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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

        2016-11-03 06:53:41
        山西建筑 2016年19期
        關(guān)鍵詞:延性儲備張拉

        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。

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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

        A

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