预应力碳纤维板加固钢⁃混凝土组合连续梁负弯矩区试验

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180432

摘要/Abstract

摘要：

为了研究预应力碳纤维板加固钢?混凝土组合连续梁负弯矩区的受力性能，设计了3根6.2 m箱形组合截面的两跨连续梁试件，包括2根加固梁和1根对比梁。碳纤维板布置在负弯矩区混凝土板顶面，通过新型装配式预应力锚固系统进行后张有粘结加固，2根加固梁的预应力水平分别为20%和35%。结果表明：采用预应力碳纤维板加固钢?混凝土组合连续梁的负弯矩区，中支点截面的抗弯极限承载力分别提高了19.4%和28.5%，且抗裂性大幅增强；碳纤维板加固可限制裂缝的形成、发展，减小使用阶段的挠度和裂缝宽度，同时提高极限状态下的变形能力；截面应变符合平截面假定。最后,提出了连续组合梁中支点截面抗弯极限承载力的计算方法。

关键词: 桥梁工程, 受弯性能, 预应力碳纤维板, 组合结构, 负弯矩区, 抗裂性, 二次受力

Abstract:

To investigate the flexural behavior of continuous steel-concrete composite beams strengthened with prestressed carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) plates in negative moment region, three 6.2 m two-span continuous beams were tested to failure. The specimens included two strengthened beams and one unstrengthened control beam, which had steel box-concrete composite section. The CFRP plates were prestressed to 20% and 35% of the tensile strength respectively by an innovative fabricated anchorage system and installed over the top surface of the concrete slabs. Experimental results show that the ultimate flexural capacity of the central support sections increased 19.4% and 28.5% respectively by the use of prestressed CFRP plates. The crack resistance in the negative moment region was enhanced significantly. The strengthening contributes to the decrease of the mid-span deflection and crack width under service condition, while improving the ultimate deformation at failure stage. The strain distribution along the cross-section conforms to plane-section assumption. The calculation method of the ultimate flexural capacity for central support section is proposed. Good agreement between experimental and theoretical results is achieved.

Key words: bridge engineering, flexural behavior, prestressed carbon fiber?reinforced polymer(CFRP) plate, composite structure, negative moment region, crack resistance, secondary load

中图分类号:

U445.7

万世成,黄侨,关健,郭赵元. 预应力碳纤维板加固钢⁃混凝土组合连续梁负弯矩区试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1114-1123.

Shi⁃cheng WAN,Qiao HUANG,Jian GUAN,Zhao⁃yuan GUO. Strengthening of continuous steel⁃concrete composite beams in negative moment region using prestressed carbon fiber⁃reinforced polymer plates[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2019, 49(4): 1114-1123.

图/表 19

图1

表1

图2

图3

表2

图4

图5

图6

图7

表3

表4

图8

图9

表5

图10

图11

图12

表6

抗弯极限承载力计算参数取值"

参数	取值	参数	取值
$ε f$ /10^-6	6454	$b s l$ /mm	200
$A p f$ /mm²	150	$t'$ , $t w$ , $t$ /mm	10
$f s k$ /MPa	351	$h d$ /mm	100
$A s$ /mm²	502.65	$h s$ /mm	180
$f k$ , $f' k$ /MPa	283	$h$ /mm	280
$b s u$ /mm	80	$a f$ /mm	3.5

表6

表7

参考文献 18

1	黄侨 . 桥梁钢⁃混凝土组合结构设计原理［M］. 2版. 北京:人民交通出版社, 2017.
2	戴昌源，苏庆田 . 钢⁃混凝土组合桥面板负弯矩区裂缝宽度计算［J］. 同济大学学报:自然科学版, 2017, 45(6):806⁃813.
	Dai Chang⁃yuan , Su Qing⁃tian . Crack width calculation of steel⁃concrete composite bridge deck in negative moment region[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2017, 45(6): 806⁃813.
3	尚守平，李知兵，彭晖 . 碳纤维板⁃混凝土界面黏结性能的试验研究与有限元分析［J］. 湖南大学学报:自然科学版, 2014, 41(6):43⁃51.
	Shang Shou⁃ping , Li Zhi⁃bing , Peng Hui . Experimental research and finite element analysis of the interfacial bonding behavior of CFRP⁃concrete interface[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2014, 41(6): 43⁃51.
4	El⁃Sayed A K , Al⁃Zaid R A , Al⁃Negheimish A I , et al . Long⁃term behavior of wide shallow RC beams strengthened with externally bonded CFRP plates[J]. Construction and Building Materials, 2014, 51: 473⁃483.
5	Al⁃Saidy A H , Klaiber F W , Wipf T J . Strengthening of steel⁃concrete composite girders using carbon fiber reinforced polymer plates[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(2): 295⁃302.
6	El⁃Hacha R , Aly M Y E . Anchorage system to prestress FRP laminates for flexural strengthening of steel⁃concrete composite girders[J]. Journal of Composites for Construction, 2013, 17(3): 324⁃335.
7	Karam E C , Hawileh R A , El M T , et al . Experimental investigations of repair of pre⁃damaged steel⁃concrete composite beams using CFRP laminates and mechanical anchors[J]. Thin⁃Walled Structures, 2017, 112: 107⁃117.
8	Ayyub B M , Sohn Y G , Saadatmanesh H . Prestressed composite girders. I: experimental study for negative moment[J]. Journal of Structural Engineering, 1992, 118(10): 2743⁃2762.
9	宗周红，郑则群，房贞政，等 . 体外预应力钢⁃混凝土组合连续梁试验研究［J］. 中国公路学报, 2002, 15(1): 44⁃49.
	Zong Zhou⁃hong , Zheng Ze⁃qun , Fang Zhen⁃zheng , et al . Experimental study of external prestressed steel⁃concrete composite continuous beams[J]. China Journal of Highway and Transport, 2002, 15(1): 44⁃49.
10	聂建国，陶慕轩 . 体外预应力钢⁃混凝土组合梁受力性能的研究现状与展望［J］. 工程力学, 2011, 28(增刊2):129⁃141,156.
	Nie Jian⁃guo , Tao Mu⁃xuan . Research status and perspective on externally prestressed steel⁃concrete composite beams[J]. Engineering Mechanics, 2011,28(Sup.2):129⁃ 141,156.
11	Correia L , Teixeira T , Michels J , et al . Flexural behaviour of RC slabs strengthened with prestressed CFRP strips using different anchorage systems[J]. Composites Part B: Engineering, 2015, 81: 158⁃170.
12	Ghafoori E , M. Normal Motavalli , high and ultra⁃high modulus carbon fiber⁃reinforced polymer laminates for bonded and un⁃bonded strengthening of steel beams [J]. Materials & Design, 2015, 67: 232⁃243.
13	Akbarzadeh H , Maghsoudi A A . Experimental and analytical investigation of reinforced high strength concrete continuous beams strengthened with fiber reinforced polymer[J]. Materials & Design, 2010, 31(3): 1130⁃1147.
14	卜良桃，肖喜平 . 预应力碳纤维板加固RC梁二次受力抗弯性能研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2017, 14(1):126⁃134.
	Bu Liang⁃tao , Xiao Xi⁃ping . Study on the flexural behavior of RC beams strengthened with prestressed CFRP under secondary load[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(1): 126⁃134.
15	GB 50917-2013 钢⁃混凝土组合桥梁设计规范［S］.
16	JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
17	余志武，周凌宇，罗小勇 . 钢⁃部分预应力混凝土连续组合梁内力重分布研究[J]. 建筑结构学报, 2002, 23(6):64⁃69.
	Yu Zhi⁃wu , Zhou Ling⁃yu , Luo Xiao⁃yong . Study on moment redistribution of Steel⁃partially prestressed concrete composite continuous beams[J]. Journal of Building Structures, 2002, 23(6): 64⁃69.
18	黄侨，万世成，侯旭 . 桥梁预应力碳纤维板加固中的参数取值及损失计算方法研究［J］. 公路交通科技, 2016, 33(9):52⁃57, 83.
	Huang Qiao , Wan Shi⁃cheng , Hou Xu . Study on parameter determination and calculation method of prestress loss of prestressed CFRP plates in bridge reinforcement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2016, 33(9): 52⁃57, 83.

相关文章 15

[1]	李万恒,申林,王少鹏,赵尚传. 基于多阶段分区域动力测试的桥梁结构损伤评估[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(3): 773-780.
[2]	惠迎新,毛明杰,刘海峰,张尚荣. 跨断层桥梁结构地震响应影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1725-1734.
[3]	郑一峰, 赵群, 暴伟, 李壮, 于笑非. 大跨径刚构连续梁桥悬臂施工阶段抗风性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(2): 466-472.
[4]	宫亚峰, 何钰龙, 谭国金, 申杨凡. 三跨独柱连续曲线梁桥抗倾覆稳定性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 133-140.
[5]	魏志刚, 刘寒冰, 时成林, 宫亚峰. 考虑桥面铺装作用的简支梁桥横向分布系数计算[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 105-112.
[6]	魏志刚, 时成林, 刘寒冰, 张云龙. 车辆作用下钢-混凝土组合简支梁动力特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1744-1752.
[7]	张云龙, 刘占莹, 吴春利, 王静. 钢-混凝土组合梁静动力响应[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 789-795.
[8]	刘寒冰, 时成林, 谭国金. 考虑剪切滑移效应的叠合梁有限元解[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 792-797.
[9]	谭国金, 刘子煜, 魏海斌, 王龙林. 偏心直线预应力筋简支梁自振频率计算方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 798-803.
[10]	曹珊珊, 雷俊卿. 考虑区间不确定性的钢结构疲劳寿命分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 804-810.
[11]	肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665-670.
[12]	焦常科, 李爱群, 伍小平. 大跨双层斜拉桥多点激励地震响应[J]. , 2012, 42(04): 910-917.
[13]	刘寒冰, 郑继光, 邹品德. 叠合式钢筋混凝土圆截面短柱偏心受压承载力计算[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 159-163.
[14]	宫亚峰, 程永春, 焦峪波. 基于静力应变及遗传优化神经网络的城市立交桥梁损伤识别[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 164-169.
[15]	谭国金, 王龙林, 程永春. 基于灰色系统理论的寒冷地区斜拉桥索力状态预测方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 170-173.

Metrics

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed

试件编号	加固方式	碳纤维板规格		实测初始裂缝/mm	预应力水平/%	张拉力/kN	有效预应力/MPa	锚固方式
试件编号	加固方式	宽度/mm	厚度/mm	实测初始裂缝/mm	预应力水平/%	张拉力/kN	有效预应力/MPa	锚固方式
USC?1	不加固	-	-	-	-	-	-	-
RSC?1	预应力加固	50	3	0.20	20	72	502	端部锚具+树脂粘结
RSC?2	预应力加固	50	3	0.21	35	126	864	端部锚具+树脂粘结

试验材料	型号	屈服/抗压/抗拉强度/MPa	弹性模量 /MPa
钢梁	Q235	283	2.05×10⁵
混凝土板	C40	51.2	3.28×10⁴
向钢筋	HPB300	351	2.11×10⁵
碳纤维板	WSB?TB	2450	1.62×10⁵
环氧结构胶	WSB?QT	40.3	2.60×10³

试件编号	碳纤维板初始应变/με	屈服荷载/kN		极限荷载 /kN	最大裂缝宽度/mm	最大跨中挠度/mm	碳纤维板应变增量/με	碳纤维板应变总量/με
试件编号	碳纤维板初始应变/με	跨中截面	中支点截面	极限荷载 /kN	最大裂缝宽度/mm	最大跨中挠度/mm	碳纤维板应变增量/με	碳纤维板应变总量/με
USC?1	-	303.6	351.3	480.8	3.01	22.98	-	-
RSC?1	3101	326.6	428.1	523.2	1.75	20.06	3353	6454
RSC?2	5336	351.3	434.1	560.0	0.92	27.40	3829	9165

试件编号	极限状态支座反力/kN		抗弯极限承载力/(kN·m)		承载力提高系数/%		弯矩调幅系数/%
试件编号	中支座	边支座	中支点截面	跨中截面	中支点截面	跨中截面	中支点截面	跨中截面
USC?1	586.0	187.8	157.8	281.7	—	—	41.7	-25.0
RSC?1	648.8	198.8	188.4	298.2	19.4	5.9	36.0	-21.6
RSC?2	695.2	212.4	202.8	318.6	28.5	13.1	35.6	-21.4

试件编号	抗弯极限承载力/（kN·m）		理论值/试验值
试件编号	理论值	试验值	理论值/试验值
USC?1	147.4	157.8	0.934
RSC?1	175.7	188.4	0.933
RSC?2	187.0	202.8	0.922