外贴碳纤维布加固混凝土梁的抗剪设计方法

图 3 梁侧间隔粘贴 CFRPs
承受集中荷载为主的矩形截面梁 : V f = 1. 25 Ff h0/ sf = 2. 5 tf bf Efεfe h0/ sf (1)
一般情况下的简支梁 : V f = 1. 5 Ff h0/ sf = 3. 0 tf bf Efεfe h0/ sf (2)
(e) - 条带全裹 ; (f) - U 形条带
图 2 各种粘贴方式的破坏特征
(a) - 侧贴条带 ; (b) - U 型条带 + 压条 ; (c) - 条带裹梁
1 - 粘结破坏 ;2 - CFRPs 被拉断
较大 ,如侧贴条带加固时 ,由于在端部发生应力集中 梁破坏时 CFRPs 可能被拉断 ,也可能发生粘结破坏 ,
V f = Ff = 2. 5 Efεfe tf h0
(3)
一般情况下的简支梁 :
V f = Ff = 3. 0 Efεfe tf h0
(4)
式中 Ff ———碳纤维布承受的拉力 ;
h0 ———钢筋混凝土梁截面的有效高度 ;
hf ———梁侧 CFRPs 的高度 ;
sf ———梁侧 CFRPs 的条带间距 ;
(1) 当 CFRPs 粘贴方式为侧贴条带 + 压条 、U 形
条带 、U 形全包时 ,εfe取为 013εfu ; (2) 当 CFRPs 粘贴方式为 U 形条带 + 压条时 ,εfe
取为 014εfu ; (3) 当 CFRPs 粘贴方式为条带全裹时 ,εfe 取为
015εfu 。
其中 ,εfu为 CFRPs 的极限应变 。
现象 ,所以 ,发生的均为粘结破坏 ,加固效果也不明 所以 ,相应的 V f 计算方法有两种 : CFRPs 的有效应
显 。若是 U 形条带 + 压条的加固方式 ,在底部不存 力控制 ,CFRPs 与混凝土平均粘结应力控制 。CFRPs
在应力集中现象 ,当在顶部增设压条后 ,压条不仅对 承受的剪力 V f 的计算方法如下 。
bf ———梁侧 CFRPs 条带的宽度 ;
εfe ———破坏时 CFRPs 的有效应变 ;
tf ———梁侧碳纤维布的厚度 。
计算 V f 的关键是 εfe的确定 。εfe值的大小与很 多因素有关 , 主要包括 ρf Ef 、CFRPs 的锚固性能 、加
固梁的配箍率 、剪跨比 、CFRPs 的层数等 ,文献 [ 2 ]曾
SHEAR D ESIGN METHOD OF CONCRETE BEAMS STRENGTHENED WITH CARBON FIBER REINFORCED POLYMER SHEET
Wu Gang LüZhitao ( Sout heast University Nanjing 210096)
用 CFRPs 对混凝土梁进行抗剪加固后的破坏特征见 图 2。
外贴 CFRPs 加固混凝土结构的抗剪破坏机理仍 可用桁架 - 拱模型解释 ,当在梁侧粘贴 CFRPs 后 ,在 梁开裂前 ,CFRPs 的作用不明显 ,但在斜裂缝出现后 , 试验表明 ,与斜裂缝相交的 CFRPs 中的应力会突然 增大 ,CFRPs 除参与承受剪力外 ,还可以有效地减小 斜裂缝的宽度 ,提高斜裂缝处混凝土的骨料咬合作 用 。可 见 , 外 贴 的 CFRPs 类 似 于 增 设 了 箍 筋 , 但 CFRPs 的作用与梁内箍筋的作用还是有区别的 :
对εfe与 ρf Ef 的关系进行过研究 ,认为在一定的范围 内 , V f 的值几乎与 ρf Ef 成正比 ,并提出相关的计算
公式 ,但公式考虑的因素较少 ,所以有时计算的误差
较大 。由于目前用 CFRPs 抗剪加固混凝土梁的试验
数据较少 ,要精确计算εfe的值还较困难 ,根据 CFRPs 抗剪加固时不同的粘贴方式 ,建议εfe取值如下 :
抗剪有利 ,而且使该处应力集中现象得到较大的改 311 CFRPs 的有效应力控制
善 ,破坏时部分 CFRPs 被拉断 ,部分发生粘结破坏 。
(1) 若梁侧间隔粘贴 CFRPs 条带 (如图 3) ,则 :
若条带裹梁 ,由于锚固性能好 ,破坏时 CFRPs 被拉
断 ,破坏时 ,虽然梁中部的部分 CFRPs 与混凝土脱
(6)
(2) 若梁侧满贴 CFRPs(如图 4) ,则 :
承受集中荷载为主的矩形截面梁 :
V f = Ff = 1. 25τave h0 hf
(7)
一般情况ຫໍສະໝຸດ Baidu的简支梁 :
V f = Ff = 1. 5τave h0 hf
(8)
式中 hf ———梁侧 CFRPs 的高度 ; τave ———CFRPs 与混凝土的平均粘结应力 。
由于 CFRPs 为 脆 性 材 料 , 很 难 保 证 抗 剪 加 固 用 的 (2) 若梁侧满贴 CFRPs(如图 4) ,则 :
CFRPs 同时达到极限强度 ,这与梁内箍筋的作用有很
大的区别 。
3 受剪承载力的计算方法 外贴 CFRPs 加固后钢筋混凝土梁的受剪承载力
分别由混凝土 、箍筋 (弯起钢筋) 和 CFRPs 组成 ,即 V u = V c + V s + V f 。V c 、V s 可根据规范计算 ,关键是 V f 的计算 。由前面的分析知 ,CFRPs 加固后混凝土
工业建筑 2000 年第 30 卷第 10 期 35
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 1 各种粘贴方式 (a) - 侧贴条带 + 压条 ; (b) - U 形全包 ; (c) - U 型条带 + 压条 ; (d) - 侧贴条带 ;
(1) 箍筋的锚固性能好 ,而外贴 CFRPs 的锚固性 能较难保证 。
CFRPs 的锚固性能对加固效果及破坏特征影响
2 破坏特征及破坏机理 以侧贴条带 、U 形条带 + 压条 、条带裹梁为例 ,采
Industrial Construction 2000 ,Vol130 ,No110
第一作者 :吴 刚 男 1976 年 8 月出生 博士生 收稿日期 :2000 06 10
外贴碳纤维布加固混凝土梁的抗剪设计方法
吴 刚 吕志涛
(东南大学 南京 210096)
摘 要 :在对 20 根碳纤维布 (简称 CFRPs) 加固混凝土梁进行抗剪试验及国内外相关试验研究的基 础上 ,对采用碳纤维布加固后梁的破坏机理进行了分析研究 ,针对两种不同的破坏特征提出了相应的受剪 极限承载力计算方法 ,并对两者做了比较分析 ,最后给出了采用 CFRPs 对混凝土梁进行抗剪加固的一些设 计建议 。 关键词 : 梁 加固 抗剪 设计 碳纤维布 (CFRPs)
(1) 当 CFRPs 粘贴方式为侧贴条带 + 压条 、U 形 条带 、U 形全包时 ,τave取为 0175MPa ;
(2) 当 CFRPs 粘贴方式为 U 形条带 + 压条时 , τave取为 110MPa ;
(3) 当 CFRPs 粘贴方式为压条全裹时 ,τave 取为 1125MPa 。
若混凝土的强度低于 C30 时 ,根据粘结应力与混 凝土强度的关系 ,可以近似乘以 f c/ f 30 的折减系 数。
计算关键是 τave值的确定 。τave的值与很多因素
有关 ,包括胶的性能 、粘贴方式 、锚固性能等 。对于
τave的值国外学者也做过一些研究 ,但有时误差较大 ,
甚至计算值与试验值相差 1 倍[3 ] 。本文在对试验数
据及国外相关试验资料分析后认为 ,若混凝土强度在 C30 及 C30 以上时 ,建议 τave取值如下 :
试验梁均为矩形截面梁 ,试验中除考虑加固梁的 配箍率 、剪跨比 、粘贴用胶 、CFRP 的层数对加固效果 的影响外 ,还重点考虑了各种粘贴方式对加固的影 响 ,试验尝试了几种不同的粘贴方式 (图 1) : 侧贴条 带 、侧贴条带 + 压条 、U 形条带 、U 形条带 + 压条 、条 带全裹 。试验详细情况见文献[ 1 ] 。
由于εfe 、τave的取值与很多因素有关 ,而且目前 的试验数据较少 ,所以 ,以上的取值还是比较粗略的 , 有待于进一步分析与完善 。
4 试验值与计算值的比较 根据以上方法得到的计算值与试验值的比较见
表 1。 由前面的分析 、比较 ,得出以下结论 : (1) 基准梁的受剪承载力的计算值与试验值误差
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图 4 梁侧全贴 CFRPs
承受集中荷载为主的矩形截面梁 :
工业建筑 2000年第30卷第10期
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开 ,但仍能传递一定的剪力 。
(2) 钢筋为延性材料 ,而 CFRPs 为脆性材料 。
因为钢筋为延性材料 ,所以 ,在斜裂缝产生后 ,箍
筋虽已屈服 ,但并未被拉断 ,其良好的延性能保证其 它箍筋也进入屈服阶段 。CFRPs 为脆性材料 ,而斜裂 缝底部较宽 ,顶部较细 ,故底部的 CFRPs 较早 、较大 地发挥作用 ,而顶部的 CFRPs 较小 、较晚地发挥作 用 ,所以会导致底部的 CFRPs 超过其极限应变先破 坏 ,然后 ,其它部位的 CFRPs 被各个击破 ,也就是说 ,
312 CFRPs 与混凝土的平均粘结应力控制
(1) 若梁侧间隔粘贴 CFRPs 条带 (如图 3) ,则 :
承受集中荷载为主的矩形截面梁 :
V f = 1. 25 Ff h0/ sf = 1. 25τave bf hf h0/ sf (5)
一般情况下的简支梁 :
V f = 1. 5 Ff h0/ sf = 1. 5τave bf hf h0/ sf
较大 ,且随着剪跨比的减小 ,误差增大 ,但计算值均为 下限值 ,偏于安全 。
(2) 根据两种破坏特征提出的相应的计算方法得 到的值与试验值吻合较好 ,但少数情况下由于各种原 因误差也较大 。
(3) 虽然国内外的一些试验表明 ,用侧贴 CFRPs 条带的方法能够提高梁的抗剪能力[2 ] ,但一般是基于 无箍筋或所配箍筋量很少的梁的试验结果 。梁 SL7 的试验表明 ,对配箍率较高的梁用侧贴条带的方法 , 加固效果不明显 ,在实际工程中一般不宜采用 。
Abstract : Based on t he experiment of twenty concrete beams strengt hened in shear wit h carbon fiber reinforced polymer sheets ,and on t he experimental results reported by various researches at home and aboard , t he failure mechanism of beams strengt hened in shear wit h CFRPs is studied. According to t he two different failure types ,t he corresponding met hod to make out t he ultimate shear capacity is put forward ,and some comparisons and analyses are made ,in t he end ,some design suggestions on concrete beams strengt hened in shear wit h CFRPs are given. Keywords : beam strengt hen shear design carbon fiber reinforced polymer sheet (CFRPs)
1 试验简介[1 ] 试件的混凝土设计强度为 C30 ,主筋为 Ⅱ级钢 ,
箍筋及架立筋为 Ⅰ级钢 ,碳纤维材料采用日本新日铁 公司提供的 F TS - C1 - 20 型碳纤维布 ,胶为日本产 的 FP - NS(增强碳纤维布与混凝土的粘结力) 、FE Z(修补 、找平混凝土表面) 、FR - E3P ( 粘 贴 碳 纤 维 布) ,同时 ,也用国产 FN - 1 和 FN - 2 胶进行了试验 。