周長(zhǎng)東，侯平陽(yáng)

環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固圓形混凝土筒倉(cāng)的靜力性能

周長(zhǎng)東1，侯平陽(yáng)2

（1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，100044北京；2.恒大地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，510620廣州）

為了研究環(huán)向預(yù)應(yīng)力碳纖維條帶加固鋼筋混凝土筒倉(cāng)在貯料荷載下的受力性能，本文主要考慮了有無(wú)預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力大小、材料厚度、寬度以及加固形式對(duì)加固效果的影響，對(duì)5種針對(duì)不同影響因素的加固模型進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)果表明：采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土筒倉(cāng)可有效限制倉(cāng)壁徑向位移和混凝土、鋼筋應(yīng)力，并改善其整體應(yīng)力水平；預(yù)應(yīng)力的施加可較大程度提高碳纖維條帶中的應(yīng)力，使其高強(qiáng)特性發(fā)揮更加充分；加固時(shí)，碳纖維材料的厚度宜為0.35～0.5 mm，預(yù)應(yīng)力宜為其抗拉強(qiáng)度的10%～15%.

鋼筋混凝土筒倉(cāng)；環(huán)向預(yù)應(yīng)力；加固；CFRP；數(shù)值分析

鋼筋混凝土筒倉(cāng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建材、化工、電力等領(lǐng)域［1-2］，在使用過(guò)程中，眾多倉(cāng)壁出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，并由此發(fā)生安全事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失［3-4］.

相比加大截面法、外包鋼加固法等傳統(tǒng)加固方法，纖維布輕質(zhì)高強(qiáng)，不增加構(gòu)件自重和體積，在加固工程中，可充分發(fā)揮其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，有效改善結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的承載力和應(yīng)力水平［5］.采用纖維布加固鋼筋混凝土圓形筒倉(cāng)，可對(duì)倉(cāng)壁產(chǎn)生約束力，限制裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展以及倉(cāng)壁變形.但纖維布的抗拉強(qiáng)度因倉(cāng)壁變形小等因素制約發(fā)揮不充分.且纖維布對(duì)圓形混凝土輸水管道等類似構(gòu)件的加固效果并不理想，僅對(duì)于屈服荷載有較明顯提高，對(duì)開(kāi)裂荷載提高不大，僅在管壁混凝土開(kāi)裂、受拉鋼筋屈服后，其高強(qiáng)特性才得到有效發(fā)揮［6-8］.

對(duì)纖維布施加預(yù)應(yīng)力，能夠有效解決其應(yīng)力滯后問(wèn)題.本文將對(duì)采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土筒倉(cāng)的靜力性能進(jìn)行計(jì)算分析.有無(wú)預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力水平，纖維布厚度，加固區(qū)域?qū)挾燃凹庸绦问綄?duì)加固效果有較大影響，本文將分別進(jìn)行對(duì)比分析.

1 工程概況及材料性能

1.1 工程概況

選取某糧庫(kù)項(xiàng)目中有代表性的筒承式筒倉(cāng)為原型進(jìn)行建模計(jì)算.原型立筒群倉(cāng)為3×4+3×5排列的筒承式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［9］，最大裝糧高度27.0 m，筒倉(cāng)單倉(cāng)內(nèi)徑12.0 m，建筑總高度35.0 m，倉(cāng)壁厚0.22 m，環(huán)梁尺寸0.4 m×0.8 m.

1.2 材料性能

倉(cāng)壁、環(huán)梁、漏斗及筒壁均采用C30混凝土，彈性模量30 GPa，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20.1 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，泊松比0.2，極限壓應(yīng)變?yōu)?.003；采用HPB300級(jí)鋼筋，彈性模量210 GPa，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值300 MPa，極限抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變分別為420 MPa和0.010，泊松比0.3；碳纖維布（CFRP）彈性模量為241 GPa，極限抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變分別為3710 MPa和0.017.

2 有限元模型

2.1 本構(gòu)關(guān)系定義

本文中混凝土本構(gòu)關(guān)系采用GB50010—2010［11］推薦使用的單軸拉壓本構(gòu)模型；鋼筋采用理想彈塑性模型；CFRP為各向正交異性的線彈性材料，在拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變時(shí)，纖維布破壞，建模分析時(shí)主要考慮其沿纖維方向的抗拉性能.

2.2 單元選取

本文模型中倉(cāng)壁、筒壁、漏斗及環(huán)梁混凝土均采用C3D8R六面體減縮積分單元.CFRP屬于典型的正交各向異性材料，厚度相對(duì)于長(zhǎng)寬方向非常小，只在環(huán)向上的彈性模量和抗拉強(qiáng)度較大，采用殼單元建模，選用M3D4R膜單元進(jìn)行計(jì)算.鋼筋以線單元建模，使用T3D2桁架單元進(jìn)行計(jì)算.

碳纖維布模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1，分別有全包方式和條帶方式；筒倉(cāng)模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2，倉(cāng)壁下部三分之一高度范圍進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化.

圖1 CFRP網(wǎng)格劃分

圖2 混凝土網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及荷載計(jì)算

計(jì)算時(shí)CFRP與混凝土采用Tie接觸方式，不考慮其粘結(jié)滑移，使CFRP貼附在倉(cāng)壁上，兩者共同受力和變形.筒倉(cāng)底部采用限制平動(dòng)自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來(lái)模擬筒壁與基礎(chǔ)間的相互作用.

本文主要進(jìn)行筒倉(cāng)在貯料壓力下的受力分析，貯料壓力的計(jì)算依據(jù)GB50077—2003［12］進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 貯料壓力計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)有無(wú)預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力大小、材料厚度、加固寬度及加固形式共5種不同影響因素分別設(shè)置了相應(yīng)工況進(jìn)行計(jì)算分析，并對(duì)加固方案進(jìn)行優(yōu)化.

3.1 不同方法加固計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)未加固時(shí)倉(cāng)壁的徑向位移和混凝土、鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在倉(cāng)壁0.5～4 m范圍內(nèi)對(duì)筒倉(cāng)進(jìn)行加固.鋼筋混凝土筒倉(cāng)規(guī)范規(guī)定，空倉(cāng)時(shí)施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)使倉(cāng)壁的受壓值不高于混凝土抗壓強(qiáng)度的75%［12］，當(dāng)倉(cāng)壁厚度為220 mm，施加最大預(yù)應(yīng)力度為30%，即CFRP中的預(yù)加應(yīng)力為其極限抗拉強(qiáng)度的30%時(shí)，根據(jù)相應(yīng)材料參數(shù)計(jì)算得到其厚度不應(yīng)超過(guò)2.96 mm，取最大厚度為0.5 mm.

分別取工況1（未加固）、工況2（0.5 mm厚CFRP對(duì)0.5～4 m范圍無(wú)預(yù)應(yīng)力全包加固）、工況3（0.35 mm厚CFRP對(duì)0.5～4 m范圍施加5%預(yù)應(yīng)力全包加固，其中5%預(yù)應(yīng)力為對(duì)CFRP施加的預(yù)應(yīng)力為其自身極限抗拉強(qiáng)度值的5%）進(jìn)行計(jì)算.

計(jì)算結(jié)果表明，倉(cāng)壁高度大于6 m之后其徑向位移值、環(huán)向應(yīng)力值等均較小且均勻，材料均處于彈性受力階段，因此，以下曲線均只取倉(cāng)壁0.5～7 m高度范圍進(jìn)行詳細(xì)分析.

圖3為倉(cāng)壁的徑向位移隨筒倉(cāng)高度的變化曲線.無(wú)預(yù)應(yīng)力加固后，加固區(qū)倉(cāng)壁徑向位移值整體減小，但變化趨勢(shì)基本不變，仍有一個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，且峰值由3.55 mm減小到2.41 mm，減幅為32%.施加5%預(yù)應(yīng)力加固后，加固區(qū)倉(cāng)壁的徑向位移值顯著減小，且沿高度的變化趨勢(shì)發(fā)生改變，峰值點(diǎn)下移，數(shù)值減小到1.0 mm，減幅為71.8%，在2～4 m范圍內(nèi)，徑向位移值基本不變，約為0.41 mm；但相比無(wú)預(yù)應(yīng)力加固，加固區(qū)上部2 m范圍內(nèi)，徑向位移出現(xiàn)第二個(gè)峰值點(diǎn)，其值大于未加固及無(wú)預(yù)應(yīng)力加固時(shí)的數(shù)值，稱其為邊緣效應(yīng).

圖3 倉(cāng)壁混凝土徑向位移曲線1

圖4為倉(cāng)壁混凝土的環(huán)向應(yīng)力隨筒倉(cāng)高度的變化曲線.在加固區(qū)內(nèi)，未加固時(shí)混凝土應(yīng)力先減小后增大，無(wú)預(yù)應(yīng)力加固后應(yīng)力值整體有所增大，趨勢(shì)基本不變，5%預(yù)應(yīng)力加固之后混凝土應(yīng)力在0.5～2 m范圍繼續(xù)增大，但在2～4 m范圍則小于前兩種工況.由未加固時(shí)混凝土環(huán)向應(yīng)力隨高度變化的曲線可知，在0.5～2 m高度范圍內(nèi)倉(cāng)壁混凝土的受力狀態(tài)處于其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段，混凝土已產(chǎn)生塑性變形，圖3中該部位產(chǎn)生較大徑向位移也可間接證明；無(wú)預(yù)應(yīng)力加固后，由于CFRP的約束作用，混凝土的塑性變形減小，受力狀態(tài)向應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)靠近，應(yīng)力值有所回升.施加5%預(yù)應(yīng)力后，CFRP的約束作用增強(qiáng)，0.5～2 m范圍內(nèi)混凝土塑性變形進(jìn)一步減小，應(yīng)力值回升；而在2～4 m范圍內(nèi)，荷載相對(duì)較小，混凝土受力狀態(tài)處于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性受力階段，應(yīng)力值反而減小.由此可見(jiàn)，加固后混凝土的受力狀態(tài)由處于其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段向峰值點(diǎn)回退，甚至恢復(fù)到彈性受力階段，混凝土環(huán)向受力得到明顯改善.

圖4 倉(cāng)壁混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線1

圖5為倉(cāng)壁內(nèi)環(huán)向鋼筋的應(yīng)力隨筒倉(cāng)高度的變化曲線.無(wú)預(yù)應(yīng)力加固后，加固區(qū)內(nèi)環(huán)向鋼筋應(yīng)力值較未加固時(shí)整體減小，但趨勢(shì)不變，存在明顯峰值點(diǎn)，且峰值應(yīng)力由123.7MPa降至83.6 MPa，降幅為32.4%.施加5%預(yù)應(yīng)力后，加固區(qū)內(nèi)鋼筋應(yīng)力值顯著減小，且變化趨勢(shì)改變，峰值點(diǎn)下移，且峰值減為34.7 MPa，降幅為71.9%；在2～4 m范圍內(nèi)，環(huán)向鋼筋應(yīng)力值約為15 MPa，基本不變；應(yīng)力值在加固區(qū)上邊沿4 m高度處再次增大，在5 m處達(dá)到第二峰值27.6 MPa.

圖6為CFRP環(huán)向應(yīng)力隨筒倉(cāng)高度的變化曲線.無(wú)預(yù)應(yīng)力加固時(shí)，CFRP環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)范圍較大，介于26～92 MPa，且峰值應(yīng)力與倉(cāng)壁峰值位移位置對(duì)應(yīng).施加5%預(yù)應(yīng)力后，CFRP環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)較小，介于223～242 MPa，峰值應(yīng)力與徑向峰值位移位置仍對(duì)應(yīng).對(duì)比兩種工況，CFRP應(yīng)力均值由53.6 MPa迅速增加到226.9 MPa，后者是前者的4.23倍.并且前者數(shù)值波動(dòng)較大，后者則更為均勻.

圖5 環(huán)向鋼筋應(yīng)力曲線1

圖6 CFRP環(huán)向應(yīng)力曲線1

綜上所述，CFRP加固材料在無(wú)預(yù)應(yīng)力加固時(shí)只能使原有結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬蠝p小，不能使各參數(shù)的變化趨勢(shì)發(fā)生改變，存在明顯應(yīng)力滯后現(xiàn)象；而施加預(yù)應(yīng)力后，不僅能使對(duì)應(yīng)各變量的數(shù)值顯著減小，且能使結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力的變化趨勢(shì)發(fā)生改變，具有明顯主動(dòng)約束作用，同時(shí)各變量沿高度的變化趨于平緩，筒倉(cāng)各部分的受力變得更加均衡，受力狀態(tài)逐漸趨近最佳.

3.2 不同厚度和預(yù)應(yīng)力條件下計(jì)算結(jié)果分析

鑒于預(yù)應(yīng)力加固效果更顯著，本節(jié)將對(duì)不同厚度的CFRP施加不同預(yù)應(yīng)力度加固倉(cāng)壁，并對(duì)結(jié)果對(duì)比分析，得到最優(yōu)的CFRP厚度和預(yù)應(yīng)力度.加固工況見(jiàn)表2，加固后各材料的相關(guān)位移、應(yīng)力和應(yīng)變曲線分別見(jiàn)圖7～10.

表2 不同厚度和預(yù)應(yīng)力條件下的計(jì)算工況

由圖7可以看出，混凝土徑向位移曲線的變化趨勢(shì)基本一致.工況3的曲線與工況1的幾乎重合，說(shuō)明兩者在限制倉(cāng)壁徑向位移方面效果一致；工況4、5加固時(shí)的混凝土徑向位移均要大于工況1時(shí)的數(shù)值，且加固區(qū)峰值位移均大于加固區(qū)上部區(qū)域的峰值位移.由此可知，適當(dāng)減小CFRP的厚度同時(shí)增大預(yù)應(yīng)力也可以達(dá)到對(duì)徑向位移較好的限制效果，但厚度過(guò)小，即使繼續(xù)加大預(yù)應(yīng)力度，加固效果也會(huì)有所減弱，尤其是在加固區(qū)的相鄰區(qū)域.

圖7 倉(cāng)壁混凝土徑向位移曲線2

圖8 倉(cāng)壁混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線2

由圖8可以看出，加固區(qū)內(nèi)大部分混凝土受力處于彈性階段，只有工況4在0.5～1.5 m范圍出現(xiàn)明顯塑性發(fā)展現(xiàn)象.工況3對(duì)混凝土受力狀況的改善與工況1基本一致，而對(duì)于工況4、5，CFRP分擔(dān)的荷載稍小，混凝土中應(yīng)力略大，且在加固區(qū)上方4～6 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的塑性發(fā)展現(xiàn)象.

圖9 環(huán)向鋼筋應(yīng)力曲線2

由圖9可以看出，出現(xiàn)了工況1、2曲線幾乎重合的現(xiàn)象，說(shuō)明兩者對(duì)改善鋼筋受力的效果基本相同.工況4的鋼筋應(yīng)力要大于工況1的，尤其在兩個(gè)峰值點(diǎn)處應(yīng)力明顯較大；采用工況5，加固區(qū)應(yīng)力繼續(xù)減小但仍大于工況1的數(shù)值，并且在加固區(qū)上方峰值點(diǎn)處應(yīng)力基本不再降低，說(shuō)明使用0.2 mm厚度CFRP進(jìn)行加固時(shí)，即使進(jìn)一步增大預(yù)應(yīng)力度，對(duì)鋼筋的受力也較難實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善.

圖10 CFRP環(huán)向應(yīng)力曲線2

由圖10可以看出，CFRP中的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致；相同預(yù)應(yīng)力度時(shí)，各厚度的CFRP環(huán)向應(yīng)力均非常接近，而不同預(yù)應(yīng)力度時(shí)，CFRP環(huán)向應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力度的提高而顯著提高.按照5%作為預(yù)應(yīng)力梯度，則每提高一個(gè)等級(jí)CFRP應(yīng)力相應(yīng)提高約200 MPa，可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)CFRP的高強(qiáng)特性在越高的預(yù)應(yīng)力度條件下發(fā)揮的越充分.

綜上分析可知，CFRP厚度由0.5 mm減小到0.35 mm，同時(shí)預(yù)應(yīng)力度由10%提高到15%，均可取得較好的整體加固效果；而厚度繼續(xù)減小，加固效果變差，即使將預(yù)應(yīng)力度再提高，對(duì)于加固效果的改善也非常有限，尤其是加固區(qū)的上部區(qū)域.

因此，考慮節(jié)省材料、降低預(yù)應(yīng)力施加難度及實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際加固時(shí)建議采用0.5 mm厚度CFRP施加10%預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，或者采用0.35 mm厚度施加15%預(yù)應(yīng)力.考慮到繼續(xù)減小厚度加固效果變差，及高預(yù)應(yīng)力施加困難等因素，建議不宜使用更小厚度的CFRP進(jìn)行加固.

3.3 不同加固寬度條件下計(jì)算結(jié)果分析

使用預(yù)應(yīng)力加固后加固區(qū)上沿的相關(guān)位移、應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小的突變峰值，且在上部約2 m范圍內(nèi)各變量數(shù)值大于未加固時(shí)的數(shù)值；0.5 mm厚度10%預(yù)應(yīng)力和0.35 mm厚度15%預(yù)應(yīng)力加固時(shí)均取得較好的效果，但加固區(qū)上沿峰值大于加固區(qū)內(nèi)峰值.因此，本節(jié)將分析加固寬度對(duì)加固效果的影響.具體工況見(jiàn)表3，加固后各材料的相關(guān)位移、應(yīng)力和應(yīng)變曲線見(jiàn)圖11～14.

表3 不同加固寬度條件下的計(jì)算工況

圖11 倉(cāng)壁混凝土徑向位移曲線3

圖12 倉(cāng)壁混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線3

圖13 環(huán)向鋼筋應(yīng)力曲線3

圖14 CFRP環(huán)向應(yīng)力曲線3

由圖11～13可以看出，加寬前后工況1、3的曲線均基本重合.

加寬后混凝土徑向位移明顯減小，上部峰值點(diǎn)消失，曲線上最大值為加固區(qū)峰值，說(shuō)明增大寬度后，很好的限制了加固區(qū)上部的徑向位移，消除了邊緣效應(yīng).加固區(qū)上方4～6 m范圍出現(xiàn)混凝土進(jìn)入塑性階段的現(xiàn)象消失，混凝土基本處于彈性受力階段；該范圍內(nèi)鋼筋應(yīng)力峰值顯著減小，鋼筋應(yīng)力值低于未加固時(shí)的數(shù)值，其最大值小于加固區(qū)峰值.同樣說(shuō)明增大寬度后很好消除了邊緣效應(yīng)，使鋼筋受力更加均勻.

由圖14可以看出，加寬前后CFRP中的應(yīng)力無(wú)明顯變化，變化趨勢(shì)及數(shù)值均保持一致.

綜上分析可知，加固寬度增大后，可消除加固區(qū)上方的邊緣效應(yīng)，使混凝土徑向位移、環(huán)向鋼筋應(yīng)力從加固區(qū)的較小值逐漸過(guò)渡到未加固區(qū)，數(shù)值突變現(xiàn)象消失，無(wú)明顯峰值點(diǎn)，加固區(qū)內(nèi)的數(shù)值均小于未加固時(shí)的相應(yīng)數(shù)值.

在實(shí)際工程中可根據(jù)筒倉(cāng)貯料荷載的大小適當(dāng)增大加固寬度，消除邊緣效應(yīng)，使加固后起控制作用的位移和應(yīng)力處于加固區(qū)域內(nèi).

3.4 采用CFRP條帶加固的計(jì)算結(jié)果分析

考慮到全包方式將耗費(fèi)較多材料及加固時(shí)存在的困難，根據(jù)較為成熟的纖維材料自鎖式錨具施加預(yù)應(yīng)力的方法［13］，使用CFRP條帶進(jìn)行間隔加固.取5條寬0.5 m，厚0.5 mm的條帶間隔0.5 m對(duì)0.5～5 m高度范圍進(jìn)行加固.具體工況見(jiàn)表4.

表4 采用CFRP條帶加固的計(jì)算工況

由圖15可以看出，工況2的混凝土徑向位移大于工況1，尤其在0.5～2 m范圍內(nèi)增大明顯，在1 m高度處出現(xiàn)較明顯峰值，達(dá)到1 mm；在2～5 m范圍內(nèi)，條帶加固的位移值出現(xiàn)連續(xù)的較小波動(dòng)，且波谷和波峰的位置與條帶和間隔的位置相對(duì)應(yīng)；鑒于工況2條件下加固區(qū)會(huì)出現(xiàn)較大峰值點(diǎn)，設(shè)置了工況3、4，由曲線看出，下部條帶的預(yù)應(yīng)力增大后，混凝土在相應(yīng)區(qū)域的徑向位移明顯減小，尤其施加20%預(yù)應(yīng)力后，混凝土徑向位移最大值低于工況1的數(shù)值，加固效果良好.

由圖16可以看出，后3種工況的混凝土應(yīng)力非常接近，且均大于工況1的數(shù)值.條帶加固后，混凝土應(yīng)力在加固區(qū)內(nèi)出現(xiàn)與條帶相對(duì)應(yīng)的輕微波動(dòng)；且除下部1～2 m范圍內(nèi)存在較小的差異外，3種條帶加固工況下混凝土的應(yīng)力曲線基本重合，這是因?yàn)榧庸毯蠡炷潦芰咎幱趹?yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)附近.分析可知，條帶加固時(shí)混凝土中的應(yīng)力將大于全包形式，由于此時(shí)混凝土受力大部分處于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段，因此使混凝土自身性能得到了更好地發(fā)揮.

圖15 倉(cāng)壁混凝土徑向位移曲線4

圖16 倉(cāng)壁混凝土環(huán)向應(yīng)力曲線4

由圖17可以看出，工況2的加固區(qū)鋼筋應(yīng)力要大于工況1，且鋼筋應(yīng)力在0.5～2 m范圍內(nèi)增加明顯，有明顯的峰值點(diǎn)；增大最下部條帶預(yù)應(yīng)力度后，該峰值明顯減小，尤其施加20%預(yù)應(yīng)力后，鋼筋應(yīng)力峰值已低于全包加固時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值；在2～5 m區(qū)域內(nèi)，條帶加固時(shí)的鋼筋應(yīng)力值略大于全包加固的情況，并出現(xiàn)輕微波動(dòng)，波谷和波峰的位置分別與條帶和間隔的中間位置相對(duì)應(yīng)；因鋼筋處于彈性受力的最初階段，鋼筋應(yīng)力適當(dāng)增大有利于鋼筋性能的發(fā)揮；在加固區(qū)應(yīng)力值低于未加固區(qū)最大應(yīng)力值時(shí)，采用條帶法加固更為合理.

由圖18可以看出，工況2的CFRP應(yīng)力值略大于工況1，最下部條帶增大較為明顯，這是由于對(duì)應(yīng)位置倉(cāng)壁徑向位移較大造成CFRP應(yīng)變?cè)龃笠布磻?yīng)力增大.增大最下部條帶預(yù)應(yīng)力后，CFRP的應(yīng)力顯著增加，仍基本按照5%預(yù)應(yīng)力梯度應(yīng)力相應(yīng)增減200 MPa.

圖17 環(huán)向鋼筋應(yīng)力曲線4

圖18 CFRP環(huán)向應(yīng)力曲線4

綜上分析看出，采用CFRP條帶加固后，混凝土的徑向位移及鋼筋的應(yīng)力均有所增加，特別是0.5～2 m荷載較大的位置，數(shù)值增大明顯；因?yàn)镃FRP材料的減少導(dǎo)致分擔(dān)的荷載減少而使混凝土的環(huán)向應(yīng)力增大，并產(chǎn)生較小的塑性應(yīng)變；而增大下部第一條CFRP中的預(yù)應(yīng)力后，CFRP應(yīng)力顯著增加，對(duì)應(yīng)區(qū)域鋼筋的應(yīng)力和混凝土的應(yīng)力及塑性應(yīng)變明顯減小.

采用條帶加固時(shí)，相應(yīng)區(qū)域的位移、應(yīng)力等會(huì)出現(xiàn)微小的波動(dòng)，但對(duì)加固效果無(wú)明顯影響，且條帶加固便于施工，可靈活調(diào)節(jié)條帶的寬度與間隔，使加固區(qū)域的位移、應(yīng)力水平趨于均勻一致，從而達(dá)到更優(yōu)的加固效果.

4 結(jié) 論

1）采用無(wú)預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼筋混凝土筒倉(cāng)倉(cāng)壁后，倉(cāng)壁的位移、應(yīng)力等都有明顯降低，但是CFRP的受力存在明顯的被動(dòng)滯后現(xiàn)象；施加預(yù)應(yīng)力后，CFRP能夠提供主動(dòng)約束，使倉(cāng)壁的位移、應(yīng)力等均顯著降低，明顯提高其承載能力，并且CFRP中的應(yīng)力變得穩(wěn)定均勻，材料的高強(qiáng)特性得到更加充分的發(fā)揮.

2）采用0.5 mm厚度CFRP施加10%預(yù)應(yīng)力或者采用0.35 mm厚度施加15%預(yù)應(yīng)力對(duì)倉(cāng)壁加固時(shí)均可獲得較好的加固效果.實(shí)際使用時(shí)可結(jié)合經(jīng)濟(jì)性選擇合適的方案.

3）加固寬度不足將會(huì)導(dǎo)致加固區(qū)邊緣出現(xiàn)位移、應(yīng)力明顯增大現(xiàn)象，加寬后該邊緣效應(yīng)消失；實(shí)際加固時(shí)可適當(dāng)增大加固寬度，使其覆蓋未加固時(shí)位移、應(yīng)力明顯較大的區(qū)域來(lái)消除邊緣效應(yīng).

4）將加固形式由全包CFRP改為條帶后，位移、應(yīng)力等曲線在加固區(qū)內(nèi)出現(xiàn)輕微波動(dòng)，但是整體加固效果良好，并且可以靈活調(diào)節(jié)CFRP的厚度、預(yù)應(yīng)力度以及條帶的寬度與間隔來(lái)進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)，可達(dá)到節(jié)省材料、降低施工難度等效果.

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（編輯 趙麗瑩）

Static behavior of circular reinforced concrete silo strengthened with lateral pre-stressed method

ZHOU Changdong1，HOU Pingyang2
（1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，100044 Beijing，China；2.Evergrande Real Estate Group Ltd.，510620 Guangzhou，China）

To study static behavior of circular reinforced concrete silo strengthened with pre-stressed carbon fiber reinforced polymer（CFRP）under stored material load，considering the influence of reinforcement parameters such as strengthening method，pre-stress level，width，thickness，and reinforcement form on reinforced effect，comparative analysis were performed between reinforcement models established according to 5 different influencing factors.The results show that lateral pre-stress could effectively restrict radial displacement，concrete and steel stress of silo wall and improve the stress level of silo wall.The lateral prestress can largely improve the damage stress of CFRP and bringing the high-strength characteristic of CFRP into full play.The thickness of CFRP should be from 0.35 mm to 0.50 mm and the pre-stress level should be from 10 to 15 percent of its ultimate tension strength.

reinforced concrete silo；lateral pre-stress；strengthening；CFRP；numerical analysis

TU37；TU33+2

A

0367-6234（2014）06-0093-07

2013-08-18.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51178029）.

周長(zhǎng)東（1971—），男，博士，教授.

周長(zhǎng)東，zhouchangdong＠163.com.