考虑二次受力状态下钢板加固锈蚀rc梁抗弯刚度计算方法和试验研究_唐皇_彭建新_张.pdf
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1、第 45 卷 第 20 期 2015 年 10 月下建筑结构 Building StructureVol 45 No 20 Oct 2015考虑二次受力状态下钢板加固锈蚀 C 梁 抗弯刚度计算方法和试验研究*唐皇, 彭建新, 张建仁( 长沙理工大学土木与建筑学院,长沙 410114) 摘要 考虑工程中 C 桥梁存在二次受力的情况以及钢板与混凝土之间的协同工作系数, 同时引入改进的坑蚀模型, 建立了钢板加固锈蚀 C 梁抗弯刚度理论模型。通过 9 根钢板加固锈蚀 C 梁抗弯弹性试验验证了理论模型的正确性, 对比了考虑二次受力和不考虑二次受力状态下试验梁的刚度。结果表明, 二次受力状态下挠度理论值与
2、试验值比值的均值和变异系数分别为 1. 02 和 0. 13, 理论推导的数值与试验值较为吻合。钢板加固能够有效提升锈蚀 C 梁的抗弯刚度, 不考虑二次受力的试验梁刚度被高估了, 而不考虑钢板与混凝土间变形协调的试验梁刚度被低估了。 关键词 二次受力;钢板加固;锈蚀 C 梁;抗弯刚度中图分类号: TU398. 7文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2015) 20- 0087- 05Calculation method and experimental research of the bending stiffness of corroded Cbeams strengthen
3、ed by steel plates considering the secondary load stateTang Huang,Peng Jianxin,Zhang Jianren( School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)Abstract: Considering the secondary load condition of C bridge beam in engineerings,coordinat
4、ion working coefficientbetween steel plates and concrete and the introduction of improved corrosion- proof model,the bending stiffness theoreticalmodel of corroded C beams strengthened by steel plates was established The flexural elasticity tests with corroded 9 Cbeams strengthened by steel plates w
5、ere carried out to verify the correctness of the theoretical model The stiffness of testbeams under secondary load state was compared with that of the common beams The results show that the mean value andvariation coefficient of the ratio between the deflection theoretical value and the experimental
6、 value under secondary loadstate is 1. 02 and 0. 13 respectively The numerical results are in good agreement with the experimental values Steelreinforcement can effectively enhance the bending stiffness of corroded C beams The stiffness of test beams is overratedwithout taking into account the secon
7、dary load, and the stiffness of test beams is undervalued without taking into account thedeformation compatibility between the steel plates and concreteKeywords: secondary load;strengthened by with steel plate;corroded C beam;bending stiffness* 国家重点基础研究发展计划( 2015CB057706) , 国家自然科学基金 项目资助( 51178060,
8、51378081) , 交通部主干学科应用基础研究项目 资助( 2014319825160) , 博士后基金资助( 2014M552127) , 桥梁工程 湖南省高校重点实验室开放基金资助项目( 13KA04) 。 作者简介: 唐皇, 博士研究生, Email: 806707617 qq com。0引言在现有桥梁加固前后, 桥梁结构也同时受静荷载和动荷载的作用, 因此考虑二次受力对于桥梁加固后抗弯、 抗剪、 变形等力学性能分析更加合理。现有学者对于考虑二次受力状态下, 加固 C 梁承载性能进行了一定的研究, 张凯等1 、 任庆新等2 、 胡孔国等3 分别对二次受力下碳纤维加固 C 构件抗剪、
9、抗拉、 抗弯性能进行了试验研究。刘来君等4 就二次受力下钢板加固 C 梁承载性能进行研究。尚守平等5 、 卜良桃等6 就二次受力下钢丝网复合砂浆加固 C 梁承载性能进行了试验研究。在上述学者的研究中, 并没有考虑构件中钢筋锈蚀这一引起结构刚度退化的主要因素, 因此在分析锈蚀应变时仍采用平截面假定。然而在实际工程中, 加固措施往往是在钢筋锈蚀引起结构性能退化之后开展, 锈蚀引起的钢筋与混凝土变形的不协调性使得构件截面不再符合平截面假定。同时在现有研究中, 考虑二次受力的锈蚀 C 梁加固后的抗弯刚度分析的研究较少 , 公路桥梁加固设计规范 ( JTG/T J222008) 中也没有明确指出锈蚀 C
10、 梁加固后刚度计算方法。因此有必要研究考虑二次受力情况下钢板加固后锈蚀 C 梁的刚度。本文考虑二次受力、 钢筋锈蚀引起的钢筋与混凝土之间的变形不协调性, 同时考虑钢板与混凝土之间的协同工作系数, 引入钢筋与混凝土之间的应变协调系数和粘结系数, 建立二次受力情建筑结构2015 年况下钢板加固后锈蚀 C 梁后抗弯刚度的计算方法, 并且利用 9 根试验梁弹性试验验证理论模型的正确性。 1锈蚀 C 梁加固前滞后应变的计算锈蚀钢筋与混凝土之间存在变形不协调性, 张建仁等7 定义了锈蚀钢筋与钢筋位置处混凝土之间的应变协调函数 ( ) :( )=cs s( 1)式中: cs, s分别为锈蚀钢筋位置处混凝土和
11、锈蚀钢 筋的应变; 为钢筋的锈蚀率。文献 7 中通过对 ( ) 试验数据的线性回归拟合得出其数学表达式, 选用其中的抛物线拟合公式。在钢板加固前, 由于荷载引起的初始弯矩的存在, C 梁截面存在初始应变, 然而新加部分的钢板加固后应变从 0 开始, 因此结构加固前从截面顶面延伸到加固结构处虚拟应变即为钢板的滞后应变sp08 。加固前混凝土应变符合平截面假定, 应力-应变分布图如图 1 所示。图 1加固前截面应力- 应变分布图滞后应变 sp0以及锈蚀钢筋加固前应变 s0可由下面两式计算:sp0= c0h + tp xc xc( 2)s0=cs ( )= c0h0 xc d/2 xc( )( 3)
12、式中: h 为梁高; tp为钢板厚; xc为初始弯矩 M0作用 下受压区高度; h0为截面有效高度; d 为钢筋的直 径; c0为初始弯矩下截面顶面混凝土应变。对于混凝土应力- 应变关系, 采用混凝土结构设计规范 ( GB 500102012) ( 简称混规) 中的二次抛物线模型, 利用模型中的混凝土应力表达式, 图 1 中受压区高度 xc范围内, 混凝土合力 C 经积分 可得:C =xc0bfc2(xxc)c0 0 (xxc)2(c0 0)2dx= bfcxcc0 0( 1 c030)( 4)式中: b 为梁截面宽度; fc为混凝土抗压强度; x 为初始弯矩小于 M0时梁受压区高度; 0为混
13、凝土本构模型中峰值应力对应的应变, 取 0. 002。合力 C 作用点到截面顶面距离 yc为:yc= xc1 Cxc0xbfc2(xxc)c0 0 (xxc)2(c0 0)2dx= xc(1 c0/40 3 c0/0)( 5)结合式( 4) , ( 5) , 由图 1 中力的平衡和各力对受拉钢筋取弯矩可得:bfcxcc0 0( 1 c030)= Esc0h0 xc d/2 xc( )Asc( 6)M0= bfcxcc0 0( 1 c030) ( h01 c0/40 3 c0/0)( 7)式中: Asc为钢筋锈蚀后剩余截面积; M0为梁初始弯矩; Es为受拉钢筋弹性模量。由式( 6) , ( 7
14、) 便可得到 c0, xc。将其代入式 ( 2) , ( 3) 中, 便可得到 sp0, s0。 2钢板加固后梁的刚度计算2. 1 钢筋锈蚀模型在实际工程中, 钢筋锈蚀往往是不均匀的坑蚀, 因此在实际计算中应该采取坑蚀模型, 最经典的坑蚀模型是 Val D 等9的椭圆模型, 此模型并没有考虑除顶部坑蚀外钢筋四周的锈蚀。然而, 通过本文的试验研究可以发现, 钢筋截面边缘轮廓也存在不均匀锈蚀, 为不光滑曲面, 所以在经典坑蚀的基础上, 考虑钢筋四周轮廓的锈蚀, 建立了锈蚀钢筋坑蚀改进模型, 具体钢筋坑蚀模型见图 2。图 2钢筋坑蚀模型图 2 中钢筋锈蚀后剩余截面积 Asc可用下式表示:Asc= A
15、s ( Apit+ Arou)( 8)其中:Arou= 2r1davg( 9)88第 45 卷 第 20 期 唐皇, 等 考虑二次受力状态下钢板加固锈蚀 C 梁抗弯刚度计算方法和试验研究Apit=S1 + S2( p 槡2 2d)1 4d2 ( S1 S2)(槡2 2d p d)1 4d2( p d )( 10)式中: As为未锈蚀钢筋的截面积; Apit为钢筋锈蚀部分面积; Arou为钢筋边缘环状部分锈蚀面积; r1为钢筋截面除边缘环状部分剩余部分半径, 即 r1=d 2 davg, 其中 davg为 d1, d2, d3, d4的平均值, d为钢筋原始直径; d为除边缘环状部分剩余部分直径
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