1、東北林業大學碩士學位論文碳纖維加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗姓名:王潤建申請學位級別:碩士專業:道路與鐵道工程指導教師:于天來20040301 永北轉業人學碩士學協論文3碳纖維布加固鋼筋混凝土梁錨圈方式的試驗研究采用碳纖維布讖行抗彎加圓一般是將酸纖維布粘r貽在爨拉醞,加固效巢的好壞與碳纖維布和游凝之聞秸緒性畿的優劣是緊密相關豹。大量試驗結萊“表唆CFRP船霞混凝粱程正緩瑟被壞之簿綴可麓會發生鑲強酸輻:繯護蔗瀅凝贅甥受控剝褰破輻、CFRP與強凝之闐艟糙結剝藏破坯(對于最后一種破塥在牯結膠豹質量及施工質量有保證時是可以避免的,對于保護層混凝土剪切受拉剝離破壞只有通過附加錨固攢施來解決。因此,錨固問

2、題在CFRP加固混凝土梁中是一個非常關鍵的問題,錨固的好壞將贏接影響到加固的效果。采用碳纖維u形箍作為附加錨固具有對原結構影響小、施工簡便快捷等優點,因此該附加錨固方式在實際工程中應用最多。本文重點研究了碳纖維u形箍的位置、數鬃及聞距等困索對綴向碳繹綣南銹露壘髓靜彰響。3.1試驗概凝3.1。l鋼筋混凝梁設計試件采用矩形截面簡支粱,綴向受力鋼筋2審16,架立筋為2垂8,剪籃區箍筋審810,純彎段箍翁審820,鋼蕊保護層3cm,醚筋及截露尺寸翔圖3一l掰示。廣JILlo培”確辯f碡l隧3-1鋼筋滏凝土粱配筋及氏寸示意圖3.1.2鋼筋和混凝土強度測試襲3-1鋼筋性能指標鋼筋屈服強度(MPa抗拉強度(

3、MPa彈性模置(MPa I級鋼牽164055652.0105f級鋼審83604502.1103表32混凝童惶簸指標l粱號A櫸醚一l A張一2A鬻鏨一3A硼一4A驀鞋S AwM6I I l立方體強度(MPa51.150。754。l51.153。O46.2I 淀:碳纖維布性8%指標她表2-l。 永lE撻業大學頤=:學位論文/77/巧玎彳j1型謄*Hi誓鞫l l l lI1I J l.j Il*一+_I.+。.I+_+8一”-jl”nooL0一“l J一j,_j j沒:I-54為殘變持:55300mm寬U碳紓維形箍;56一100mm寬碳纖維u形箍:5750mm寬碳纖維U形箍;58-I屢縱向受拉碳纖維

4、布圈3-6AwM一6(300mm、100洲、50寬U形碳纖維箍3.1。4試驗裝置及儀表布置試驗采用螺旋予廳頂加載,試驗裝覆及儀表意置憾況熱圖3-7所示。加載方式為兩點加載,加載點為試驗梁三分點,用分醮梁來實現兩點加載,加載方案采用分級加載方式,當試驗梁接近開裂及屈服時,適當減少衙載增量,以便較準確的確定開裂和屈服荷裁,每級葡載施加后穩定10min再采集有關數據。根據試驗瞬的,在試驗遺程中用力傳感器控制每級荷載:麗亥度放大鏡蕊察裂縫出現、開裂過程及裘縫形態,量測在使嗣禱載下裂縫蘸裂縫潮距及裂縫寬度。薅宅瓣應變片l|羹涅凝土鞍碳紓維戇應交,袋溺e(型稷控巡測儀進孬數據采集。廳|n|圖3-7試驗裝置

5、及儀表帶置示意圖3.2試驗結果分析各試件的玻環形態如表3-3所猁。12 塞北林業大學碩士學位論文表4-1試件主要參數試傳編號(翻a縱餐配簸壤、玩碳野維垮度(&镕碳纖纓寬度(鑊濺接熬A秘051.0O O無 A戳一l Sl。l0。lll200蘢A#l一247。00.1ll2200奢AWl一344。O0。11l3200有A AW2-143.80.111100X2有2審16組AW2-247.4O.111X21002有AW2352.9O.1llX3100x2有A詳4147.7O.nI504有磊鼯4250.O0。lll2504有A彈43硅1.00,1ll3504寄B B辮一O42,l0O有2中20組BWl

6、一148.90.11l200有表4-2鋼筋的性能指標試件種類鋼筋規格屈服強度(MPa極限強度(_lPa彈性模量(MPa審83604502.1x105 A組曲164055652,0l妒審83184622.1i穢B組審203955882,0x105捷:碳紆維蠢的性8指標絲交2-t4.1.2麴載方案及試驗量測疼窯試驗測點布籬翔4-1萄繇示,其體鱉灝斑容如下:l。在漿豹跨孛囂鍘分剔蠢鬟5個80mmI揀疆豹毫隰應變片蠲|奠測攫跨中截蘸上務點應變表驗證乎裁聰假定;2.在梁底兩加載點中間的縱向纖維上布簧34個標距為5mm的電阻廢變片,用于測量碳纖維的平均拉威變:3.在梁底端部u形箍和加載點處u形箍之間的縱向

7、纖維上分別布置22個標距為 樂I棟業大學頊:學攮論文的結果可以看出,在混凝土開裂前平截粥假定成立,開裂尉,其平均應變仍然符合乎截讞假定,因此在計算分析過程中,可以采用平截面假定。(A梁AW22粱AW3-4黢4-2跨中載囂痰變澮粱毒的分布規律唾.2.3碳纖維麴闌梁受彎承載力的影晌因素1.混凝土強度文俘“對混凝強度豹影豹傲了分椽。在鋼筋混凝懣麓粱中,滋凝強發提薅,極投彎矩疲棗定數增熱,這主要是漫凝強度數提離,嘏應的受妥區裹度隨之減少,級簇數力臂增加,極艱彎矩稍有增加。對于碳纖維加固梁虹存在類似現象,依據平截面假定不同混凝土強度的試件截面極限狀念時應變分布見圖4-3,由圖43(A可知當破壞狀態為碳纖

8、維拉斷時,隨著混凝土強度的提簡,縱筋及碳纖維的力臂隨之增長,極限彎矩也有一定增長:由圖4-3(B,當破壞狀態為混凝土壓碎時,隨著渥凝土強度的撬高,縱筋及碳纖維的應嶷和力臂均隨之增糯,極限彎矩盤福應增魏。對手碳纖維羧斷靜清淡,崮于碳纖維稷限應交禳離,此時豹受壓送離凌很小,困j斃混凝強度豹交純對檄羧彎矩豹影羲綴奪,在詩算申可考慮麓化。出本文試駿梁黢最殿破螺狀態可以褥知,在縱麓配翦攀相同及上緣混凝士沒有壓碎馳條件下,隨饕碳纖維加固量的增加,試驗粱的破壞狀態由碳纖維拽斷轉變為梁底緣混凝土被拉下的粘結破壞,這是出于混凝土抗拉強度不足而造成的。這說明,在縱筋配筋率相同的情況下,對于碳纖維用薰較低的梁.混凝

9、土強度的增加對加固廄鋼筋混凝土梁承載力的提高貢獻授小,而對于酸纖維雨量較高的梁,潺凝土強度的增稚對麗固意鋼翁混凝粱承載力的繩高貢獻較大。碳纖維加鋼筋溉凝十粱抗彎性能的試驗研究j/混凝t強度較低混凝土強度較搿瑟涯凝土強度鞍低/。(A破壞狀怨為碳纖維扳斷(8破壞狀態為潞凝土壓碎豳4-3截面成愛分布圖2.縱向配筋率由試驗數據可知,隨著配筋率的撬籬,碳紓縫翡船固效果降低,試律AWl一2的綴筋淹2妒16,加固梁的極限荷裁比基準梁提商了83KN,而BWI一1的縱筋為2m20,加固梁的極限穡載比基準粱提嵩了26KN。綴翁熬筋率對鴦噩露潦的影響輥強鞫渥凝主強度豹楣近,不同鬻筋率試終扳陵獲態靜分程見圖44,幽圖

10、44(h可知當破壞狀怨為碳纖維拉斷時,隨著瓢筋率的增加,縱筋及碳纖維的力臂降低,碳纖維對極限彎矩的增加應有一定的鼴低;出圖4-4(B,當破壞狀念為混凝土透醛露,隨黌緩篾配簸率的增鴦妥,緞簸及碾紓維靜藏交及力甓懿隧之降低,驥纖維薅極限駑矩的增加墩相應降低。考慮到實際情況,配筋率的影響,在計算中可適當考慮簡化。夕/縱筋蕊翁率較高徐級螯配菸率較病(A破壞狀態為碳纖維控斷(8破壞狀態為混凝壓碎圖4-4截面應變分布圖3,糙賊方式對極限承載力的影嘲表4一l中的A組試傳焉來分橋條寬為5cm,lOcm,20cm時,不同層數的碳纖維加固梁抗彎極限承載力的變化。圖45給出了主要試驗結果(梁Aw】-1和AW-2結果

11、差別較大,沒有列出。9 酸紓維翔磷鋼簸巍凝t梁菝駑蛙熊魏試驗職究 圖妒7鋼筋應蜜比較凰4.2.5碳纖維加固梁變形狀態的分析加固前后梁的跨中撓度與荷載的關系髓線覓圖48。幽該圖及試驗數據分析可以發現:在加載初期,各試駿梁的撓度相差不多;混凝土開裂后,尤其是縱囪鋼筋屬服后,來加固粱的撓度急劇增長,麗加固梁的撓度增長緩慢。在相同荷載下,加圃梁的撓艘均小于未加固粱的撓度,且這耪差髯隨羞旖裴靜增大囂增大。這說鍵,終纓翱固粱在鏹筋斌鼴之懿對粱豹潮度影響很小。屈服聰,對粱的剛度肖一定程度的提漸,且隨著碳纖維用量的增加麗增加。 豳4-8旖載一撓鷹關系曲線東l藕業大學硬士學證論文4。2。6碳繹維翔霞粱裘縫形態瓣

12、分褥A基準粱的裂縫開驀態8貼瑟凝爵攀竅熱隧粱耱裂縫澎惑0魅瓣漂壤纖維蠢搬麟粱戇裂縫搿惑8建囂瓣羰鳋綣密熱溺黎懿裂縫澎卷蹦4-9趣爨翦后裂縫形態鞍靄4-9淹最愛玻壞對碳紓繯掇礤蘩勰露簿后靜裂縫形態鬻,可鬣基藤粱鶼裂縫凝距較賽,寬度較大,數量較少。由于CFRP的約束作用,加固后梁的裂縫發展緩慢,裂縫間距較小,數譬增多,寬度減棗,近置隧饕疆鱈鑲艨鼗熬避多,這翳趨勢燙熬明羹。當侉燧在粱主靜蔣載較大髓,在潦凝稚膠器疆土產生較大靜剪廢力,掰戳在縫彎段,粱會產生些瓣袋縫,特剮愚三層CFRP加固鬣的辯,在純彎羧產釜邋乎水平的袈縫,若蔣載繼續增大,藏會發生混獠土被拽下勺糙結破壞,揀主爨是捏凝抗撾強度不怒面造成的

13、。唾.3本章小節碳紓絨煳固鋼筋混凝土粱的試駿縭果表明:l。碳纖維加固粱鏨本滿足平截面暇定;22碳紓維熱淵鏹簸浞凝粱抗彎洼能戇試驗研究2。試驗磷袋歪實,鑊愛磺紓維來鴦囂盈混凝麴佟葭鴦效戇提離棱律靜援隈承蓑力,對屈服荷載有一定糨度的掇高,對開裂荷戡提高不是很明鼴。3.混凝強度、綴筋配筋率、磺紓維南瑙鲞對輟蔽承載力有一定艙影響,整條熱鞫和分條加固對極限承載力的影響不大。4。族纖舔稚的甭爨還禱影響到稿件的酸壞澎態。在級筋鬣筋率褶閑及上緣混凝主沒有壓壞的情況下,當碳窖千維用最較多時,構件破壞將由碳纖維控斷轉變為受拉區混凝土拉碎的糖繚破壞。5.碳纖維加固梁的撓度小予末加網梁,這說明碳纖維布的使用,增加了粱

14、的抗彎岡lJ 度。同時,碳纖維布對裂縫也裔一定的約束作用。 東北林業大學碩士學位論文6碳纖維加固鋼筋混凝土梁計算機仿真分析碳終維農加固鏹簸漫凝粱是由漫凝、鏹簸、糙結撾鬟秘碳紓維奄綴戲,它靜霞能弱顯地依賴于這四種材料,特別是a#線性階段,這幾種材料本身的各秘菲線性特性,部不同程度的在這種組合材料中反映出來。梁的極限承載破壞是伴隨著多種材料非線性發生的,就使得計算分析的難度大大增加。有限元怒一種有效的計算方法,訟巧妙的搬差分法和直接變分法的優點糅合到一超,應用菲常廣泛。本文冪j蠲ANSYS青隈元分析較件,建立不瀚材料的菲線程本構方程,采掰實缽建模,對碳終維熱霪鑷簸混凝粱蕊蠻性%進孳亍了鎊囊分孝廳。

15、6。l碳纖維布加固鋼筋混凝土粱霄限元分析模型的建立6.i.1單元類壟的選擇ANSYS中有專門用于鋼筋混凝土結構的solid65單元,可以考慮混凝土的壓碎和開裂。solid65單元為八節點六面體單元。soid65單元本身包括兩部分:一是和普通的八節點空間實棒擎元solid45相同的實體犖元模型,值加入了Willam-Warnke五參數破壞準則。二是由豫教鏹筋緩殘瓣整體式模型,它可戳寇三纓空聞翡不閼方囪分潮設定鋼筋的位置、角度及配簸率等參數。她攀元模型在定菠里海霹以較好熬進雩亍鏹然混凝靜#線性分孝廳,憊攝對徐變等特性的考慮,但對于復雜加載路徑下結構的響應。如地震乍用下滯剜性能的分輯,由于本構模型過

16、于楓糙,得不到令人滿意的結果。單元形狀和節點位雹見圖6-1。翻6-I Sof id653一SOI id鋼麓采焉Link8單元,該萃元有兩個節點,簿個節點有三個方向的自由度Ux,XY,uz,懇具蠢塑性、蠛變、膨脹、應力慰化、大變形、大痘變等功麓,其肇元形狀莘瑟節熹位置冤窩6-2。碳纖維加同鋼筋混凝十梁抗彎性能的試驗研究。形。If l l廣7LJ圖6-2Link3-D Spar碳纖維采用層實體單元Solid46,該單元有8個節點,每個節點有三個方向的自由度ux、UY、UZ。Solid46允許設景250多種不同方向角的各向異性材料,其單元形狀和節點位置見圖6-3。圖6-3SoI id463-D8-N

17、ode Layered StructuraI SoI id加載點和支座處的鋼墊塊采用Solid45來模擬,該單元有8個節點,每個節點有三個方向的自由度ux、UY、UZ,其單元形狀和節點位置見圖64。 系囂襪簸夫學頸士學位論文 強6-7t/4摟鷲網揍捌分蘑6。l。5邊賽條件的薯l入為防止加載點和支鷹處產生應力集中,在加載點和支承處分別設置鋼蟄塊,鋼墊塊聚用Solid45單元,通過公用節點,使鋼墊塊節點與相應的混凝土節點實現位移協調,沿支座處鋼楚塊中線上的節點施加邊界條件;在鼯個對稱甄上的節點,應約束對稱兩法線方肉位移。邊界條件的具體情況見圖67。6。2有限元計算、收斂分析6。2。1非線性分析計算

18、步驟”l+先按上一級贊簸增量計算結束所得到的各單元岡度矩贍,求鍵各單元的應力墩量,以及到目前為止的總應力值。2.檢查各單元是褥開裂、壓坯、屈服等現象。對予開裂、壓坯、震服懿零元,必須擺應謖整其總應力值,調整其剛度矩陣,并且將其超額總應力值轉換成節點力。3.用調整囂的剮繾短跨及轉換鼴褥款節點力,求耘戇應力增量,再求瑟懿總應力售。4.重復2和3直挺沒有新的開裂、壓壞、屈服單元為止,然后進入下一級荷載增量,直到整令棱譬這裂破螺。 東北林業大學碩士學位論文6.3有限元結果分析本文以梁AW2一l為例,進行了計算機仿真分析,并對各級荷載作用下試驗梁的跨中斷面混凝土上緣壓應變、鋼筋應變、碳纖維應變及撓度的A

19、NSYS解與試驗結糶進行了對院,萁結采弼圖68醋6一il。主要特征點荷載的ANSYS解與試驗結果覓表6一l。鍵應攔圖6-8混凝土應變一荷裁關系圖搬立交圖6-9鋼筋應變一荷載關系豳圖6-10碳耋手維應變一莓載美系匿圖6-l揍度一蔫載關聚露表6一l生要糖征點藹載值的試驗馕與仿真躲殲裂荷載(KN屈服荷裁(KN極限荷載(KN試驗結果26.70109.70154.30 ANSYS25.60103.40136.20相對誤著4.i錨670%11.73%蠢上瑟靜聰跑結采可以看鑫,在殲襞翁,跨中醞面的混凝土上緣舔應變、鋼筋應變、碳紓維應交及撓度豹ANSYS解與試驗篷菲常嗡合,ANSYS傍囊靜開裂蔫載比試驗值略小,楣對誤茇為4。1%;從試驗梁開裂歪鏹篾藩鼴,跨中跨中叛蘸混凝 東北林業大學碩士學位論文7結論1.本文對碳終維搬露鍛筋漫凝粱的錨露方式及接彎蛙鼴進行了試驗磷究及理論分輯,菸基利用ANSYS軟件對其進行了仿真分車斤。根據分撕及計算鮑結果,可以得出如下結論:1碳纖維u形箍能有效地減少碳纖維剝離破壞發生的可能性。u形箍應設置在彎矩和剪力都比較大的部位,能有效地限制縱向纖維與混凝土之間的剝離,增強錨固效果,是簡單而有效的錨闡措施。2鴦稀載點處靜碳紓維U形籟寬度為lOOmm時,不麓