持荷加固钢梁的有限元研究

对荷载作用下采用焊接钢板加固的W型钢梁的性能和承载力进行有限元研究。通过6个荷载作用下的焊接钢板加固的钢梁试验验证有限元模型。采用该模型对加固梁,焊接时预载的大小,未加固梁的初始缺陷等几个主要参数的影响进行分析。数值分析结果表明:加固时预载大小的增加导致加固梁侧扭屈曲破坏极限承载力降低,与每个翼缘都用焊接钢板相比,只在受拉翼缘焊接钢板,承载力降低更显著。研究也显示,未加固梁的初始缺陷变化影响了加固梁的极限承载力。当预载的大小及初始缺陷的影响达到临界状态时,梁发生屈服破坏。     

锚焊U形钢板加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究

设计了3根锚焊U形钢板加固的混凝土梁试件,并进行了四点弯曲加载试验,获得试件的破坏形态、荷载-挠度曲线、钢板和混凝土界面滑移情况以及各材料在加载过程中的应变发展情况,分析了加固梁的受力模式.采用有限元软件ABAQUS分析配筋率、抗剪螺栓间距、抗屈曲螺栓数量和钢板厚度对加固梁性能的影响特征和变化规律.试验结果表明,锚焊U形钢板加固混凝土梁的破坏模式属于延性的弯曲破坏,且整体性良好.有限元分析结果表明,配筋率越高的构件,加固效果越差;增加翼缘抗剪螺栓间距、梁底抗剪螺栓间距和腹板抗屈曲螺栓数量可以限制钢板的滑移和屈曲失稳,一定范围内能增加梁的极限承载力;加固钢板越厚,加固梁的刚度和承载力越大,并且钢板厚度的不同对梁的屈服变形和极限变形均有一定的影响.     

预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

采用自行开发的锚具和张拉加固施工工艺,对12根钢筋混凝土梁进行了预张拉碳纤维布加固和单调静力加载试验.通过试验,研究了加固梁的破坏模式和破坏机理,分析了持荷力水平、碳纤维布预张拉应变和加固量对构件受力性能的影响.结果表明,采用预张拉工艺加固钢筋混凝土梁,梁端锚具具有很好的锚固作用,能有效避免碳纤维布端部剥离;提高碳纤维布的工作应变,可使抗拉强度得到充分利用;增加碳纤维布预拉应变和碳纤维布用量可提高梁的承载力,改善梁的使用性能;对于极限状态下碳纤维布被拉断这一破坏模式,加固时梁上的持荷水平对预张拉碳纤维布加固梁的极限承载力影响不大.另外,给出了加固梁截面抗弯承载力的计算公式和加固设计建议.     

碳纤维布加固二次受力下剪弯段开双孔RC梁受力性能

基于剪弯段开双孔RC梁受力的特点,考虑不同的初始荷载,对碳纤维布(CFRP)加固二次受力条件下剪弯段开双孔梁的受力性能进行了试验研究。研究结果表明,未加固开孔梁的承载力随初始荷载的增大而降低,破坏时梁的底部钢筋没有发生屈服,呈剪压破坏状态;与未开孔RC梁相比,二次受力下各开孔梁的承载力随着初始荷载的增大有明显下降的趋势,当初始荷载分别为未开孔梁极限承载力设计值的20%,40%和60%时,其极限承载力分别降低了26.1%、30.9%和35.5%。初始荷载不超过未开孔梁极限承载力设计值的40%时,开孔梁碳纤维布加固后的极限承载力与未开孔梁相比下降幅度不超过8%,加固效果明显;初始荷载低于未开孔梁极限承载力设计值的60%时,开孔加固梁的底部钢筋屈服,与未开孔梁一样呈受弯破坏形态。     

BFRP加固重度预裂钢筋混凝土梁受弯承载力试验研究

为了研究外贴BFRP加固重度预裂RC梁的受弯承载力,通过设置2组试件,对比分析了BFRP加固重度预裂RC梁的破坏形态、承载力、荷载-挠度曲线和荷载-纤维布应变曲线等。研究结果表明:重度预裂RC梁经BFRP加固后,在加载过程中,跨中混凝土沿原裂缝开裂和扩展,达到极限荷载后,受压区混凝土被压碎,BFRP未发生明显破坏;重度预裂RC梁的受弯承载力可达到同BFRP层数加固基准梁的107.99%(1层BFRP)、95.07%(2层BFRP)和99.34%(3层BFRP);BFRP加固重度预裂RC梁的荷载-挠度曲线及荷载-纤维布应变曲线的变化规律与基准梁存在差异。根据BFRP加固重度预裂RC梁的破坏特点,并考虑受压区混凝土抗压强度的折减,提出了适用于BFRP加固重度预裂RC梁的受弯承载力计算公式,经过验证,计算值与试验结果吻合良好。     

预载水平及剪/弯承载力比对剥离破坏的影响

通过碳纤维片材加固钢筋混凝土简支梁的受弯试验及文献中相关试验,研究了预载水平及剪/弯承载力比对纤维片材初始剥离荷载的影响。对本文试验及文献中发生剥离破坏的碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的试验研究,分析结果表明:(1)随剪/弯承载力比的增大,加固梁纤维片材的初始剥离荷载也随之增大;但当剪/弯承载力比值较小,即受剪承载力富裕度较小的情况下,纤维片材可能会在低于设计极限承载力时发生剥离破坏;(2)加固时预载水平的大小对碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的极限荷载和CFRP片材初始剥离时的荷载影响不大。因此加固设计时必须充分考虑加固构件的受剪承载力对剥离破坏的影响,以避免纤维剥离这一脆性破坏模式的发生。     

预应力钢带加固钢筋混凝土柱试验研究

通过对2根预应力钢带加固钢筋混凝土柱与2根未加固钢筋混凝土柱的力学性能进行对比试验,研究预应力钢带加固对钢筋混凝土轴心受压柱、偏心受压柱的破坏形态、承载力、刚度、变形能力的影响。试验结果表明:预应力钢带加固钢筋混凝土柱的破坏形态与未加固试件基本相同,但加固试件初裂荷载更大;加固后钢筋混凝土轴心受压试件、偏心受压试件承载力分别提高24%、20%,承载力提升效果显著;预应力钢带加固对轴心受压试件轴向刚度明显提高,从初始加载到荷载达到80%极限荷载的不同加载水平下,加固后轴压试件的轴向刚度与未加固试件轴向刚度的比值在1.12~1.18;经预应力钢带加固后,偏心受压试件极限荷载对应的侧向挠度增大了37%,偏压试件变形能力明显增强。     

碳纤维布加固玄武岩纤维复材筋工程用水泥基复合材料混凝土梁的受弯性能

设计制作了三组不同层数的碳纤维布(CFS)加固受弯构件,分别为玄武岩纤维复材(BFRP)筋混凝土梁、BFRP筋工程用水泥基复合材料(ECC)梁和BFRP筋ECC-混凝土复合梁,并对其进行受弯性能试验研究。研究了碳纤维布粘贴层数对加固试件极限荷载、破坏形态、裂缝和变形的影响。结果表明:相同荷载下,复合梁和ECC梁试件的变形和裂缝宽度均小于普通混凝土梁试件。在受弯构件受拉区配置ECC可有效提高构件抵抗变形和裂缝的能力。经粘贴碳纤维布加固后的试件的开裂荷载和极限荷载均大于未加固试件,粘贴一、二、三层CFS加固的复合梁极限荷载较未加固梁分别增加了12. 5%、16. 6%、19. 7%。粘贴CFS布可有效提高构件的承载力和抵抗变形、裂缝的能力。改善效果随CFS粘贴层数的增加而增大,但提升幅度逐渐减小。     

嵌入式FRP筋加固梁抗弯承载力分析

通过两点静力荷载作用下3根表层嵌贴FRP筋加固的钢筋混凝土T形损伤梁的试验,研究了嵌入式FRP筋加固梁的破坏特征和受力性能。分析了FRP筋表面特征和FRP筋材料种类对加固梁破坏模式、极限承载力、刚度等方面的影响。试验结果表明:嵌入式FRP筋加固方法能显著提高梁的屈服荷载和极限承载力;加固量一定时,带肋CFRP筋加固梁的极限承载力最高,光圆GFRP筋加固梁的极限承载力最低。在试验研究的基础上,建立了剥离破坏模式下嵌入式FRP筋加固梁的抗弯承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

FRP片材加固钢筋混凝土梁二次受力试验研究

进行了7根纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯试验,考虑了无二次加载历程、加载到未加固梁极限荷载 的50%、加载到未加固梁极限荷载的50%再卸载至极限荷载的25%三种情况。试验结果表明纤维布加固梁 的开裂荷载和极限荷载有显著提高;加固前初始应力水平越高,极限荷载提高越不理想。     

Experimental behavior and strength of steel beams strengthened while under load

W-shaped beams were tested under a four-point loading to investigate the behavior and capacity of flexural members strengthened while under load. Experimental results revealed that for specimens tested at a long span and failing predominantly by lateral-torsional buckling, an increase in the preload level up to 53% of the capacity of the unstrengthened beam resulted in a maximum decrease of 14.2% in the lateral buckling load of the strengthened beam but the variation in the ultimate loads was insignificant for all preload levels. Those tested at a shorter span with the same strengthening pattern showed a decrease of 13% in the ultimate capacity as the preload level increased to 50% of the capacity of the unstrengthened beam. The load versus deflection behavior, however, showed less variation between specimens strengthened under load and under no load. For specimens failing predominately by flexural yielding, the preload level showed negligible effect on the ultimate capacity of strengthened specimens.     

Experimental characterization and finite element analysis of inflated fabric beams

An airbeam is a high-strength fabric sleeve with a highly flexible internal bladder that can be used as a load-bearing beam or arch when inflated. Due to their fabric construction, airbeams are inherently thin-walled structures that are prone to local buckling. In this study, airbeams were tested in bending at different inflation pressures to quantify their load–deformation response and the effect of inflation pressure on response. Tension–torsion tests of the airbeam fabric were conducted to estimate the fabric shear modulus, and the bend test results were used in conjunction with Timoshenko beam theory to estimate the fabric elastic modulus. Three-dimensional membrane finite element (FE) models were then used to predict the beam load–deformation response given these moduli. The FE models successfully predicted localized fabric buckling and softening of load–deflection response. Comparison of FE model-predicted load–deflection response with beam theory shows that conventional beam theory is accurate prior to local buckling of the airbeam fabric. The FE model and test results indicate that the consideration of work done by pressure under deformation-induced volume changes may increase beam capacity beyond previously derived theoretical limiting values.     

悬伸梁和双跨连续梁的整体稳定承载力试验研究

为了研究悬伸梁和双跨连续梁在集中荷载作用下的整体稳定性能,对两种单轴对称截面形式(上翼缘加强、下翼缘加强)、两种悬伸长度(1200mm、1600mm)共计5根悬伸梁,以及一种单轴对称截面形式(上翼缘加强)、三种相邻跨度之比(1∶0.48、1∶0.64、1∶1)共3根双跨连续梁进行了试验研究。在进行破坏试验前,对悬伸梁进行了三种荷载作用位置的弹性试验,对连续梁进行了三种加载比例的弹性试验,并利用Southwell法确定了临界荷载。试验研究结果表明:当最大弯矩出现在悬伸梁的简支跨且上翼缘受压时,上翼缘加强构件稳定承载力明显高于同尺寸的下翼缘加强构件;悬伸长度为1600mm的构件承载力明显高于悬伸长度为1200mm的构件承载力;荷载作用在简支梁段跨中时构件稳定承载力最低,荷载作用点离中间支座越近构件稳定承载力越高。双跨连续梁中,在等比例加载时,相邻跨度之比越大,构件稳定承载力越高。此外,对试验进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗剪及耐久性研究

为了对碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗剪及耐久性性能进行研究,通过加固的试验梁和未加固的对照梁在氯离子侵蚀下的耐久性试验,对比分析了在荷载作用下钢筋混凝土梁在使用阶段的裂缝开展、挠度、电化学指标和应变。表明碳纤维能起到很好的屏障作用,并能有效限制裂缝的开展,且加载后均未出现剪切破坏,碳纤维可明显提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力和耐久性,但不同的加固方式对其耐久性影响较大。     

二次受力下预应力CFRP布加固RC梁受力分析

主要讨论了考虑二次受力情况下碳纤维布加固RC梁正截面受力分析,通过理论计算得出了有初始荷载存在情况下CFRP布加固RC梁的破坏荷载,通过对比三根梁,得出二次受力情况下预应力CFRP布加固RC梁受力性能有了很大的提高。     

反拱法加固混凝土受弯构件理论及试验研究

对采用反向起拱粘贴碳纤维布加固混凝土梁构件的基本原理和设计方法进行了初步研究,提出了基于预应力原理的反拱法碳纤维布材加固梁构件的施工工艺。在此基础上,进行了3根试件的试验。通过试验结果对比了不同加固工艺的受弯构件的开裂荷载、极限荷载、抗弯刚度等工作性能,分析了反拱加固的预应力效应。试验发现,反拱加固试件的开裂荷载较普通粘贴加固试件的开裂荷载提高了36.2%,屈服条件下的变形减小了24.2%。试验结果表明,采用反拱加固可方便有效地卸除加固构件的残余应力,并产生预应力效应,可充分发挥碳纤维布材料高强度的特性,提高构件刚度和承载能力。     

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土T形梁的试验研究

采用自行研发的碳纤维布预应力张拉设备,模拟实际工程情况,通过7根预应力碳纤维布受弯加固梁的受力性能试验研究,比较分析了不同加固量、预应力度、配筋率、二次受力等因素对试验梁受力性能的影响。试验梁为7m跨度的大尺寸T形混凝土梁和预应力混凝土梁。试验研究表明,采用预应力碳纤维布加固可以有效提高混凝土梁的承载力,减小梁的挠度和裂缝宽度,所研发的预应力碳纤维布加固技术可用于实际工程。     

体外预应力钢-混凝土组合连续梁的试验研究及有限元分析

与承受正弯矩的简支梁不同,连续梁中支座部分承受负弯矩,组成组合梁的钢板件受压力作用,其力学性能受稳定控制,不考虑稳定影响的规范简化塑性算法会带来不安全的结果.以Ⅱ类、Ⅲ类组合梁和是否配置预应力筋为参数,进行了两组共四根连续组合梁的单调加载对比试验.试验结果表明:无论预应力连续组合梁或是普通连续组合梁,最终破坏特征均为负弯矩区混凝土开裂,钢腹板局部屈曲,整个截面畸变失稳,正弯矩区混凝土板压碎;正弯矩区的承载能力可由简化塑性计算方法计算,而负弯矩区的受力性能由稳定控制,影响其承载能力的主要因素为板件的宽厚比所表征的截面种类,考虑屈曲的承载力计算方法与试验结果吻合.对各组合梁进行了有限元数值分析,分析考虑界面滑移、预应力、稳定等影响,结果和试验吻合较好.     

A comparative study of continuous steel-concrete composite beams prestressed with external tendons: Experimental investigation

A comparative study of prestressed continuous steel-concrete composite beams is carried out based on an experimental investigation. Four full-scale continuous composite beams were tested, among which two were two-span beams and two were three-span beams. One of the two-span beams was a conventional non-prestressed composite beam, and the other was a composite beam prestressed with external tendons in both the positive and negative moment regions. One of the three-span composite beams was non-prestressed, and the other was prestressed only in the negative moment regions with external high-strength tendons. The cracking behaviors, distortional lateral and local buckling as well as the load carrying capacity of the beams were investigated experimentally. Full plasticity was developed at the mid-span section of each beam; however, the maximum moments attained at the internal supports were governed by local buckling, which is related to the slenderness of the composite section. It is found that in hogging moment regions, the ultimate moment resistance of a composite beam prestressed with external tendons is governed by either distortional lateral buckling or local buckling, or an interactive mode composed of distortional lateral and local buckling. The results show that exerting prestressing on a continuous composite beam with external tendons increases the degree of the internal force and moment redistribution in the beam. A design proposal based on moment redistribution to evaluate the load carrying capacity of continuous composite beams with external tendons is proposed.     

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土简支梁试验研究

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁技术,是建立在钢板-混凝土组合梁基础上的一种加固方法。为了研究其受弯性能,对1根钢筋混凝土对比梁和10根钢板-混凝土组合加固简支梁进行了试验研究。加固试件包括直接加固、损伤后加固及持载加固试件。量测分析了试件的荷载、挠度、应变、裂缝宽度及其发展等。试件的破坏形态包括弯曲破坏和新老混凝土剥离破坏。试验表明,组合加固可以大大提高钢筋混凝土梁的承载力和刚度,试件具有良好的延性。采用弹性方法和塑性方法分析了试件的开裂荷载和极限受弯承载力,计算结果与试验吻合良好;用现有规范方法对试件刚度进行估算存在一定误差。