一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法 |
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| 申请号 | CN202311826001.7 | 申请日 | 2023-12-27 | 公开(公告)号 | CN117926725A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 山东高速集团有限公司创新研究院; 山东大学; 山东高速菏泽发展有限公司; | 发明人 | 王福海; 秦宇; 马晓松; 辛公锋; 管延华; 朱兴月; 龙关旭; 姜凯; 庄培芝; 张泽军; 孙仁娟; 尚志强; 钱远顺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 桥梁 加固设计技术领域，尤其是一种预应 力 CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法，包括以下步骤：判断桥梁是否能够通过预 应力 CFRP加固RC简支梁达到提高抗弯承载力的目的；若符合条件，则进行预应力CFRP加固RC简支梁的承载力演算，包括：首先根据适筋破坏原则获取预应力CFRP初始张拉应变界限范围，之后根据RC简支梁加固后其承载力需求Ms，确定预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变及CFRP加固层数，最后根据预应力CFRP初始张拉应变界限范围，得到CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量；提出了预应力CFRP的初始控制张拉应力确定方法，建立了CFRP层数与初始张拉应力之间的关系，并在此 基础 上提出预应力CFRP加固RC的抗弯设计方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法技术领域背景技术[0002] 非预应力碳纤维增强复合材料加固技术被广泛应用于钢筋混凝土桥梁加固中，但工程实践表明，此加固技术不能充分发挥CFRP材料的高强性能，不能有效抑制桥梁裂缝的开裂及开展，CFRP与混凝土界面之间易发生脆性玻璃破坏。 [0003] 预应力CFRP布加固技术能够克服上述不足，目前预应力CFRP布加固技术初始张拉预应力确定方法多样，但由于缺乏理论基础，尚不能确定预应力CFRP的初始控制张拉应力，以及明确预应力CFRP的初始控制张拉应力与CFRP用量的关系。 发明内容[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法，提出了预应力CFRP的初始控制张拉应力确定方法，建立了CFRP层数与初始张拉应力之间的关系，并在此基础上提出预应力CFRP加固RC的抗弯设计方法。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现： [0005] 本发明提供了一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法，包括以下步骤： [0006] 判断桥梁是否能够通过预应力CFRP加固RC简支梁达到提高抗弯承载力的目的； [0007] 若符合条件，则进行预应力CFRP加固RC简支梁的承载力演算，包括： [0008] 首先根据适筋破坏原则获取预应力CFRP初始张拉应变界限范围，之后根据RC简支梁加固后其承载力需求Ms，确定预应力CFRP加固Rc简支梁控制张拉应变及CFRP加固层数，最后根据预应力CFRP初始张拉应变界限范围，得到CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量。 [0009] 作为进一步的实现方式，通过现场桥梁服役情况演算梁加固前的承载力My及其加固后可能的最大极限承载力Mkmax，根据桥梁的作用荷载，对桥梁结构进行计算，确定单根梁的承载力需求Ms，判断桥梁是否能够采用预应力CFRP加固RC简支梁到达其承载力需求。 [0010] 作为进一步的实现方式，若My＜Ms＜Mkmax，则可以通过预应力CFRP加固RC简支梁到达其承载力需求。 [0011] 作为进一步的实现方式，若Ms＜My，则不需要加固提高桥梁的承载能力就能够满足桥梁的承载力需求；若Ms≥Mkmax，则只通过预应力CFRP加固RC简支梁达不到桥梁承载力需求。 [0012] 作为进一步的实现方式，确定预应力CFRP初始张拉应变界限范围过程时预应力CFRPRC简支梁需发生适筋破坏。 [0013] 作为进一步的实现方式，预应力CFRP初始张拉应变应满足CFRP材料的抗拉指标。 [0014] 作为进一步的实现方式，若加固用的CFRP的裁剪宽度相等，可确定不同CFRP层数的初始张拉应变界限范围。 [0015] 作为进一步的实现方式，根据梁加固后其承载能力需求，通过初拟CFRP加固层数，试算确定预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变。 [0016] 作为进一步的实现方式，根据加固梁的力平衡方程以及加固梁的弯矩平衡方程，建立方程组，将初拟CFRP加固层数代入方程组中试算。 [0017] 作为进一步的实现方式，根据CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量，复核预应力CFRP加固RC简支梁是否满足桥梁的承载力要求。 [0018] 上述本发明的有益效果如下： [0019] (1)本发明针对预应力CFRP布加固RC简支梁，提出了预应力CFRP的初始控制张拉应力确定方法，建立了CFRP层数与初始张拉应力之间的关系，可用于简单、快速确定不同CFRP层数加固下的初始张拉应力范围。 [0020] (2)本发明基于加固梁适筋破坏理论及加固梁承载力需求，提出了一种基于针对CFRP层数与初始张拉应力的预应力CFRP抗弯加固设计计算方法，丰富了桥梁加固设计的实践，对预应力碳纤维布加固RC简支梁的设计和施工提高理论指导。附图说明 [0022] 图1是本发明实施例中预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法流程图。 [0023] 图2是本发明实施例中预应力CFRP受弯加固RC简支梁破坏形态分布图。 [0024] 图3是本发明实施例中预应力CFRP加固RC简支梁正截面受弯计算简图。 [0025] 图4是本发明实施例中预应力CFRP加固RC简支梁正截面承载能力计算简图。 [0026] 图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。 具体实施方式[0027] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0028] 实施例 [0029] 本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计方法，包括： [0030] 一、通过调研资料分析，判断桥梁是否能够通过预应力CFRP加固RC简支梁达到提高抗弯承载力的目的。 [0031] 步骤1：预应力CFRP待加固桥梁调研、资料分析 [0032] 通过设计资料及现场桥梁服役情况的调查，明确RC简支梁的截面尺寸、混凝土强度、配筋等信息。 [0033] 步骤2：预应力CFRP加固前后RC简支梁承载能力演算 [0034] 演算确定预应力CFRP加固前RC简支梁的承载力My及其加固后可能的最大极限承载力Mkmax。 [0035] RC简支梁加固前的承载力My计算公式为(1)、(2)： [0036] [0037] [0038] 式中：α1为系数按《混凝土结构设计规范》规定取值，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，b为简支梁宽度，x为截面受压区高度，h0为简支梁有效高度，As为受拉区纵向普通钢筋的截面面积，fy为普通钢筋抗拉强度设计值。 [0039] RC简支梁加固后可能的最大极限承载力Mkmax计算公式为(3)： [0040] [0041] 式中：β1为系数按《混凝土结构设计规范》规定取值，εcu为正截面的混凝土极限压应变，εy为钢筋屈服应变。 [0042] 步骤3：确定预应力CFRP加固RC简支梁后的承载力需求 [0043] 根据桥梁的作用荷载，对桥梁结构进行计算，确定单根梁的承载力需求Ms。 [0044] 步骤4：判断桥梁是否能够采用预应力CFRP加固RC简支梁到达其承载力需求[0045] 若Ms＜My，则不需要加固提高桥梁的承载能力就能够满足桥梁的承载力需求；若My＜Ms＜Mkmax，则可以通过预应力CFRP加固Rc简支梁到达其承载力需求；若Ms≥Mkmax，则只通过预应力CFRP加固RC简支梁达不到桥梁承载力需求，可以考虑其他的桥梁加固方法。 [0046] 二、预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计计算 [0047] 步骤1：确定预应力CFRP初始张拉应变界限范围 [0048] 首先，根据预应力CFRPRC简支梁需发生适筋破坏。即，其破坏模式应介于界限破坏I(受压区边缘混凝土达极限压应变与原受拉钢筋达到屈服同时发生)与界限破坏II(受压区边缘混凝土达极限压应变与CFRP达极限拉应变同时发生)之间，如图2所示，以及加固后RC简支梁的力平衡方程，如图3所示，则预应力CFRPRC简支梁的初始张拉控制应变满足公式(4)。 [0049] [0050] 式中：h为简支梁高度，εsu为钢筋极限拉应变按《混凝土结构设计规范》规定取值，Ecf为碳纤维布的弹性模量，n为碳纤维布加固层数，bcf为碳纤维布宽度按所用碳纤维布张拉设备适用宽度取值，hcf为碳纤维布厚度，εcf0为碳纤维布初始张拉应变。 [0051] 其次，根据预应力CFRP初始张拉应变应满足CFRP材料抗拉指标。即，CFRP初始张拉应变应大于0小于CFRP极限应变，则预应力CFRPRC简支梁的初始张拉控制应变还应满足公式(5)。 [0052] [0053] 式中：εcu为正截面的混凝土极限压应变，按《混凝土结构设计规范》规定取值，α1、β1为系数按《混凝土结构设计规范》规定取值，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，b为简支梁宽度，h为简支梁高度，fy为普通钢筋抗拉强度设计值，As为受拉区纵向普通钢筋的截面面积，Ecf为碳纤维布的弹性模量，εcf0为碳纤维布初始张拉应变，εcfu为碳纤维布极限拉应变。 [0054] 最后，根据公式(4)和(5)确定预应力CFRP初始张拉应变界限范围。如果加固用的CFRP的裁剪宽度都相等，则根据公式(4)和(5)可确定不同CFRP层数的初始张拉应变界限范围。 [0055] 步骤2：根据RC简支梁加固后其承载力需求Ms，确定预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变(应力)及CFRP加固层数 [0056] 根据加固后RC简支梁的力平衡方程，以及加固后RC简支梁的弯矩平衡方程，如图4所示，截面应变关系，建立方程组(6)： [0057] [0058] 式中：εcf1为加固梁破坏时碳纤维布应变。 [0059] 根据梁加固后其承载能力需求，即预应力CFRP加固RC简支梁的承载力，通过初拟CFRP加固层数，代入方程组(6)中试算确定预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变(应力)。 [0060] 步骤3：根据预应力CFRP初始张拉应变界限范围，确定CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量。 [0061] 根据步骤1计算所得的不同CFRP层数的初始张拉应变界限范围，对步骤2中试算确定的预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变(应力)进行检验，并确定CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量。 [0062] 本实施例提出了预应力CFRP的初始控制张拉应力确定方法，建立了CFRP层数与初始张拉应力之间的关系，可用于简单、快速确定不同CFRP层数加固下的初始张拉应力范围。 [0063] 步骤4：根据CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量，复核预应力CFRP加固RC简支梁是否满足桥梁的承载力要求。 [0064] 本实施例基于加固梁适筋破坏理论及加固梁承载力需求，提出了一种基于针对CFRP层数与初始张拉应力的预应力CFRP抗弯加固设计计算方法，丰富了桥梁加固设计的实践，对预应力碳纤维布加固RC简支梁的设计和施工提高理论指导。 [0065] 试验例 [0066] RC简支梁实际尺寸为150mm×250mm×2000mm，计算跨径为1800mm，混凝土为C30。主筋及架立钢筋为HRB400，箍筋为HPB300。梁底受拉钢筋为2C12，架立钢筋为2C10，箍筋为A8@100。 [0067] 简支梁梁底混凝土保护层厚度为40mm，主筋净距为30mm。 [0068] 一、通过调研资料分析，判断桥梁是否能够通过预应力CFRP加固RC简支梁到达提高抗弯承载力的目的。 [0069] 步骤1：预应力CFRP待加固桥梁调研、资料分析 [0070] 通过设计资料及现场桥梁服役情况的调查，现RC简支梁的截面尺寸、混凝土强度、配筋等信息如下： [0071] [0072] [0073] 步骤2：：预应力CFRP加固前后RC简支梁承载能力演算 [0074] 根据公式(1)、(2)，RC简支梁加固前的承载力My为： [0075] [0076] [0077] 根据公式(3)，RC简支梁加固后可能的最大极限承载力Mkmax为： [0078] [0079] 步骤3：确定预应力CFRP加固RC简支梁的承载力需求 [0080] 由于车辆荷载的增加，单根RC简支梁需提高40％承载力，即： [0081] Ms＝140％My＝21.74kN·m [0082] 步骤4：判断桥梁是否能够采用预应力CFRP加固RC简支梁到达其承载力需求[0083] 梁加固前的承载力My及其加固后可能的最大极限承载力Mkmax、单根梁的承载力需求Ms满足关系为： [0084] My＜Ms＜Mkmax [0085] 所以可以通过预应力CFRP加固RC简支梁到达其承载力需求。 [0086] 二、预应力CFRP加固RC简支梁抗弯设计计算 [0087] 步骤1：确定预应力CFRP初始张拉应变界限范围 [0088] 假定本次预应力CFRP加固所采用的CFRP张拉设备适用宽度为50mm，所以bcf取值为50mm；假定所选CFRP伸长率为1.6％，即εcfu＝0.016。 [0089] 根据公式(4)和(5)确定预应力CFRP初始张拉应变界限范围为： [0090]碳纤维布层数n 初始张拉应变最小界限值 初始张拉应变最大界限值 1 0 0.0068 2 0 0.0096 3 0 0.0113 4 0 0.0125 5 0 0.0122 6 0 0.0097 7 0 0.0080 8 0 0.0066 9 0 0.0056 10 0 0.0047 11 0 0.0041 12 0 0.0035 [0091] 步骤2：根据RC简支梁加固后其承载力需求Ms，确定预应力CFRP加固RC简支梁控制张拉应变(应力)及CFRP加固层数 [0092] ①将RC简支梁加固后其承载力需求Ms，以及初拟CFRP层数为n＝1，代如方程组(6)中，解得碳纤维布初始张拉应变为： [0093] εcf01＝0.0057 εcf02＝0.4407 [0094] ②将RC简支梁加固后其承载力需求Ms，以及初拟CFRP层数为n＝2，代如方程组(6)中，解得碳纤维布初始张拉应变为： [0095] εcf01＝‑0.0019 εcf02＝0.2212 [0096] 步骤3：根据预应力CFRP初始张拉应变界限范围，确定CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量。 [0097] 根据步骤1计算所得的不同CFRP层数的初始张拉应变界限范围，对试算结果进行检验。 [0098] ①CFRP加固用量为1层，初始张拉应变为： [0099] εcf01＝0.0057＝35.62％εcfu εcf02＝0.4407(舍去) [0100] ②CFRP加固用量为2层，初始张拉应变为： [0101] εcf01＝‑0.0019(舍去) εcf02＝0.2212(舍去) [0102] 当拟定CFRP加固用量为2层时，代入方程组(6)，所得结果已都不符合预应力CFRP初始张拉应变界限范围。并且碳纤维布在实际加固时，满足条件情况下可选择较小层数，减少施工量的同时满足加固需求，故停止选择1层加固。 [0103] 所以，单根梁为达到承载力需求Ms，确定CFRP的初始控制张拉应变为εcf0＝40％εcfu＝0.0064＜0.0068，CFRP设计加固用量为1层。 [0104] 步骤4：根据CFRP的初始控制张拉应变及CFRP设计加固用量，复核预应力CFRP加固RC简支梁是否满足桥梁的承载力要求。 [0105] CFRP的初始控制张拉应变为εcf0＝40％εcfu＝0.0064，CFRP设计加固用量n＝1，代入方程组(6)中，解得： [0106] Mu＝22.28kN·m＞Ms＝21.74kN·m [0107] 所以预应力CFRP加固RC简支梁CFRP的初始控制张拉应变为εcf0＝40％εcfu＝0.0064，CFRP设计加固用量层数n＝1，能满足加固后承载力需求。 [0108] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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