玻璃钢加固对提高偏心受压柱抗压强度的试验研究.pdf

玻璃钢加固对提高偏心受压柱 抗压强度的试验研究 牛春雷 核工业第二研究设计院 北京 100840 朱伯龙 同济大学 上海 200092 摘 要 玻璃钢是一种新兴的建筑材料。主要通过试验的方式, 探讨了玻璃钢作为结构加固材料, 对提 高偏心受压柱抗压强度的作用。试验分为大、 小偏压两种情况, 分别由用 2、 3、 4、 5 层玻璃钢加固的试验柱和 未加固的对比柱组成, 逐根进行单调加载试验。通过对试验结果的分析, 为今后实际工程中偏压柱的玻璃钢 加固提供了试验和理论依据。 关键词 玻璃钢 加固 偏压柱 强度 EXPERIMENT RESEARCH ON IMPROVING COMPRESSIVE STRENGTH OF ECCENTRICALLY LOADED COLUMNS STRENGTHENED BY FIBER REINFORCED PLASTIC Niu Chunlei Beijing Institute of Nuclear Engineering Beijing 100840 Zhu Bolong Tongji University Shanghai 200092 Abstract This experimental research concentrates on the effects of fiber reinforced plastic FRP as a new material to implement structural reinforcement in improving the strength of eccentrically loaded columns. Two cases of large and small eccentricity are considered. Simply -loading test is conductedon the testing columnsof each case,which includes the columns reinforced by 2, 3, 4, and 5 layers of FRP and the column without reinforcement.The analysis of testing results provides a testing and theoretical basis for actual usage of FRP reinforcement. Keywords fiber reinforced plasticFRP strengthen eccentrically loaded column strength 第一作者 牛春雷 男 1971年 2 月出生 工程师 收稿日期 2004- 03- 10 1 试验简介 111 试件制作 试件的分类及加固情况如表 1所列。 表 1 试件分类及加固情况 项 目大偏压小偏压 玻璃钢 层数 n 0234502345 玻璃钢 厚度 P mm 001433 01627 019 1 131000143301627 0 19 11310 注 截面 150mm 150mm, 长 1200mm, 纵筋4 - 14, 箍筋6 100。 采用 C30 混凝土, 级配为水泥B砂B石子B水 1B1115B2155B0144。经 标准立方体抗压试验, 混凝土的平均立方强度为3316MPa。 112 玻璃钢 作为一种工程材料, 玻璃钢具有轻质、 高强、 比强度高、 性能可调、 耐腐蚀、 抗渗性好、 施工方便等一系列特性, 作为 混凝土结构的表面补强材料是十分适宜的。试验中采用的 玻璃钢是以 307不饱和聚脂树脂为基体, 011mm 厚 1B1 高强 玻璃布作为增强材料手工糊制而成, 树脂含量为 45 左右。 它是一种各向异性材料, 应力应变关系上无明显屈服点, 材 料呈脆性破坏, 弹性模量低于混凝土, 但它的泊松比较低, 有 助于形成对混凝土的有效约束作用。 113 加固施工 在加固前, 首先要将柱子表面的尘土清扫干净, 表面打 磨平整, 并用丙酮除去柱子表面的油脂。将调好的树脂用刷 子均匀地涂刷于柱表面。第一层一定要坐浆饱满, 然后将玻 璃纤维布裹于表面。一定要将布用力拉紧, 用手工赶平, 压 实。每层之间也要刷树脂一遍, 并将接头处错开。当达到规 定层数后, 表面仍须刷树脂一道。待树脂固结后即可。 114 试验装置 试验装置如图 1 所示。 115 试验数据的选择和读取 1整体挠度测量 在两个支座处和构件中点处 3 点设置 位移计。 2 局部变形测量 a. 沿构件中点截面高度布置 5 个应变测量点, 应用千分 表作为测量仪器, 以确定沿截面高度的应变分布规律和中和 轴的位置。 b. 在构件中间最危险截面处, 沿横向在柱子四面粘贴 5cm 长的纸基应变片, 以跟踪玻璃钢的应变发展规律, 确定 95 Industrial Construction Vol134, No19, 2004工业建筑 2004 年第 34 卷第 9期 1- 位移计; 2- 双层 V 形十字刀口; 3- 试验柱; 4- 千分表; 5- 反力架; 6- 纸基应变片; 7- 千斤顶 图 1 试验装置 其对混凝土的约束作用乃至对偏压柱抗压强度的贡献。 116 试验过程 1大偏压试件 偏心距 e 125mm, 取计算所得荷载值的 20 进行预加载, 反复 3 次, 待试验构件进入正常工作状态, 并检查到设备和仪表均能正常工作后, 即开始正常加载。加 载等级从计算荷载的 15 开始, 当达到计算承载力的 85 以后, 改为计算荷载的 5 左右。未加固的试件呈现出完全 与梁相似的破坏特征。加固后的偏压柱因表面包有玻璃钢, 无法观察到柱子表面的裂缝开展情况。破坏时受拉面的玻 璃钢横向拉裂。剥开玻璃钢可以看到, 受拉区混凝土开裂, 受压区混凝土被压碎。 2小偏压试件 偏心距 e 30mm, 遵循与大偏压柱相同 的加载程序。未加固的构件呈现非常明显的脆性破坏特征。 没有明显的裂缝出现和开展过程, 受压区混凝土即压碎崩 出, 受压主筋屈曲。加固后的偏压柱在极限荷载处, 变形仍 然增长较快, 首先偏心受力一侧的玻璃钢在柱子的角区被纵 向撑裂, 从裂口可以看到混凝土被压碎, 钢筋屈曲。紧接着 受拉面的玻璃钢被横向拉裂。玻璃钢加固未能改变小偏压 柱的脆性破坏特征。 2 试验结果及其分析 211 玻璃钢约束偏压柱的受力特征 对于小偏压柱, 试验结果表明, 由于玻璃钢的约束作用, 混凝土的极限应变增大了, 保护层和核心混凝土的抗压能力 均得到改善。同时, 偏压柱的刚度也得到了提高, 且随着层 数的增加而增大。玻璃钢加固没有改变偏心受压短柱的脆 性破坏特征。 对于大偏压柱, 试验结果表明, 玻璃钢加固没有有效增 加大偏压柱的抗压强度, 却有效地增强了其塑性变形能力。 当达到极限荷载时, 破坏集中于临界截面处一个很小的区域 内, 形成了较为理想的塑性铰。 212 作用规律 以下图形及分析从各个角度说明了玻璃钢加固对提高 偏压柱的强度及刚度的作用规律。 1 图 2 表示在极限荷载下, 在中间截面处, 受压边缘混 凝土与玻璃钢的纵向共同应变与玻璃钢层数的关系。玻璃 钢和混凝土因树脂的粘结而共同作用。结果表示, 应变随着 层数的增加而提高。 图 2 中间截面受压边 FRP 的纵向极限应变与层数的关系 2图 3 表示在极限荷载下, 在中间截面处, 受压面玻璃 钢的横向应变与玻璃钢层数的关系。该应变表示玻璃钢对 核心混凝上约束作用的大小。结果表明, 该约束作用随玻璃 钢层数的增加而增大, 且对小偏压柱的约束效果较为明显。 图 3 中间截面受压边 FRP 的横向极限应变与层数的关系 3通过研究玻璃钢加固的偏压柱的中间截面应变发展 规律可以看出, 平截面假定仍然是成立的。 4图 4 表示大偏压柱在弹性阶段 荷载为 6916kN 及极 限荷载点的挠度曲线 n 为玻璃钢层数 ; 图 5 表示小偏压柱 在弹性阶段荷载为 348kN 及极限荷载点处的挠度曲线 n 为玻璃钢层数 。挠度曲线可近似为 y asinPxPl 。从结 果可以看出 在弹性阶段, 玻璃钢加固可以提高柱子的刚度 是一个普遍规律, 且随着层数的增加而提高, 但随着荷载的 增加而减弱。在极限荷载作用下, 玻璃钢加固后的偏压柱的 极限变形却增大了, 其变形能力得到增强。 图 4 大偏压柱的挠度曲线 5 图6 及图 7分别表示大、 小偏压柱的荷载- 挠度 P- f 曲线 n 为玻璃钢层数 。 3 强度的理论计算 311 基本的分析和假定 除以下特别强调外, 其余同普通混凝土偏压柱的分析 96 工业建筑 2004 年第 34 卷第 9期 图 5 小偏压柱的挠度曲线 图 6 大偏压柱的 P- f 曲线 图 7 小偏压柱的 P- f 曲线 假定 1玻璃钢和混凝土在达到极限荷载之前, 变形是协调一 致的; 2平截面假定仍然成立。 312 玻璃钢的拉伸和压缩性能 双向玻璃钢沿径向或纬向的应力- 应变关系可近似为 一直线, 其极限拉应变可取 0102。其弹性模量由玻璃纤维和 树脂的模量共同决定。因玻璃钢的模量远大于树脂的模量, 在工程容许的误差范围内, 可将树脂的模量忽略, 如图 8 所 示, 有 EL ET Ef D 图 8 双向玻璃钢示意 式中, Ef为玻璃纤维的弹性模量, 取 7 104MPa; D 为玻璃钢 中径向或纬向玻璃纤维的截面积含量, 可取为 0119。 则可得 EL ET 113 104MPa; 玻璃钢的受压弹性模量也可取为 113 104MPa。 313 大偏压柱的强度计算 试验结果表明, 对于大偏压柱, 玻璃钢对混凝土的约束 作用可以不计, 计算中仅考虑玻璃钢本身的强度。在极限状 态下, 受拉边的钢筋屈服, 玻璃钢拉裂, 受压混凝土也达到了 极限压应变010033, 如图 9 及图 10。 图 9 大偏压柱应力计算图形 图10 正截面应变分布 N A1f cbx R cLAc- RLA M Ne A1f cbx h0- xP 2 f cyAcS h0- acs R cLAch0 RLAas x 018xu 同时 1125x h- 1125x E c L EL 01003 3 EL 即 EL 01003 3 h- 1 125x 1125x 式中, RL、 R cL分别为径向受拉、 受压玻璃钢的应力; EL、 E cL为 其应变; A 、 AcL分别为径向受拉 及受压玻璃钢的截面积; 大、 小偏压柱计算公式中未特别说明的符号均按规范定义。 在上式中, R cLAc- RLA 可忽略不计。 则可推得如下计算方程组 N A1fcbx M Ne A1fcbx h0- xP2 f cyAcS h0- acs 01003 3ELAh0 ELELAas EL 010033 h- 1125x 1125x 表 2 为理论计算结果与实际试验结果之间的比较。 314 小偏压柱的强度计算 对于小偏压柱, 不能忽略玻璃钢对核心混凝土的约束作 用。以下分析中, 将混凝土的强度表示为 A1fc B RL B为核 心混凝土的强度提高系数, RL为核心混凝土受到的侧向压 应力, 据静力平衡条件, 如图 11有 97 玻璃钢加固对提高偏心受压柱抗压强度的试验研究 牛春雷, 等 表 2 理论计算与试验结果之间的比较 玻璃钢 层数 厚度 P mm 截面积 P mm 计算值 NP kN 试验值 NPkN 误差 P 00 0 134187153 1121315 20143364195138135153 1121017 30162794105139184153 112915 401900135100141191146 116310 511310196150145101160 1081014 图 11 小偏压柱应力计算图形 N A1fc B R1 bx f c yAcS R cLAc- RLA - RSAS M Ne A1fc B R1 bx h0- xP 2 f cyAcS h0- aS R cLAch0 RLAaS 因上式存在多个未知数, 尚须确定以下关系 1如图 12, 据静力平衡条件 2RTt R1b 图 12 小偏压柱截面应力平衡关系 即 RL 2t b RT RT为玻璃钢的纬向受拉应力, ET为其应变, t 为玻璃钢厚度 2 RT ETET; RL ELEL; R cL EcLE cL 3 由变形协调条件有 ETPEL K 混凝土的泊松比 4 按平衡面假定同大偏压 , 有 EL 010033 h- 1125x 1125x 此时, 只有混凝土承压应力的提高系数 B 尚未确定, 对试验 数据进行回归处理, 可以确定, 当 e0Ph 012 时, B 8; 在轴 心受压下, 即当 e0Ph 0时, A 30 见文献[1] ; 在大偏压状 态下, 不考虑核心混凝土的承压提高系数, 即近似可取 当 e0Ph\013时, B 0。其余情况可近似按照线性内插确定。 必须说明的是, 以上给出的计算只适用与长细比为 8 的情 况。关于长细比的影响, 见文献[ 1] 。 4 结论与建议 1 玻璃钢加固可优先使用于潮湿性腐蚀性的环境中, 但 价格相对较贵。 2 对于大偏压柱, 玻璃钢加固对其强度的提高作用不明 显, 但可提高其延性。对于小偏压柱, 玻璃钢加固对于承载 力的贡献较明显, 可按照本文给出的公式进行估算。 3玻璃钢的层数以 3 5 层为宜, 不宜过少或过多。过 少则无法对混凝土形成有效的约束作用; 若过多会因玻璃钢 的极限变形远大于混凝土, 在玻璃钢达到极限变形之前, 混 凝土已经过早地被压碎屈服了。 参考文献 1 伍 庶. FRP 加固钢筋混凝土轴压柱及梁的正截面性能的试验研 究 [ 硕士学位论文] . 上海 同济大学,1996 2 GB 50010- 2002 混凝土结构设计规范 上接第 77 页 高精度, 其计算工作量仅为 O m , 求得拟局部最优解。为 了进一步提高方法的计算效率, 利用对称性及变量连接的措 施是很有效的。 2在两级截面优化方法中采用相对差商法, 它将各类约 束条件归并为统一约束指标 相对差商 Bi。因此, 此方 法可以处理强度、 位移、 稳定等各种类型的约束。 3两级截面优化方法物理概念明确、 搜索速度快、 精度 高, 属于有约束非线性优化问题的启发式算法, 适用于工程 应用。基于此, 编制了 SIOP 网壳结构截面优化设计程序, 解 决了与AlgorSuper SAP93 的接口问题。通过典型算例的验 证与比较, 得出此方法比满应力优化节省造价, 能够获得较 为满意的符合工程实际要求的最优解, 对一般规模的优化问 题具有较高的参考价值。 参考文献 1 张炳华, 侯 昶. 土建结构优化设计. 上海 同济大学出版社, 1998 2 孙焕纯, 柴 山, 王跃方. 用变量结构优化设计. 大连 大连理工大 学出版社, 1995 3 邓 华. 空间网格结构基于离散变量的优化设计. 空间结构, 2000, 6 3 26 32 4 王跃方, 孙焕纯. 多工况多约束下离散变量桁架结构的拓扑优化 设计. 力学学报, 1995, 273 365 369 5 龚景海, 刘锡良. 基于遗传算法的网格结构优化方法. 天津大学学 报, 1995,33 5 93 96 6 沈祖炎, 陈扬骥. 网架与网壳. 上海 同济大学出版社, 1997 7 邓 华, 董石麟. 空间网壳结构的形状优化. 浙江大学学报 工学 版 , 1999,33 4 371 375 8 尹德钰, 刘善维, 钱若军. 网壳结构设计. 北京 中国建筑工业出版 社, 1996 欢 迎 订 阅 5 钢 结 构 6 杂 志 98 工业建筑 2004 年第 34 卷第 9期