预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯正截面承载力分析

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发布时间：2021-09-04

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预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯
正截面承载力分析
詹妮，苏有文，李超飞，马倩雯
(西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳621000)
摘要：碳纤维布具有轻质、高强、耐久性好等特性，预应力碳纤维布加固技术已成为一种新型建筑加固技术。
在试验基础上．对预应力碳纤维加固钢筋混凝土梁的受力性能进行了分析，提出了预应力碳纤维布加固钢筋混凝
土梁的抗弯正截面承载力的计算公式，计算公式与试验结果较为接近，试验值略高于理论值，说明理论计算有一定
的安全储备．较为保守安全
关键词：预应力碳纤维布：加固技术；抗弯承载力
Abstract：Because of having light weight，high strength，good durability and other characteristics，prestressed CFRP
reinforcement technology has become a new kind of reinforcement technology．Base on the test，the mechanical properties
of prestressed CFRP concrete beams are analyzed．The calculation formula for normal section flexural capacity of the pre．
stressed CFRP concrete beams is put forward．The test results are generally slightly higher than the results got by the cal—
culation form ula，which shows that the theory calculation values are conservative and have the security of reserves．
Key words：Prestressed CFRP；Reinforcement technology ；Flexural capacity
中图分类号：TU375．1 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2014)01—53一O6
0 前言
粘贴碳纤维复合材料(CFRP)加固法是利用树
脂类胶结材料将纤维织物粘贴于需要加固的构件
表面，从而达到提高结构构件承载力，减少构件变
形和限制结构裂缝扩展的目的。该法具有施工简便
迅速、不增加结构自重、适应各种结构外形、不影响
结构外观、能有效封闭裂缝、耐久性好、抗疲劳性能
佳等优点。多数金属的疲劳极限仅为其极限抗拉强
度的4O％～50％，而碳纤维复合材料(CFRP)可达到
70％～80％t“．因而被越来越多的学者所重视[ 。
虽然粘贴碳纤维复合材料(CFRP)加固技术有
着上述诸多的优点．但也存在着许多技术缺陷：
(1)由于CFRP抗拉强度很高，而钢筋、混凝土
的抗拉强度较低．使得CFRP在受拉钢筋屈服时发
挥的强度不到2O％。因而利用率不高：钢筋屈服后
其高强性能才能得到体现，而此时构件挠度已经很
大，裂缝已相当严重，超过GB 50010-2002(~凝土
结构设计规范》结构正常使用状态下的裂缝、挠度
范围。
(2)对构件刚度，尤其是早期刚度提高不大。
(3)无法有效抑制构件挠度变形和裂缝发展。
基金项目：国家863计划项目(2009AA032304)；四川I省支撑
计划项目(201 1GZ0250)。
(4)由于胶粘剂粘结强度一定，当外加荷载增
加时，胶粘剂剪切变形增加，导致CFRP与混凝土剥
离，出现粘结破坏，CFRP强度不能充分发挥。
为了更充分利用碳纤维布的特性．可对碳纤维
布施加预应力，这样在加固中可以使碳纤维布更早
地发挥作用，从而大大突出其高强的特性。
本文在试验研究基础上，进一步进行了理论分
析．推导出了预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗
弯正截面承载力的计算公式可为实际工程加固提
供理论依据。
1 基本假定
根据材料力学嘲及钢筋混凝土基本原理问中对
受弯构件承载力分析的基本假定，以及CECS 146：
2003(碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》7l
中的相关规定，对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的正
截面承载力计算做以下基本假定：
(1)弯曲变形的平面假定：即变形前原为平面
的受弯构件的横截面，变形后仍保持为平面。且仍
然垂直于变形后的构件轴线，这是受弯构件正截面
计算的最基本假定。
(2)忽略剪切变形对梁变形的影响。由于在实
际过程中，梁的剪切变形对梁变形有一定的贡献。
但由于其影响较小，为了简化计算，忽略不计。
一53—
2014年第1期混凝土与水泥制品第213期
(3)假定混凝土、钢筋、碳纤维布三者之间粘结
可靠，无相对滑移。
(4)梁开裂后，忽略梁受拉区混凝土的拉应力
作用。由于梁开裂后受拉区混凝土逐渐退出工作．
只有较小的拉应力存在，还存在的混凝土拉应力值
与钢筋、碳纤维布的拉应力值相比较小且难以确定
的因素，故计算时忽略。
(5)忽略碳纤维布厚度对梁高的影响。由于碳
纤维布较薄，可认为碳纤维布到梁顶部的距离等于
梁的高度。但在计算碳纤维布应力时不能忽略碳纤
维布的厚度。
(6)材料本构关系的基本假定
① 混凝土本构关系：根据GB 50010-2002(混
凝土结构设计规范》嗍的规定，取混凝土应力一应变
曲线关系如图1所示。
图l 棍凝土应力一应变关系
当 ≤占0时：
= 一㈩
当占 ≤ 时：
= (2)
其中：
n=2一亩一50) (3)
8O=0．002+0．5 -50)xlO (4)
占 =O．0033一(，：．一50)x10 (5)
式中，一混凝土压应变为时的混凝土压应力；
一混凝土轴心抗压强度代表值，按式(18)
取用：
80一混凝土压应力刚好达到时的混凝土
压应变，当计算的值小于0．002时，取为0．002；
一正截面的混凝土极限压应变，当计算的
￡值大于0．0033时，取为0．0033；
础一混凝土立方体抗压强度标准值，按式
(21)ig用：
r／．一系数，当计算的r／．值大于2．0时，取为
2．0。
一54 一
其中，混凝土强度值以实测的、保证率不低于
95％的混凝土强度标准值作为混凝土强度计算的代
表值。
②钢筋本构关系：钢筋的应力一应变曲线采用
完全的弹塑性模型，如图2所示。
图2 钢筋应力一应变关系
当 ≤ 时：
O"s= 8 (6)
当o％>8y时：
or = (7)
式中，一钢筋的屈服应力代表值，按式(8)和式
(9)取用；
一钢筋刚屈服时的钢筋应变：
最一钢筋弹性模量代表值。
其中，钢筋屈服强度以其三根钢筋的实测抗拉
屈服强度作为其强度计算