預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁抗彎承載力的計算

陳華 黃裕勇 王鵬凱

摘 要：通過平截面假定和對利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固可能產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行分析，并從預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁后產(chǎn)生的破壞模式的角度去分析加固后混凝土T形梁的正截面抗彎承載力的計算方法，從而提出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁正截面抗彎承載力的計算公式，并將理論計算值與試驗值進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間有良好的吻合性.

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力碳纖維板； T形梁；抗彎承載力

中圖分類號：TU378 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

碳纖維板是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）中的一種，它是由碳纖維絲用樹脂浸漬后，將其放入錨具中使其固化并通過連續(xù)的擠壓、冷拔后形成的一種CFRP片材.碳纖維板具有抗拉伸、輕質(zhì)、耐疲勞、耐腐蝕等特點[1]，所以碳纖維板常用于加固混凝土橋梁.

近年來，橋梁工程對推動我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展起到了非常重要的作用. 然而，由于很多橋梁年久失修、管理不善以及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工標(biāo)準(zhǔn)偏低等原因，已很難滿足現(xiàn)階段的交通運輸水平，而且我國是一個自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，因此，對于橋梁加固技術(shù)的革新也是時代的需要.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興加固技術(shù)，它相對于以往常用的橋梁加固技術(shù)，例如增大構(gòu)件截面加固法以及粘貼鋼板加固法等，具有施工方便、耐腐蝕和耐久性高以及高強(qiáng)高效等優(yōu)點[2]，因此預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)成為了目前加固橋梁技術(shù)中的熱門選擇.然而，現(xiàn)階段利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土橋梁，大部分都還處在試驗研究階段[3-4]，理論成果也比較欠缺.本文對利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的混凝土T形梁進(jìn)行研究，通過分析加固后T形梁的破壞模式，預(yù)應(yīng)力損失以及受力狀態(tài)推出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁的受彎承載力的計算公式，為今后的實際工程應(yīng)用中更好利用碳纖維板的性能，提高加固效率提供理論依據(jù).

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的預(yù)應(yīng)力損失的計算

6）受拉縱筋在彎曲極限狀態(tài)下是屈服的；

7）在試驗加載的過程中混凝土一直不考慮其抗拉能力的作用.

2.1.2 破壞模式分析

在試驗加載采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的混凝土T形梁主要有混凝土壓碎破壞和碳纖維板拉斷兩種破壞模式如圖1所示；

1）混凝土壓碎破壞：當(dāng)混凝土T型達(dá)到極限破壞時，預(yù)應(yīng)力碳纖維板未達(dá)到極限拉應(yīng)力而此時的受壓區(qū)混凝土已經(jīng)壓碎；

2）碳纖維板拉斷破壞：破壞狀態(tài)時，混凝土未壓碎，碳纖維板達(dá)到極限拉應(yīng)力而拉斷.

2.2 正截面抗承載力計算公式

基于預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁彎曲破壞截面內(nèi)力的應(yīng)力應(yīng)變圖如圖2所示，推導(dǎo)出了不同彎曲破壞模式下的采用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固后的混凝土T形梁的正截面抗彎承載力的計算公式.

2.2.1 混凝土壓碎破壞

當(dāng)？灼b≥？灼≥？灼cfb時，其破壞模式為混凝土壓碎破壞，根據(jù)現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)采用混凝土的強(qiáng)度等級不超過C50時，？琢1=1.0，？茁1=0.8.其中，？灼cfb為碳纖維板達(dá)到極限應(yīng)變時相對應(yīng)的界限相對受壓區(qū)高度.

1） 對第一類T形截面：

3 理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析

為了驗證本文理論推導(dǎo)出的公式的適用性，算例采用文獻(xiàn)[8]的試驗所測得的數(shù)據(jù)，采用本文所推算出的公式計算出的結(jié)果與文獻(xiàn)[8]試驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析.文獻(xiàn)[8]試驗梁詳細(xì)參數(shù)見表1，材料參數(shù)見表2～表4，所用的碳纖維板為柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司（OVM）的預(yù)應(yīng)力錨固體系，CFRP板寬50 mm，厚2 mm，試件所采用的混凝土強(qiáng)度等級為C40.箍筋為跨中1 500 mm為非加密區(qū)，其余為加密區(qū).

采用表1中試驗梁的參數(shù)，用本文所推導(dǎo)的理論計算公式計算其抗彎承載力，將計算所得抗彎承載力值與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，計算得到的理論值與試驗所得的實測值的對比見表5.

從試驗值與理論計算值對比結(jié)果可以得出：采用本文的推導(dǎo)公式計算出的計算值與試驗值基本吻合，兩者之間的平均相對誤差均在10%左右.

4 非線性有限元分析

利用有限元分析軟件ANSYS對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T型梁的受力進(jìn)行非線性有限元分析.根據(jù)文獻(xiàn)[8]中試驗梁的實際情況，采用分離式模型對鋼筋混凝土進(jìn)行建模，碳纖維板和鋼筋均采用LINK8單元，混凝土采用SOLID65單元，鋼墊采用SOLID45，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移.為了防止應(yīng)力集中和局部承壓破壞，在加載點和支座處增加彈性鋼墊.

利用有限元軟件ANSYS模擬所得荷載撓度曲線與文獻(xiàn)[8]試驗所得撓度曲線進(jìn)行比較，如圖3～圖5所示.

從圖3～圖5可以分析得出，利用有限元軟件模擬出來的數(shù)值與試驗得到的試驗值兩者的吻合性良好.

5 結(jié)論

1） 從理論的角度分析了利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁時主要的預(yù)應(yīng)力損失，并給出了其相對應(yīng)的預(yù)應(yīng)力損失計算公式；

2） 通過理論分析，給出了利用預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁受彎承載力計算公式，為預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)在實際工程的推廣應(yīng)用提供理論支持；

3）通過比較分析試驗值與理論計算值，得出理論計算值與試驗值有良好的吻合度，說明本文推導(dǎo)出的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土T形梁受彎承載力計算公式具有一定的正確性和參考價值.

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Abstract：Based on the plane section assumption， the calculation method of bearing capacity of normal section for reinforced concrete T-shaped beam was analyzed from the prestress loss and angle of failure mode which were produced by the reinforcement of prestressed CFRP plate on the reinforced concrete T-shape beam. Then， the calculation formula of bearing capacity of normal section for reinforced concrete T-shaped beam was proposed. The theoretical calculation and experimental results were compared， and there is a good agreement between them.

Key words： prestressed CFRP plate； T-shape beam； flexural capacity

（學(xué)科編輯：黎 婭）