王　杰

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶　400074)

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新安全儲備條件下的碳纖維板張拉控制應(yīng)力分析

王杰

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

基于葉列平、馮鵬等人提出的等效安全儲備系數(shù)條件，對三片碳纖維板加固T梁進行試驗比較研究，試驗結(jié)果表明碳板預(yù)應(yīng)力水平合理，驗證了等效安全儲備系數(shù)適用于碳纖維構(gòu)件。

FRP筋，安全儲備系數(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備指標

1.1安全儲備指標的說明

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

Du=Mu/Mk

(1)

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

C=Gu/Gk

(2)

其中，Gu為梁破壞時的最大曲率；Gk為設(shè)計目標狀態(tài)對應(yīng)下的曲率。為了更能直觀的反映兩種安全儲備的聯(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。然而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲備往往同時包含承載力和變形能力安全儲備。因此無法用這兩種安全儲備系數(shù)簡單的來評價結(jié)構(gòu)性能。對于經(jīng)常超載的橋梁結(jié)構(gòu)中，采用承載力安全儲備系數(shù)Du更為適合，而對于地震多發(fā)地帶采用變形能力儲備系數(shù)C更為合理，因為結(jié)構(gòu)延性對緩解沖擊作用更有意義。不過，雖然延性指標很有意義，但同時保證足夠的承載力安全儲備也是必不可少的。

1.2等效承載力安全儲備系數(shù)

由于安全儲備系數(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方面的安全儲備程度，因此，葉列平、馮鵬等人提出了等效安全儲備系數(shù)Neq。

Neq=S/C

(3)

其中，S為變形能力安全儲備系數(shù),S=Eu/Ek,Eu為構(gòu)件破壞時的最大變形能力，即圖2中OABC下的面積，Ek為構(gòu)件設(shè)計目標狀態(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點為屈服點，B點為設(shè)計目標點，E點為破壞極限狀態(tài)點，A點相對于B點的承載力儲備系數(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備系數(shù)。我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中b一般取1.25。根據(jù)等效安全儲備系數(shù)的定義，在此系數(shù)下既考慮了承載力安全儲備也考慮了變形能力安全儲備，同時此系數(shù)使工程結(jié)構(gòu)安全儲備概念清晰，物理概念明確。

2　新的延性指標的應(yīng)用

2.1延性指標的引用

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)計標準中，結(jié)構(gòu)的基本承載力安全儲備系數(shù)Du約為1.4，等效安全儲備系數(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備系數(shù)Du≥1.5，Neq≥ 2.1，是符合工程實際需要的。下面以Du≥1.5，Neq≥2.1為統(tǒng)一安全儲備要求，分析實驗中的三片梁構(gòu)件。

2.2實驗設(shè)計

2.2.1試件設(shè)計

為了研究預(yù)應(yīng)力加固T梁的延性，試驗對三片T梁進行了試驗研究，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根新的對比T梁構(gòu)件(編號為BX0)和2根單層鉸式加固T梁，對其中的新構(gòu)件進行單層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(編號為BX2)；另外一根舊構(gòu)件進行單層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(編號為BJ3)。

2.2.2試驗材料

本試驗混凝土采用C30，實測其抗壓強度平均值為43.4 MPa，下部受拉鋼筋采用HRB335熱軋鋼筋，實測其屈服強度499.2 MPa，極限強度平均值為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試驗測量方案

表1　材料性能參數(shù)表

為了測量試驗過程中鋼筋應(yīng)變的變化，在底部邊上兩根縱向受拉鋼筋上各粘貼11個5 mm×2 mm規(guī)格的電阻應(yīng)變片，為了測量混凝土應(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以測量梁的跨中變形，張拉端布置了壓力傳感器以測量張拉過程中預(yù)拉力的大小，張拉采用手動千斤頂，試驗數(shù)據(jù)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行采集。

構(gòu)件試驗加載裝置見圖4。

2.3試驗方案

試驗過程及加載方案。該試驗先張拉碳板，每20 kN作為一級進行張拉，最后張拉到200 kN鎖緊螺絲。張拉完后進行碳板頂升。本試驗采用2點加載的試驗方案，通過分配梁來實現(xiàn)。BX0構(gòu)件采用液壓千斤頂加載，BX2和BJ3構(gòu)件采用手動千斤頂加載(如圖4所示)。

2.4試驗結(jié)果

本試驗的主要試驗結(jié)果見表2。

表2　試驗主要結(jié)果

2.5試驗結(jié)果分析

構(gòu)件BX0與BX2屈服點、極限點分別對應(yīng)的荷載和撓度值如表3所示，則其設(shè)計目標點D則通過基本安全儲備指標Nu=1.5反算確定，得到的設(shè)計點見表3。再按式(4)，由極限點計算得到等效承載力安全儲備指標Neq也列于表3中。可以看到兩個構(gòu)件都能滿足Neq≥2.1。

表3　屈服點反算設(shè)計點計算結(jié)果

BJ3構(gòu)件抗力曲線沒有顯著的屈服點，則根據(jù)撓度變形控制條件計算設(shè)計D所對應(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的極限點對應(yīng)的荷載值和撓度值及構(gòu)件的抗力曲線，計算得等效承載能力安全儲備指標Neq=2.14≥2.1。

通過以上的計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備指標Nu≥1.5及Neq≥2.1是合理的。

[1]彭暉,尚守平.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁的試驗與理論研究[J].公路交通科技,2009,26(10):59-65.

[2]黃滔.CFRP板預(yù)應(yīng)力錨具試驗研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2009.

[3]卓靜.高強度復(fù)合材料FRP片材波形齒夾具錨錨固系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學博士學位論文，2004.

[4]TriantafillouT.C,DeskovicN.Innovative Prestressing with FRP sheets:mechanics ofshort-term behavior[J].Journal of Engineering Mechanics,1991,117(1):1652-1672.

[5]卓靜，李唐寧.FRP片材波形齒夾具錨的原理[J].土木工程學報,2005(10):121-122.

[6]卓靜.一種碳纖維板快速張拉新工藝及工程應(yīng)用[D].重慶：重慶交通科研設(shè)計院，2010.

[7]卓靜，李唐寧.波形齒夾具錨和U型箍錨固作用的力學機理[J].中國公路學報，2007，20(3):48-53.

[8]Lu Z,Boothby T E.,Nannies C E.,et al.Transfer and Development Lengths of FRP Prestressing Tendons[J].PCI,Journal,2000,45(2):84-95.

[9]葉列平,馮鵬.FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學報,2006,39(3):24-36.

[10]Christoffersen J., Hauge L.Use of Non-corrodible Reinforcement in Concrete Bridges.Singapore：Current and Future Trends in Bridge Design，Construction.

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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