体外预应力混凝土梁的极限强度分析

通过梁截面的应力-应变关系,在分析体外预应力混凝土梁整体变形的基础上,得到了极限状态下体外预应力钢筋的极限应力和混凝土梁的极限抗弯强度。将体外预应力钢筋应力的增加看作是作用在梁上等效荷载的增加,因此可以考虑不同的外荷载形式(包括对称荷载和不对称荷载)、不同的截面形式以及不同的体外预应力钢筋布置形式对梁极限状态的影响。计算结果与已有试验结果吻合良好。     

体外FRP筋的极限应力分析

为获得体外预应力混凝土梁的正截面抗弯强度、必须首先确定体外预应力筋的极限应力。在过去的半个多世纪中,许多学者对体外或体内无粘结预应力筋的极限应力进行了试验及分析研究,但这些研究主要以钢材、很少以纤维复合材料(FRP)作为研究对象。本文根据相关的试验研究数据,分析了以FRP为体外筋和以钢材为体外筋的情况下,等效塑性区长度与破坏截面中性轴比值的差异及变化。分析表明,对FRP体外预应力混凝土梁,这一比值比较稳定,并可取为常数。但该常数与以钢材为体外预应力筋的构件的有所不同。本文建立了分别以FRP和钢材为体外预应力时,构件的等效塑性区长度与破坏截面中性轴比值的转换关系式。在此基础上,建议了既适用于简支梁,亦适用于连续梁;既适用于常规的体外预应力钢筋,亦适用于非常规的体外预应力FRP筋的体外预应力筋极限应力计算方法。     

体外预应力FRP筋加固混凝土单向板抗裂及刚度计算方法

通过6块体外预应力玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋加固混凝土单向板的受弯试验,分析GFRP筋张拉应力和配筋率对混凝土单向板抗裂性能和挠度的影响。结果表明,随GFRP筋张拉应力和配筋率的增大,体外预应力GFRP筋混凝土单向板抗裂荷载提高25%~125%,跨中开裂挠度增加35%~159%,跨中屈服挠度增加21%~36%,跨中极限挠度降低13%~34%。结合本文体外预应力GFRP筋加固混凝土单向板和已有文献的体外预应力FRP筋混凝土梁试验结果,提出适合体外预应力FRP筋加固混凝土单向板和梁抗裂及刚度的计算方法。     

有粘结预应力FRP筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法

国内外已有试验研究表明,有粘结预应力FRP筋混凝土梁的破坏模式包括界限破坏、受压破坏与受拉破坏三种。在我国现行规范中尚无关于预应力FRP筋混凝土梁的设计规定,在ACI440.4R-04规范中虽有相关的规定,但其针对的是截面受拉区仅配置预应力FRP筋的混凝土梁。对截面受拉区同时配置预应力FRP筋和非预应力钢筋、预应力FRP筋和非预应力FRP筋这两种混合配筋形式下的有粘结预应力FRP筋混凝土梁的正截面抗弯承载力计算方法进行了研究。基于受弯截面的极限状态分析,分别提出了三种破坏模式下正截面抗弯承载力的计算公式。为了验证公式,进行了6根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的单调静力试验以及基于ANSYS软件的非线性有限元参数分析。应用建议公式对课题组及国外完成的48根有粘结预应力FRP筋混凝土梁的试验结果和6根梁的参数分析结果进行了计算与对比,计算值与试验结果和参数分析结果吻合较好。     

体外预应力筋极限应力增量的理论分析与试验研究

为研究体外预应力梁受弯破坏过程的力学性能及体外预应力筋极限应力增量,对比分析了各国规范关于体外预应力筋应力增量的计算方法,设计并完成了2根体外预应力波形钢腹板简支组合梁的抗弯承载力试验,编制了非线性全过程分析程序对2根梁进行了分析;以跨高比为主要变量,考虑混凝土强度、截面配筋状况、体外预应力筋有效预应力等因素,以平截面假定为基础,根据极限状态时梁截面内力平衡条件,通过增大受压区混凝土面积建立了体外预应力筋极限应力增量的简化计算公式,并用搜集到的19根试验梁数据对该计算公式加以验证。结果表明:体外预应力组合梁受弯破坏全过程与体内预应力梁基本类似,但是梁破坏时体外预应力筋还未进入屈服阶段,利用各规范公式计算的体外预应力筋极限应力增量比试验值小很多,与试验梁普通受拉钢筋屈服时的体外预应力筋应力增量相当;体外预应力筋的极限应力增量与跨中挠度近似呈直线关系;计算结果与试验结果吻合良好,该公式具有一定的参考价值。     

体外预应力混凝土连续梁弯曲性能试验研究

为了研究体外预应力混凝土连续梁的弯曲性能、极限受力状态及内力重分布规律,以施工方法和体内外预应力筋配比为参数,对1根整体式(体内外配筋)和2根节段式(体内外配筋和全体外配筋)体外预应力混凝土连续梁进行了模型试验。通过试验数据分析,得到了模型梁挠度、混凝土应变、体外预应力筋应力与有效高度随荷载变化规律,以及混凝土裂缝发展与分布情况。结果表明:整体式梁的混凝土极限压应变和挠度最大、延性较好但体外预应力筋有效高度减少最大,节段式体内外预应力梁的体外预应力筋极限应力最大,节段式全体外预应力梁的混凝土极限压应变和挠度最小、延性较差、体外预应力筋极限应力及有效高度减少也最小。节段式梁的裂缝主要集中在接缝位置、无斜裂缝,接缝位置的塑性变形使内力重分布更充分。整体式梁内力重分布的区域集中而节段式全体外预应力梁的范围较大,各梁控制截面弯矩增、减幅值不超过10%。     

基于增设截面的体外预应力梁抗弯性能分析

采用OpenSEES对体外预应力梁进行抗弯性能分析。由于采用传统方法易造成体外预应力筋和梁变形不同步,如果预应力筋和梁分别设置截面,预应力筋截面的应力难以准确施加到梁截面锚固处,为此,提出增设截面建模方法,在预应力筋截面增设混凝土截面。结果表明,采用增设截面的方法建模,有效解决了预应力定位问题,梁出现反拱,与梁实际状态一致,增设截面高度对抗弯承载力影响显著,建议与原混凝土截面高度一致,预应力筋应力增量随转向块个数增加而增大。     

体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯性能试验研究

通过体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁静力试验,研究体外预应力CFRP筋加固梁的受弯性能,包括受力过程、破坏形态、延性及CFRP筋应力增量等,分析张拉控制应力、非预应力配筋率和混凝土强度等级对加固梁受弯性能的影响。结果表明:与未加固梁相比,采用体外预应力CFRP筋加固,能显著提高混凝土梁的受弯承载力、整体刚度和极限变形能力,限制裂缝发展;张拉控制应力和非预应力筋配筋率对加固梁受弯承载力影响较为明显,而混凝土强度等级影响较小。基于试验结果,运用现有体外预应力混凝土结构理论,建立了体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯承载力计算公式,可供实际工程设计参考。     

连续梁中无粘结预应力筋极限应力增量

无粘结筋极限应力增量的合理计算,是较准确计算无粘结预应力混凝土梁正截面承载力和极限荷载的基础。采用弯矩-曲率非线性分析法编制了可考察预应力混凝土梁中无粘结筋极限应力增量的计算程序,通过与16根两跨预应力混凝土连续梁中无粘结筋极限应力实测值的比较,验证了该方法的精确性。最后基于仿真分析结果,得到了预应力筋配筋指标、非预应力筋配筋指标、跨高比、加载形式等参数对承载能力极限状态下连续梁中无粘结筋应力增长的影响规律;建立了无粘结部分预应力混凝土连续梁中无粘结筋极限应力增量的计算公式。     

考虑二次效应的体外预应力梁极限抗弯承载力

体外预应力筋的应力和二次效应是体外预应力梁设计中的两个关键因素,采用粘性折减系数法计算体外预应力筋的应力,同时考虑二次效应的影响,通过梁截面的应力-应变关系,推导出体外预应力梁极限状态下抗弯强度的计算公式。整个计算过程简单,计算结果与实验结果吻合较好,为体外预应力梁的设计提供了参考。     

中美FRP受弯加固设计规范比较

根据美国ACI-440委员会的FRP加固设计指南,主要介绍了本指南中FRP加固混凝土梁的正截面承载力的计算原理,包括基本假定、破坏形态、FRP初始应变、加固后截面的受弯承载力计算公式、承载能力极限状态时的钢筋、FRP的应力等.并与中国<混凝土结构加固设计规范>中的计算原理进行对比,阐述了两者存在的异同点.     

不同强度混凝土T形加固梁抗弯承载力试验研究

通过11根T形梁试验,研究了嵌入式FRP筋加固具有不同强度等级混凝土梁的破坏模式、内力和变形特征等力学性能,讨论了混凝土强度等级对加固梁性能的影响。结果表明:加固筋的表面特征影响加固梁的破坏模式,光圆FRP筋加固梁产生因FRP筋-黏结剂/黏结剂-混凝土界面的剥离引起的加固梁弯曲破坏,混凝土的强度对加固梁的破坏模式基本无影响;螺旋FRP筋加固梁可能产生沿轴线方向裂缝,并最终发生由混凝土保护层的劈裂、剥落引起的加固梁弯曲破坏,但随着混凝土强度提高,加固梁的破坏可能转变为局部保护层剥落破坏模式。加固筋的表面特征是影响加固梁黏结性能的重要因素,并导致对加固梁极限承载力的影响,FRP筋的材料种类对承载力的影响不明显。随着混凝土强度等级的提高,嵌入式FRP加固梁的局部黏结强度增大,但其对加固梁承载力的影响远小于FRP筋的表面特征(变形筋)对加固梁承载力的影响。并且,混凝土强度对加固梁的极限承载力影响不大。在破坏时,各加固梁的跨中挠度的变化也差别不大。     

体外索钢箱-混凝土组合梁力学性能研究

对一种新型的体外索钢箱-混凝土组合梁与普通的钢箱-混凝土组合梁进行对比试验,研究这两种钢箱-混凝土组合梁受力过程中的应变分布、界面滑移、刚度、极限强度等力学性能的差异。试验证实,体外索钢箱-混凝土组合梁比普通的钢箱-混凝土组合梁的刚度提高54.15%,极限强度提高27.72%。由于体外索的作用,减少了钢箱-混凝土组合梁的脆性破坏程度,提高了结构的强度与刚度,使钢箱-混凝土组合梁的应变分布和增长更为合理。因此,体外索钢箱-混凝土组合梁具有更好的力学性能。试验表明,截面应变沿宽度方向呈非线性分布,剪力滞效应随荷载的增加而变化,并不是常量。研究还发现,体外索应力与混凝土翼板最大压应变有密切的关系。在试验研究基础上,建立了截面非线性分析模型和体外索钢箱-混凝土组合梁极限强度计算公式,计算的极限强度与试验结果符合很好,这为体外索钢箱-混凝土组合梁极限强度的理论分析和工程实际应用提供了有意义的参考和研究途径。     

FRP筋-ECC梁受弯性能

为探究纤维增强复合材料筋增强高延性纤维增强水泥基复合材料梁(FRP筋-ECC梁)的受弯性能,对其正截面受弯全过程进行了理论分析和数值计算。首先,基于平截面假定和材料本构模型,获得FRP筋增强ECC梁受弯全过程截面应力分布,推导各受力阶段正截面受弯承载力计算公式; 采用MATLAB进行数值计算,对FRP筋-ECC梁受弯全过程进行分析; 将计算获得的荷载-挠度曲线与已有试验曲线对比,验证模型的正确性。然后,基于所提出的理论模型进行参数分析,分析ECC抗压强度及FRP筋配筋率对梁受弯性能的影响。最后,基于所提出的FRP筋-ECC梁延性系数计算公式,分析FRP筋配筋率及ECC抗压强度对梁延性性能的影响,并指出FRP筋-ECC梁的延性变化与梁的破坏模式有很大相关性。结果表明:ECC抗压强度和FPR筋配筋率的变化均可改变梁的破坏模式,但FRP筋配筋率的影响更大; ECC抗压强度对梁的初裂荷载、极限承载能力有较大影响; 配筋率可明显提高梁的短期刚度和极限承载力,但对梁的初裂荷载影响较小。     

Strengthening of RC beams in shear using GFRP inclined strips – An experimental study

Though there have been a number of studies on shear strengthening of RC beams using externally bonded fiber reinforced polymer sheets, the behaviour of FRP strengthened beams in shear is not fully understood. This is partly due to various reinforcement configurations of sheets that can be used for shear strengthening and partly due to different failure modes a strengthened beam undergoes at ultimate state. Furthermore, the experimental data bank for shear strengthening of concrete beams using FRP remains relatively sparse due to which the design algorithms for computing the shear contribution of FRP are not yet clear. The objective of this study is to clarify the role of glass fiber reinforced polymer inclined strips epoxy bonded to the beam web for shear strengthening of reinforced concrete beams. Included in the study are effectiveness in terms of width and spacing of inclined GFRP strips, spacing of internal steel stirrups, and longitudinal steel rebar section on shear capacity of the RC beam. The study also aims to understand the shear contribution of concrete, shear strength due to steel bars and steel stirrups and the additional shear capacity due to glass fiber reinforced polymer strips in a RC beam. And also to study the failure modes, shear strengthening effect on ultimate force and load deflection behaviour of RC beams bonded externally with GFRP inclined strips on the shear region of the beam.     

FRP约束混凝土压弯构件力学性能的理论分析

利用FRP约束混凝土的应力 -应变关系模型 ,采用数值方法 ,对FRP约束混凝土压弯构件的荷载 -变形关系进行了全过程分析 ,据此考察了FRP极限强度、混凝土强度、含FRP率和长细比等参数对该类构件力学性能及承载力的影响 ,可供有关工程实践参考     

FRP约束混凝土圆柱有软化段时的应力-应变关系研究

试验研究了不同数量、不同类型(高强度、高弹模、高延性)FRP约束混凝土圆柱的应力-应变关系,发现其应力-应变关系曲线可能有软化段也可能没有软化段。指出FRP约束混凝土圆柱的轴向最大应力主要与侧向约束强度或侧向约束刚度有关,而轴向极限应变除了与该两个参数有关外,还与FRP的轴向极限拉应变有关。基于试验及搜集到的数据,提出判断FRP约束混凝土圆柱有无软化段的侧向约束强度与混凝土强度比界限值。基于对FRP侧向约束刚度和强度、FRP轴向极限拉应变、混凝土强度及弹性模量等参数的分析,提出了FRP约束混凝土圆柱有软化段时的峰值应力、峰值应变、极限应力及极限应变计算公式。最后,建议了两个确定FRP约束混凝土圆柱有软化段时的应力-应变关系模型。与大量试验数据的比较表明,本文建议的公式和模型与试验结果均符合较好。     

纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土矩形柱应力-应变关系的研究

在国内外试验研究基础上,分析了纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土矩形柱的特点,指出FRP约束后混凝土矩形柱的应力-应变关系曲线可能有软化段或硬化段。指出FRP约束混凝土矩形柱的转折点应力和应变主要与FRP侧向约束刚度和混凝土弹性模量比值有关,并提出相应的计算公式。指出FRP约束混凝土矩形柱的极限应力和应变主要与FRP侧向约束强度、FRP类型、矩形截面的转角、混凝土强度等参数有关,提出极限应力和极限应变可在等价FRP约束以矩形截面较大边为直径的等价圆柱体极限应力和应变基础上乘以相应的折减系数得到,该计算方法简单且较全面地考虑了各影响参数。最后,提出三个确定FRP约束混凝土矩形柱的应力-应变关系模型,各模型在一定的条件下均与试验结果符合较好。     

体外预应力混凝土简支梁的效率配筋设计

通过对体外预应力混凝土简支梁中受拉区普通钢筋对结构工作性能的影响分析,明确了在体外索结构中普通钢筋的作用和截面的破坏机理,从充分利用材料强度及提供足够的截面延性出发,提出效率配筋的概念。根据截面的变形关系,推导出效率配筋下索极限应力增量和截面极限强度的计算公式。通过对截面变形参数沿梁长变化的分析,找出了其变化规律,确定了沿梁长方向的截面变形,从而求得锚固和转向点的位移并求出体外索的应力。在此基础上,通过简单的迭代计算,给出了不同转向方式和加载形式下效率配筋的计算方法。