外粘钢板加强钢筋混凝土梁的性能分析——完全卸载梁的加强.pdf

第 3 2 卷第 4期 1 9 9 9年 8月 哈尔 滨 建筑 太学 学 报 J o u r n a l o f H a r b i n U n i v e r s i t y o f C E Ar c h i t e c t u r e Vo J 32 No 4 Au g 1 99 9 外粘钢板加强钢筋混凝土梁的性能分析 f ； 一 ， 7 完全卸载梁的加强 张素梅 至至堡 扬卫东 巧 百 ； 磊研 究 室 丁 “ 口 3 - 摘 要 依据平截面假设， 对外粘钢板加强钢筋混凝土梁正截面强度进行分析， 其中包括梁在卸载后粘 钢板，再重复加载至破坏的整个变形过程分析；外牯钢板面积对梁弯曲承载力的影响；原始配筋率对梁承载力 钢筋混凝土粱需要加固的原因是多方面的：配筋不足、变形过大、 火灾或冲击荷载引起的结构损 坏、钢筋锈蚀和使用功能改变等都可能造成结构承载力不足。 采用外粘钢板法加强钢筋混凝土粱 。不 仅施工简单、速度快，而且不影响结构的正常使用，对房屋净空高度几乎没有影响。 外粘钢板法加固钢筋混凝土粱是 1 9 6 7年首先 由F l e mi n g I “ 和 L e r c h e n t h M t 等人提出来的。 在过去 的三十年中 ，特别是 1 9 8 0年以后，随着在实际工程中的应用 ，外粘钢板法加强钢筋混凝土构件已越 来越被人们所接受， 并在实际工程中得到应用，如法国” 】 、日 本“ 】 、瑞士 和英国 等。 我国在这方 面也做了一些工作” 。 ，并在实际工程中有具体应用 。 目 前 ，我国已由中国工程建设标准化协会颁布了 混凝土结构加固技术规范 t t 】 ，其 中涵盖了外粘 钢板加固法的设计、施工与验收检验。 对梁的承载力计算，只是简单套用钢筋混凝土结构承载力 的设 计计算公式， 对于加固前后二次受载问题、 梁卸载程度的影响， 梁与钢板相对位移等问题均没有系统深 入的研究 。 作者以“ 外粘钢板加强钢筋混凝土梁的性能分析” 为题将陆续发表对上述问题的详细讨论。 1混凝土加载和卸载性能 混凝土在反复荷载作用下的应力 一 应变关系见图 1 ( a ) 12 1 当混凝土应力值在小于5 0 f 的应 0 、 图 1 混凝土应 力 一应变关系 收稿 日期 ：1 9 9 g 一0 4 2 7 张素梅 女 1 9 6 3 年生 研究员 喑尔滨建筑大学建筑工程学院 ( I 5 0 0 9 0 黑龙江省自然科学基金项目 0 ：0 0 0 3 3 维普资讯 http:/ I 4 哈尔滨建筑大学学报 第 3 2 卷 力值范围内卸载时， 可认为是弹性卸载；当混凝土应力值在( 5 0 一 7 5 范围内卸载时，卸载曲线 表现出非线性特征； 从7 5 f , 应力值起，加载一 卸载曲线表现出明显的非线性， 同时刚度明显衰减。 受压的低周反复加载应力 一 应变曲线的包络线与一次加载所得的应力 一 应变曲线相接近，因此， 计算 完全卸载的钢筋混凝土粱外粘钢板加强后正截面承载力时，仍然可取混凝土最大弯曲抗压强度为厶 ( 或 f ) I t 3 。 本文分析计算中，混凝土加载、卸载曲线简化为图 I ( b ) 。 2正截面应力分析 基本假定 ：1 )混凝土加载、卸载规律服 从 图 1 ( b ) ；2 ) 钢材为理想弹性塑性体 ；3 ) 粱 截面变形后保持平面。 考虑如图 2 ( a )所示截面，在弯矩作用下 发生图 2 ( b )所示变形 ，此时卸掉荷载至零 ， 若截面上一些区域已经产生 了塑性变形 ，此 变形 不可能完全恢复 ，截面此时将产生一 自 截 面应变 截面应变 相平衡的力系， 截面残余变形如图 2 ( c ) 。 若 图2钢 筋混 凝土粱截面 受弯应 变变化 情况 第二次重新加载， 则截面变形将在图2 ( c ) 基础上变形， 如图2 ( d ) 所示。 根据以上分析，可以得到图3 所示的完全卸载梁外粘钢板后的力学反应典型曲线。 曲线 O A为 无外粘钢板粱 ( 基本梁) 截面最大拉应变 与弯矩 肛之间的关系i曲线O B为未预先受载的基本粱外 粘钢板后截面最大拉应变与弯矩的关系。 基本粱截面为 2 0 0 ra m 5 0 0 ra m，配4 l 8 受拉钢筋 ( A ， = 1 0 1 7 m m ) ，受压钢筋为 2 l 6 ( A 。 = 4 0 2 m m ) ，C 2 0混凝土。 基本梁在弯矩作用下截面发生变形，其 一s曲线为O c ， c点为基本粱已受到9 7 的作用( 肌 为基本粱的最大弯曲承载力) ，在c点卸 载卸载曲线如图3 中曲线 c D所示，当弯矩卸到零时， 粱底残余应变为 = 8 1 0 1L e ，此时粘贴钢板再 加载， s曲线将为 D E ，直到最后与曲线 O B 重合。 可以看出，预先受载粱卸荷至零后粘贴钢板， 再加载所能达到的最大承载力与未预先受裁梁相同。 在卸载过程 中，粱载面上的应力将发生一系列 变化，如图4 所示。 图4 描绘了随着外弯矩的降低， 截面上的应力由大到小，由压变为拉的过程， 当外弯矩为零时，截面上混凝土的应力分布为曲线 A B 与粱内钢筋形成一自相平衡的力系。 设计计算时，粱正截面的强度应按 混凝土结构设计规范 “ 计算。 图 3 钢筋混凝土粱卸载后粘钢板再加载弯 矩 肌 与粱底最大拉应变的关系 3外粘钢板面积对梁弯曲承载力的影响 E E 键 g 宣 世 献 需 ( N m 珈 ) 图4 卸载时粱应力变化情况 ( 图中所标数字为粱卸载时粱所受弯 矩单位 ： k N m； 图 中压力为正值 ) 图 5显示 出粘贴钢板面积 与梁最大弯曲承载力 。 的关系。 未粘钢板的基本粱与上面分析 一 + 一 + 一 目一 维普资讯 http:/ 第 4期 张素梅等 ： 外粘钢板加强钢筋混凝土粱的性能分析 相同，牯钢板前梁的弯曲承载力为 f D = 1 3 2 k N m。 可以看 出，对适筋 梁在梁 受拉底面粘贴钢板后，可以提高梁的弯 j 曲承载力。 随着外粘钢板面积 的增 加 ，梁的承载力 f u 也继续增加 ；当 A 增加到一定数值时，即使得 靠时，继 续增加钢板面积已不能继续提高 ，即 截面发生超筋破坏因此外粘钢板的面 积应受最大配筋率控制。 m 图5粘钢板面积 与粱最大弯曲承载力 肌 的关系 4原始配筋率对梁承载力提高幅度的影响 通过外牯钢板，使粱达到最大承载力 图 6表示 与梁原始配筋率的关系。 计算中所用的基本梁与 3同。 可以看出，随 着粱原始配筋率的增加， 承载力 耽 提高的 幅度降低。 当原始配筋率接近于粱的最大 配筋率时承载力提高幅度趋于 1 0 ，即只 有当梁配筋率较小时，采用外粘钢板法加强 钢筋混凝土梁才能取得承载力的大幅度提高； 反之 ，则效果不明显。 同时也可以看出对 于同样的粱 ，随着受压钢筋面积的增加，承 载力的提高幅度有所增加， 但不明显。 5混凝土强度等级的影响 1 2 1 0 8 4 2 1 0 5 P ( ) 图6 承载力提高幅度 肌 与粱原始配筋率 P的关系 采用 3中的基本梁，混凝土为 E l 0 ，C 2 0 C 3 0 C 4 0 C 5 0和 c 6 0 ，混凝土强度等级对梁承载力 提高幅度的影响见图7 。 可以看出， 对于适筋梁在其它条件相同条件下，混凝土强度越高 粘钢 板后梁承载力提高的幅度就越大；原始配筋率增大承载力提高幅度降低。 6 受拉钢筋级别的影响 图8 表示当基本梁的受拉钢筋分别采用 I 级、 级和级钢时， 承载力提高幅度的变化情况。 可 以看出其它条件相同时，受拉钢筋级别越高，承载力提高的幅度 。 则越低。 基本集原始配筋率 口 ( ) 图 7 混凝土强度等级对梁弯曲承载力提高幅度的影响 基本絷原始配筋率 p ( ) 图 8 钢筋级别对承载力提高幅度 的影响 维普资讯 http:/ 6 哈尔滨建筑太学学报 第 3 2卷 7实验分析 试验梁为截面 1 2 0 ra m x 2 0 0 ra m， 长1 4 0 0 ra m ， = 1 5 N m m ， 如图9 所示， 采用三分点对称加荷， 梁 l L 5 5 (I 5 5 0 L l I， 6 。 0 ， 。 ，。 l 图 9 实验梁加载情况 E 卦 吾 留 0 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 跨中挠度 m m ) 图 l 0 梁跨中挠度与弯矩关系 受拉区配筋2 巾 1 0 ，钢筋屈服强度 3 6 9 N ra m ，压区架立筋 2 6 ， 屈服强度为2 5 0 N m m ： 。 梁 s L 一 6 S L 一 8 加载至拉区产生裂缝，然后卸载粘贴钢板。 粘贴 用胶采用二组分环氧树脂胶，钢板长度 1 1 0 0 m m ， 厚度 ，；， 、 l 2 m m，固化后进行弯曲实验，梁的挠度和梁承担弯矩的关L 一 百 出出 系见图 l 0 。 从 图中可以看出对于预先受载的梁 S L一 6 。 图1 1梁典型破坏形态 s L 一 8 ，总体构件弯矩一 挠度关系与未预先受载的梁S L 一 5 ， s L 一 7 差别不大， 梁的最终破坏形态如图1 1 所示， 是典型的梁弯曲破坏， 证明了梁即使先加载开裂， 用外粘钢板加强后仍可达到加固梁的最大承载力，发生弯曲破坏。 表 1 列出了理论分析结果和实验结果的对比。 除了梁s L一 7 的实验值与理论值误差为 1 6 以 外 ，其它三根梁的误差均在 7 以内。 表 1 粱 承载力实验结果 8结论 本文针对完全卸载钢筋混凝土梁采用外粘钢板法加强后的弯曲承载力进行了系统的参数分析 。 井对梁加、卸载过程及截面上的应力变化给了清晰的描述，对于从内部深刻理解粘钢加固钢筋混凝 土梁的性能有指导意义。 参考文献 I 兀e rui n g ， C J - a n d Ki n g ， G E MT h e D e v e l o p me n t o f S t r u c t u r a l A d h e s i v e B f o r T h r e e O n a l Us e s i n s 0 u 【 l A f r i c a Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 5 0 3 7， 1 9 6 7 2 L e r e h e n t h a l C H B o n d e d S t e e l R e i n f o r c e m e n t f o r C 6 n c r e t e S l a b s Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ，No 3 7 1 9 6 7 3 C a “ 一 Ge me r t ， D A Re p a i r i n g C o n c r e t e S t r u c t u res b y E x t e rea l l y B o n d e d S t e e l P l a t e s ，Pr o c o f I nI e r n a 。 n a l Sv s m p o s i u m O n P l a s t i c s i n Ma t e ria l s P r a g u e J u n e ， 1 9 8 1 维普资讯 http:/ 第 4 期 张素梅等：外粘钢扳加 强钢葡混凝土梁的性能分折 l 7 4 Hu s s a i n ， M ，S h a t i f , A e te F l e x u r a l B e h a v J o r o f P r e e r a c k e d Re i n f o r c e d C o n c r e t e B e 蜘 s Sr e n g t h e a e d E x t e ,ma l l y b y S t e e l P l a t e s ，AC I S t r u c t t t r a l J o u r n a 1 Vo l 9 2 N o 1 1 9 9 5 5 H