公式计算:x(2-7)cfusysyc AfAbxf ,1-受压区高度, 2a界限破坏时中性轴高度 为:nbx(2-8)0,pcuf
8、nbhx按 照 普 通 钢 筋 混 凝 土 理 论 , 界 限 受 压 区 高 度 , 因 此 相 对 界 限 受 压 区 高 度 为 :nbbx1b(2-9)0,11pcufnbbhx若混凝土受压区高度 ,则采用计算的受压钢筋应力替换式(4-7)中受压钢2a筋强度,从而可计算受压区高度 。x(2)采用拉、压区合力判定碳纤维加固梁破坏状态的判断还可采用下述方法:计算界限破坏时压区合力 及cN拉区合力 ,若 ,则破坏状态为碳纤维拉断;若 ,则破坏状态为混凝土tNtc tcN压碎;若 ,则破坏状态为界限破坏。 及 分别采用下述方法计算:tccNt(2-10)cfusyt Af,(2-11)1sccbx25(2-12)hxpcufn0,11(2-13) ycnss fxaEf