王　杰

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶　400074)

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新安全儲(chǔ)備條件下的碳纖維板張拉控制應(yīng)力分析

王杰

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

基于葉列平、馮鵬等人提出的等效安全儲(chǔ)備系數(shù)條件，對(duì)三片碳纖維板加固T梁進(jìn)行試驗(yàn)比較研究，試驗(yàn)結(jié)果表明碳板預(yù)應(yīng)力水平合理，驗(yàn)證了等效安全儲(chǔ)備系數(shù)適用于碳纖維構(gòu)件。

FRP筋，安全儲(chǔ)備系數(shù)，預(yù)應(yīng)力，碳纖維構(gòu)件

1　葉列平、馮鵬等人提出的安全儲(chǔ)備指標(biāo)

1.1安全儲(chǔ)備指標(biāo)的說明

安全儲(chǔ)備是指結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件在遇到意外情況時(shí)極限破壞狀態(tài)與設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)的比值。目前工程結(jié)構(gòu)中主要采用兩種安全儲(chǔ)備系數(shù)，一種是承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)，即：

Du=Mu/Mk

(1)

其中，Mu為梁的最大受彎承載力；Mk為設(shè)計(jì)彎矩值。顯然，此安全儲(chǔ)備系數(shù)反映的只是承載力安全儲(chǔ)備程度，不能反映結(jié)構(gòu)變形能力。第二種儲(chǔ)備系數(shù)為延性指標(biāo)系數(shù)，反映結(jié)構(gòu)的變形能力，即:

C=Gu/Gk

(2)

其中，Gu為梁破壞時(shí)的最大曲率；Gk為設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)下的曲率。為了更能直觀的反映兩種安全儲(chǔ)備的聯(lián)系與區(qū)別，以圖1為例加以說明。

由圖1中可以清晰的看出，極限變形狀態(tài)與承載力極限狀態(tài)并不是同一極限狀態(tài)點(diǎn)。然而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲(chǔ)備往往同時(shí)包含承載力和變形能力安全儲(chǔ)備。因此無法用這兩種安全儲(chǔ)備系數(shù)簡單的來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能。對(duì)于經(jīng)常超載的橋梁結(jié)構(gòu)中，采用承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)Du更為適合，而對(duì)于地震多發(fā)地帶采用變形能力儲(chǔ)備系數(shù)C更為合理，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)延性對(duì)緩解沖擊作用更有意義。不過，雖然延性指標(biāo)很有意義，但同時(shí)保證足夠的承載力安全儲(chǔ)備也是必不可少的。

1.2等效承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)

由于安全儲(chǔ)備系數(shù)Du和C不能全面的反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力和變形能力兩個(gè)方面的安全儲(chǔ)備程度，因此，葉列平、馮鵬等人提出了等效安全儲(chǔ)備系數(shù)Neq。

Neq=S/C

(3)

其中，S為變形能力安全儲(chǔ)備系數(shù),S=Eu/Ek,Eu為構(gòu)件破壞時(shí)的最大變形能力，即圖2中OABC下的面積，Ek為構(gòu)件設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)下的變形能力，即圖2中OA曲線下的面積。

圖2為不同彈塑性受力性能的彎矩—曲率關(guān)系曲線，其中A點(diǎn)為屈服點(diǎn)，B點(diǎn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)，E點(diǎn)為破壞極限狀態(tài)點(diǎn)，A點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)的承載力儲(chǔ)備系數(shù)為b，AE段斜率與OA段斜率之比為k，由式(3)定義可得OBAE彈塑性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的等效承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)為:

(4)

而在通常情況下，b>1,稱b為基本承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)。我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中b一般取1.25。根據(jù)等效安全儲(chǔ)備系數(shù)的定義，在此系數(shù)下既考慮了承載力安全儲(chǔ)備也考慮了變形能力安全儲(chǔ)備，同時(shí)此系數(shù)使工程結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備概念清晰，物理概念明確。

2　新的延性指標(biāo)的應(yīng)用

2.1延性指標(biāo)的引用

根據(jù)我國GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范分析可得，我國目前現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，結(jié)構(gòu)的基本承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)Du約為1.4，等效安全儲(chǔ)備系數(shù)Neq在1.74～2.08之間，因此葉列平，馮鵬提出的等效承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)Du≥1.5，Neq≥ 2.1，是符合工程實(shí)際需要的。下面以Du≥1.5，Neq≥2.1為統(tǒng)一安全儲(chǔ)備要求，分析實(shí)驗(yàn)中的三片梁構(gòu)件。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1試件設(shè)計(jì)

為了研究預(yù)應(yīng)力加固T梁的延性，試驗(yàn)對(duì)三片T梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中2片為新構(gòu)件，1片為舊構(gòu)件。新構(gòu)件為T梁構(gòu)件，全長6 200 mm，凈跨為5 800 mm，純彎段為1 200 mm,截面尺寸為b×h=200 mm×500 mm，bf×hf=600 mm×100 mm,底筋配置3B20，頂部配置6B12架立鋼筋，純彎段箍筋采用B8@200，其余為B8@100，舊構(gòu)件尺寸和配筋與新構(gòu)件完全相同。

3根試件分別為1根新的對(duì)比T梁構(gòu)件(編號(hào)為BX0)和2根單層鉸式加固T梁，對(duì)其中的新構(gòu)件進(jìn)行單層2 mm×50 mm(厚×寬)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，初始張拉應(yīng)力為2 000 MPa左右(編號(hào)為BX2)；另外一根舊構(gòu)件進(jìn)行單層3 mm×50 mm(厚×寬)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，初始張拉應(yīng)力為1 400 MPa左右(編號(hào)為BJ3)。

2.2.2試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)混凝土采用C30，實(shí)測(cè)其抗壓強(qiáng)度平均值為43.4 MPa，下部受拉鋼筋采用HRB335熱軋鋼筋，實(shí)測(cè)其屈服強(qiáng)度499.2 MPa，極限強(qiáng)度平均值為601.4 MPa。加固采用2 mm×50 mm及3 mm×50 mm的CFRP板，其材料性能如表1所示。

2.2.3試驗(yàn)測(cè)量方案

表1　材料性能參數(shù)表

為了測(cè)量試驗(yàn)過程中鋼筋應(yīng)變的變化，在底部邊上兩根縱向受拉鋼筋上各粘貼11個(gè)5 mm×2 mm規(guī)格的電阻應(yīng)變片，為了測(cè)量混凝土應(yīng)變的變化，在T梁跨中頂板上均勻的粘貼了5個(gè)100 mm×3 mm規(guī)格的電阻應(yīng)變片，兩根構(gòu)件的鋼筋應(yīng)變片之間的間距為50 cm，共粘貼11片應(yīng)變片。對(duì)比構(gòu)件BX0，除了沒有CFRP板應(yīng)變片，其他應(yīng)變片布置與BXD2和BJD3以及混凝土應(yīng)變片的布置是完全相同的(如圖3所示)。另外，在梁跨中底部布置了位移計(jì)以測(cè)量梁的跨中變形，張拉端布置了壓力傳感器以測(cè)量張拉過程中預(yù)拉力的大小，張拉采用手動(dòng)千斤頂，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行采集。

構(gòu)件試驗(yàn)加載裝置見圖4。

2.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程及加載方案。該試驗(yàn)先張拉碳板，每20 kN作為一級(jí)進(jìn)行張拉，最后張拉到200 kN鎖緊螺絲。張拉完后進(jìn)行碳板頂升。本試驗(yàn)采用2點(diǎn)加載的試驗(yàn)方案，通過分配梁來實(shí)現(xiàn)。BX0構(gòu)件采用液壓千斤頂加載，BX2和BJ3構(gòu)件采用手動(dòng)千斤頂加載(如圖4所示)。

2.4試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　試驗(yàn)主要結(jié)果

2.5試驗(yàn)結(jié)果分析

構(gòu)件BX0與BX2屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的荷載和撓度值如表3所示，則其設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)D則通過基本安全儲(chǔ)備指標(biāo)Nu=1.5反算確定，得到的設(shè)計(jì)點(diǎn)見表3。再按式(4)，由極限點(diǎn)計(jì)算得到等效承載力安全儲(chǔ)備指標(biāo)Neq也列于表3中?？梢钥吹絻蓚€(gè)構(gòu)件都能滿足Neq≥2.1。

表3　屈服點(diǎn)反算設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

BJ3構(gòu)件抗力曲線沒有顯著的屈服點(diǎn)，則根據(jù)撓度變形控制條件計(jì)算設(shè)計(jì)D所對(duì)應(yīng)的荷載Fd和Dd。一般建筑結(jié)構(gòu)中梁的撓度控制限值為1/250～1/300，構(gòu)件BJ3以撓度值1/300作為控制條件。由表3中構(gòu)件BJ3的極限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值和撓度值及構(gòu)件的抗力曲線，計(jì)算得等效承載能力安全儲(chǔ)備指標(biāo)Neq=2.14≥2.1。

通過以上的計(jì)算分析知三片梁都滿足Nu≥1.5且Neq≥2.1，說明構(gòu)件BX2及BJ3的碳板預(yù)應(yīng)力水平的取值是合理的，即能在滿足構(gòu)件延性要求的基礎(chǔ)上，最大限度的提高構(gòu)件的正常使用荷載。也再一次證明馮鵬、葉列平等人提出的基本承載能力安全儲(chǔ)備指標(biāo)Nu≥1.5及Neq≥2.1是合理的。

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Analysis on carbon fiber tension control stress under new safety storage condition

Wang Jie

(CollegeofCivilBuilding,ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

Based on equivalent safety storage coefficients conditions proposed by Ye Lieping and Feng Peng, the paper carries out comparative research for three carbon fiber board reinforcing T-beam. The experimental results show that: the carbon fiber board prestress level is rational, which proves that: equivalent safety storage coefficient is suitable for carbon fiber components.

FRP tendon, safety storage coefficient, prestress, carbon fiber component

1009-6825(2016)19-0029-02

2016-04-27

王杰(1989- ),男，在讀碩士

TU311

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