淺談黏貼碳纖維布加固水工建筑物大偏心受壓構(gòu)件的延性計(jì)算方法

劉春偉

（山東省臨沂市水利局，山東臨沂 276400）

淺談黏貼碳纖維布加固水工建筑物大偏心受壓構(gòu)件的延性計(jì)算方法

劉春偉

（山東省臨沂市水利局，山東臨沂 276400）

水工建筑物中偏壓構(gòu)件較為常見，近年來，新型材料碳纖維布以強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)在加固工程中應(yīng)用比較廣泛，但對(duì)黏貼碳纖維布加固偏壓構(gòu)件的延性計(jì)算方法研究還不充分，本文主要分析了黏貼碳纖維布加固水工建筑大偏心受壓構(gòu)件的延性計(jì)算方法。

碳纖維布；鋼筋混凝土；大偏心受壓構(gòu)件；延性計(jì)算

1 碳纖維布簡(jiǎn)介

碳纖維布又稱碳素纖維布，是一種單向碳纖維加固產(chǎn)品，一般采用12K碳纖維絲織造，簡(jiǎn)稱CFRP。廣泛用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉、抗剪和抗震加固，與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復(fù)合材料，可構(gòu)成完整的、性能卓越的碳纖維布片材增強(qiáng)體系，適用于處理建筑物使用荷載增加、工程使用功能改變、材料老化、混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于設(shè)計(jì)值、結(jié)構(gòu)裂縫，以及惡劣環(huán)境服役構(gòu)件修繕、防護(hù)的加固工程。

2 碳纖維布加固方式及破壞形式

2.1 碳纖維布加固構(gòu)件方法

黏貼CFRP加固水工建筑物大偏心受壓構(gòu)件已有較多應(yīng)用 （見圖1），一般而言，加固方法主要有三種：?橫向黏貼：沿構(gòu)件長(zhǎng)橫向全斷面包裹；?縱向黏貼：在構(gòu)件的受拉面沿構(gòu)件長(zhǎng)縱向黏貼CFRP，兩端錨固；?縱橫向綜合黏貼：以上兩種黏貼方式的組合?？v向黏貼方式加固效率高，施工工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛，本文主要討論縱向黏貼方法。

2.2 碳纖維布加固構(gòu)件破壞形式

實(shí)驗(yàn)表明，黏貼CFRP加固鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件的破壞形式分為三種：?受壓區(qū)混凝土破壞，受拉區(qū)鋼筋屈服，但CFRP未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；?受拉區(qū)鋼筋屈服，CFRP被拉斷，但受壓區(qū)混凝土未破壞；?受壓區(qū)混凝土破壞，受拉區(qū)鋼筋屈服，CFRP同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對(duì)于前兩種破壞情況可通過加固前計(jì)算CFRP用量加以避免，本文主要研究后一種破壞形式發(fā)生時(shí)縱向黏貼CFRP加固鋼筋混凝土大偏心受壓構(gòu)件的延性計(jì)算方法以及影響因素。圖1為大偏心受壓構(gòu)件示意圖。

3 基本假定

a.平截面假定，即截面中的應(yīng)變按線性規(guī)律分布。

b.不考慮截面受拉區(qū)混凝土承擔(dān)拉力，即認(rèn)為拉力全部由受拉鋼筋承擔(dān)。

c.混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系按 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）確定。

d.縱向鋼筋的應(yīng)力取鋼筋應(yīng)變與其彈性模量的乘積，但絕對(duì)值不應(yīng)大于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy。

e.外貼碳纖維布較薄，認(rèn)為碳纖維中心距梁頂距離和梁高相等。

f.碳纖維與混凝土黏結(jié)良好，不發(fā)生剝離破壞。

4 截面曲率延性系數(shù)計(jì)算

4.1 屈服曲率的計(jì)算

a.偏壓構(gòu)件受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?chǔ)與＜ε0，建立的計(jì)算模型如圖2所示。

由水平方向力學(xué)平衡∑X＝0可得

圖1 大偏心受壓構(gòu)件示意圖

圖2 εc＜ε0時(shí)屈服曲率計(jì)算模型

其中

根據(jù)基本假定，受壓區(qū)混凝土的壓力C為

受壓區(qū)鋼筋所承擔(dān)拉力T為

受壓區(qū)鋼筋所承擔(dān)壓力T′為

由于碳纖維片材直到拉斷均表現(xiàn)為線彈性性質(zhì)，

根據(jù)平截面假定

可得 （εi為加固前混凝土的初始應(yīng)變）

碳纖維布所承受的拉力為

由式（1）～式（6）可求得N、k，偏壓構(gòu)件的截面屈服曲率為

b.偏壓構(gòu)件受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?chǔ)?≤εc≤εcu，建立的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 ε0≤εc≤εcu時(shí)屈服曲率計(jì)算模型

受壓區(qū)混凝土所承受的壓力C分為C1和C2，其中

受壓區(qū)鋼筋所承受的拉力T′為

由彎矩平衡即∑M＝0可得

其中

由式（1）、式（4）、式（6）～式（10）可以求出N、k1［其中將式（6）中的k換為k1］，偏壓構(gòu)件的截面屈服曲率為

4.2 極限曲率的計(jì)算

建立的極限曲率計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 極限曲率計(jì)算模型

由水平方向力學(xué)平衡∑X＝0可得

其中

由彎矩平衡即∑M＝0可得

其中

由式（11）、式（12）可求出N、k1，偏壓構(gòu)件的截面極限曲率為

截面曲率延性系數(shù)為

或

5 塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的計(jì)算

塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力是一種度量單調(diào)荷載下延性系數(shù)的指標(biāo)，偏壓構(gòu)件可以等價(jià)為受軸心壓力N和彎矩M作用的構(gòu)件。

構(gòu)件在鋼筋屈服時(shí)的轉(zhuǎn)角θy為

其中，l0為

Ny可由式 （1）、式 （2）或式 （1）、式 （10）求出，構(gòu)件在達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)角θu為

Nu可由式 （11）、式 （12）求出，構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)能力為

6 結(jié) 論

a.在水工建筑物碳纖維布加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮縱向受拉鋼筋的配筋率、箍筋用量及材料等級(jí)要求。

b.縱向黏貼CFRP可顯著提高構(gòu)件承載力，但構(gòu)件延性降低，橫向黏貼CFRP加固可改善構(gòu)件延性。

c.以上得出的延性計(jì)算公式考慮了二次受力影響，適合于發(fā)生后一種破壞形式時(shí)的延性計(jì)算，前兩種在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免發(fā)生?！?/p>

［1］ CECS 146：2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

［3］ 朱彥鵬.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002.

［4］ 殷惠光，李秉南.外貼碳纖維片材加固混凝土梁的延性分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（11）：106-105.

［5］ 冼巧玲.粘貼碳纖維布（CFRP）鋼筋偏壓柱試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（11）：78-81.

［6］ 熊峰，等.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

On ductility calculation methods of pasting carbon fiber cloth to strengthen the large eccentric com pression members of hydraulic building

LIU Chunwei
（Shandong LinyiWater Conservancy Bureau，Linyi276400，China）

Eccentric compressionmembers are common in hydraulic structures.In recent years，novelmaterial carbon fiber cloth is widely applied in reinforcement project due to its advantages of high intensity，light quality，etc.However，the ductility calculationmethods of pasting carbon fiber cloth to strengthen eccentric compression members are not sufficiently studied.In the paper，the ductility calculation methods of pasting carbon fiber cloth to strengthen hydraulic building eccentric compression members aremainly analyzed.

carbon fiber cloth；reinforced concrete；large eccentric compressionmembers；ductility calculation

TV214

A

1673-8241（2015）08-0062-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.019