新安全储备条件下的碳纤维板张拉控制应力分析

王　杰

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆　400074)



新安全储备条件下的碳纤维板张拉控制应力分析

王杰

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

基于叶列平、冯鹏等人提出的等效安全储备系数条件，对三片碳纤维板加固T梁进行试验比较研究，试验结果表明碳板预应力水平合理，验证了等效安全储备系数适用于碳纤维构件。

FRP筋，安全储备系数，预应力，碳纤维构件

1　叶列平、冯鹏等人提出的安全储备指标

1.1安全储备指标的说明

安全储备是指结构或者构件在遇到意外情况时极限破坏状态与设计目标状态的比值。目前工程结构中主要采用两种安全储备系数，一种是承载力安全储备系数，即：

Du=Mu/Mk

(1)

其中，Mu为梁的最大受弯承载力；Mk为设计弯矩值。显然，此安全储备系数反映的只是承载力安全储备程度，不能反映结构变形能力。第二种储备系数为延性指标系数，反映结构的变形能力，即:

C=Gu/Gk

(2)

其中，Gu为梁破坏时的最大曲率；Gk为设计目标状态对应下的曲率。为了更能直观的反映两种安全储备的联系与区别，以图1为例加以说明。

由图1中可以清晰的看出，极限变形状态与承载力极限状态并不是同一极限状态点。然而结构构件的安全储备往往同时包含承载力和变形能力安全储备。因此无法用这两种安全储备系数简单的来评价结构性能。对于经常超载的桥梁结构中，采用承载力安全储备系数Du更为适合，而对于地震多发地带采用变形能力储备系数C更为合理，因为结构延性对缓解冲击作用更有意义。不过，虽然延性指标很有意义，但同时保证足够的承载力安全储备也是必不可少的。

1.2等效承载力安全储备系数

由于安全储备系数Du和C不能全面的反映结构或构件在承载力和变形能力两个方面的安全储备程度，因此，叶列平、冯鹏等人提出了等效安全储备系数Neq。

Neq=S/C

(3)

其中，S为变形能力安全储备系数,S=Eu/Ek,Eu为构件破坏时的最大变形能力，即图2中OABC下的面积，Ek为构件设计目标状态下的变形能力，即图2中OA曲线下的面积。

图2为不同弹塑性受力性能的弯矩—曲率关系曲线，其中A点为屈服点，B点为设计目标点，E点为破坏极限状态点，A点相对于B点的承载力储备系数为b，AE段斜率与OA段斜率之比为k，由式(3)定义可得OBAE弹塑性结构或构件的等效承载力安全储备系数为:

(4)

而在通常情况下，b>1,称b为基本承载力安全储备系数。我国工程结构设计中b一般取1.25。根据等效安全储备系数的定义，在此系数下既考虑了承载力安全储备也考虑了变形能力安全储备，同时此系数使工程结构安全储备概念清晰，物理概念明确。

2　新的延性指标的应用

2.1延性指标的引用

根据我国GB 50009—2001建筑结构荷载规范分析可得，我国目前现行的结构设计标准中，结构的基本承载力安全储备系数Du约为1.4，等效安全储备系数Neq在1.74～2.08之间，因此叶列平，冯鹏提出的等效承载力安全储备系数Du≥1.5，Neq≥ 2.1，是符合工程实际需要的。下面以Du≥1.5，Neq≥2.1为统一安全储备要求，分析实验中的三片梁构件。

2.2实验设计

2.2.1试件设计

为了研究预应力加固T梁的延性，试验对三片T梁进行了试验研究，其中2片为新构件，1片为旧构件。新构件为T梁构件，全长6 200 mm，净跨为5 800 mm，纯弯段为1 200 mm,截面尺寸为b×h=200 mm×500 mm，bf×hf=600 mm×100 mm,底筋配置3B20，顶部配置6B12架立钢筋，纯弯段箍筋采用B8@200，其余为B8@100，旧构件尺寸和配筋与新构件完全相同。

3根试件分别为1根新的对比T梁构件(编号为BX0)和2根单层铰式加固T梁，对其中的新构件进行单层2 mm×50 mm(厚×宽)预应力碳纤维板加固，初始张拉应力为2 000 MPa左右(编号为BX2)；另外一根旧构件进行单层3 mm×50 mm(厚×宽)预应力碳纤维板加固，初始张拉应力为1 400 MPa左右(编号为BJ3)。

2.2.2试验材料

本试验混凝土采用C30，实测其抗压强度平均值为43.4 MPa，下部受拉钢筋采用HRB335热轧钢筋，实测其屈服强度499.2 MPa，极限强度平均值为601.4 MPa。加固采用2 mm×50 mm及3 mm×50 mm的CFRP板，其材料性能如表1所示。

2.2.3试验测量方案

表1　材料性能参数表

为了测量试验过程中钢筋应变的变化，在底部边上两根纵向受拉钢筋上各粘贴11个5 mm×2 mm规格的电阻应变片，为了测量混凝土应变的变化，在T梁跨中顶板上均匀的粘贴了5个100 mm×3 mm规格的电阻应变片，两根构件的钢筋应变片之间的间距为50 cm，共粘贴11片应变片。对比构件BX0，除了没有CFRP板应变片，其他应变片布置与BXD2和BJD3以及混凝土应变片的布置是完全相同的(如图3所示)。另外，在梁跨中底部布置了位移计以测量梁的跨中变形，张拉端布置了压力传感器以测量张拉过程中预拉力的大小，张拉采用手动千斤顶，试验数据通过静态电阻应变仪进行采集。

构件试验加载装置见图4。

2.3试验方案

试验过程及加载方案。该试验先张拉碳板，每20 kN作为一级进行张拉，最后张拉到200 kN锁紧螺丝。张拉完后进行碳板顶升。本试验采用2点加载的试验方案，通过分配梁来实现。BX0构件采用液压千斤顶加载，BX2和BJ3构件采用手动千斤顶加载(如图4所示)。

2.4试验结果

本试验的主要试验结果见表2。

表2　试验主要结果

2.5试验结果分析

构件BX0与BX2屈服点、极限点分别对应的荷载和挠度值如表3所示，则其设计目标点D则通过基本安全储备指标Nu=1.5反算确定，得到的设计点见表3。再按式(4)，由极限点计算得到等效承载力安全储备指标Neq也列于表3中。可以看到两个构件都能满足Neq≥2.1。

表3　屈服点反算设计点计算结果

BJ3构件抗力曲线没有显著的屈服点，则根据挠度变形控制条件计算设计D所对应的荷载Fd和Dd。一般建筑结构中梁的挠度控制限值为1/250～1/300，构件BJ3以挠度值1/300作为控制条件。由表3中构件BJ3的极限点对应的荷载值和挠度值及构件的抗力曲线，计算得等效承载能力安全储备指标Neq=2.14≥2.1。

通过以上的计算分析知三片梁都满足Nu≥1.5且Neq≥2.1，说明构件BX2及BJ3的碳板预应力水平的取值是合理的，即能在满足构件延性要求的基础上，最大限度的提高构件的正常使用荷载。也再一次证明冯鹏、叶列平等人提出的基本承载能力安全储备指标Nu≥1.5及Neq≥2.1是合理的。

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Analysis on carbon fiber tension control stress under new safety storage condition

Wang Jie

(CollegeofCivilBuilding,ChongqingUniversityofTraffic,Chongqing400074,China)

Based on equivalent safety storage coefficients conditions proposed by Ye Lieping and Feng Peng, the paper carries out comparative research for three carbon fiber board reinforcing T-beam. The experimental results show that: the carbon fiber board prestress level is rational, which proves that: equivalent safety storage coefficient is suitable for carbon fiber components.

FRP tendon, safety storage coefficient, prestress, carbon fiber component

1009-6825(2016)19-0029-02

2016-04-27

王杰(1989- ),男，在读硕士

TU311

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