当前位置:首页 >> 建筑/土木 >>

FRP布钢与混凝土预应力组合梁受力分析


第28卷第5期
2007年5月

东北大学学报(

自然科学版)

V01.28.No.5

Journal of Northeastern University(Natural Science)

May

2 0 0 7

FR

P布钢与混凝土预应力

组合梁受力分析


莉1,王连广1,赵军2,吕

臻2

(1,东北大学资源与土木工程学院。辽宁沈阳110004;2.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168)



要:利用FI冲(纤维增强复合材料)耐腐蚀、轻质、高强等优点,在钢与混凝土预应力简支组合梁下表

面粘贴FRP布,形成能够有效减小变形和提高承载力的新型FRP布钢与混凝土预应力组合梁.以数值积分

方法为基础,考虑材料非线性,提出该组合梁由加载至破坏的全过程非线性分析模式,研制计算程序,得到荷 载与变形、荷载与预应力增量关系曲线,对其进行全过程非线性分析,明确组合梁不同受力阶段的工作特性,
并通过算例验证该分析模式的正确性. 关键词:FRP;组合梁;非线性分析;承载力;变形;预应力增量 中图分类号:TU 398 文献标识码:A 文章编号:1005.3026(2007)05—0737—04

Stress Analysis of Prestressed Steel-Concrete Composite Beams Reinforced with FRP Strips
LIU Lil,WANG Lian.guan91,ZHAO Jun2,LO Zhen2 (1.School of Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110004,China;2.School of
Civil

Engineering,ShenyangJianzhu

University,Shenyang 110168,China.Correspondent:LIU Li,E-maih celliu

@sjzu.edu.cn) Abstract:Taking advantage of FRP(fiber-reinforced polymer)that is anticorrosive,light and of high strength.the FI心strips were stuck on the flange bottom of H—beam of a simply—supported prestressed steel—concrete composite beam,thus enabling the composite beam to reduce effectively its deformation and improve its load.bearing capacity.Based on numericaI integration and taking account Of the beam’S nonlinear materials.the nonlinear analytic models are developed for the beam in the whole process from receiving load
to

failure.Then.the computation procedure is

programmed to obtain the relationship between load and deformation and that between load and prestressed increment.The whole process is thus analyzed nonlinearly to clarify the working characteristics of the composite beam in different stress/strain variation phases.An example is
given to verify the validity of the analytic models proposed. Key words:

FI心;

composite beam;

nonlinear

analysis;

bearing

capacity;deformation;

prestressed increment

FI世(纤维增强复合材料)是一种具有高强、 高效、轻质、耐腐、适用面广及便于施工等优点的 新型材料.近年来,国内外学者对采用FRP加固 混凝土结构和钢结构技术进行了大量研究,FRP 加固后混凝土结构的性能已经成为研究热点,在 众多成果中,对加固混凝土受弯构件的研究和应
收稿日期:2006—06—08

用较多【卜5|.本文提出将FRP布应用于钢与混凝

土预应力组合梁,该组合梁除具有普通预应力组 合梁的优越性外,在提高组合梁的承载能力、延迟 和阻止混凝土裂缝的产生与发展、减小组合梁变 形、减小组合梁截面尺寸、增加组合梁跨度及降低 结构自重等方面也将显示出极大优势.FRP布钢

基金项目:建设部科技攻关项目(2003—2—135);辽宁省教育厅科技攻关项目(05L352);沈阳建筑大学省级重点实验室开放基金 资助项目(JG.200614). 作者简介:刘莉(1971一),女。辽宁抚顺人,东北大学博士研究生,沈阳建筑大学副教授;王连广(1964一),男,辽宁鞍山人,东北 大学教授,博士生导师.

万方数据  

738

东北大学学报(自然科学版)

第28卷

与混凝土预应力组合梁的结构及受力情况比较复 杂,目前国内外对其仍缺少系统深入的研 究[6_7],为在理论上对该组合梁力学性能有更进 ~步认识,本文采用数值计算方法,考虑材料非线 性,提出FRP布钢与混凝土预应力组合梁由加载 至破坏的全过程非线性分析模式,并对其受力进 行全过程非线性分析. 1

2全过程非线性分析模型
2.1基本假定

针对FRP布钢与混凝土预应力组合梁的结 构复杂性,在计算过程中,作如下基本假定旧j: (1)组合梁截面变形符合平截面假定; (2)钢梁与混凝土板间有完全交互作用,不 考虑钢梁与混凝土板间的相对滑移;
(3)钢梁、预应力钢筋、混凝土板及FRP布

FRP布组合梁施工方法及材料本 构模型
FRP布组合梁施工方法

变形协调; (4)忽略混凝土收缩、徐变及钢梁中的残余 应力; (5)组合梁达到受弯承载力极限状态前, FRP布与钢梁之间粘结可靠,不发生粘结剥离破
坏.

1.1

首先调直钢梁,并在其上焊接剪力连接件,在 钢梁下翼缘处布置预应力钢筋并张拉至控制应 力,然后在钢梁上浇注混凝土,形成预应力组合 梁,再在预应力组合梁的钢梁下翼缘底面粘贴不 同量的FRP布,形成FRP布预应力简支组合梁.
在粘贴FRP布之前,首先将钢梁底面粘贴区域进

2.2组合梁截面划分 现将组合梁翼缘混凝土板及钢梁腹板分别划 分成有限条带[8]8,FI妒布、钢梁上、下翼缘按独 立部分处理,假定每一个条带应力均匀分布,并 且组合梁截面的平均应变沿截面高度呈线性分
布,觅图1.

行表面处理,以保证钢梁与FRP布间粘结可靠. 具体操作工艺采用湿粘法,即先在钢梁表面涂刷 树脂,粘贴纤维布后用滚筒滚压,使树脂浸润各层 纤维布,形成FRP布钢与混凝土预应力组合梁.
1.2材料本构模型

(1)FRP布的应力一应变关系 各种FRP材料尽管成型工艺不同,但其应力一 应变关系相同,受拉时呈线弹性上升直至脆断,即
O"F=EFe,0≤£≤E:Fu, 式中,E:Fu为FRP受拉极限应变;EF为FRP弹性 模量. (2)混凝土的应力一应变关系 混凝土的本构模型采用Hognestad模型,将 应力一应变曲线分成4段,即 口c=fct,et。≤£<£由;
U; 玎,=—等一fct,E≤e<0tO 2■■■。t,E蕊e<;
玎c

图1
Fig.1
Section of

组合梁截面和应变图

}建
&鼬&☆¨\ =

canposite beam and strain

diagram

设组合梁截面形心处应变为£。,则可以分别 求得混凝土翼缘板及钢梁腹板所划分条带的相应 应变值,即
ei=ee+zi垆j,

(1)

式中,£i,£。分别为第i单元、截面形心的应变;z。 为第i条带至组合梁截面形心的距离;仍为第歹 段截面的曲率. 根据混凝土及钢梁的应力一应变关系及平衡
条件可得: 、1、:]
i=1 i=1

O"c_0-85^[筹一㈡E:0‘],o≤£≤eo;
d。=0.85^[1—100(£一£o)],E:0<e≤£。. 式中,e。。,£to分别为混凝土受拉极限应变和受拉 弹性极限应变;e。,eo分别为混凝土受压极限应 变和峰值点应变;fe。为混凝土抗拉强度;fo为混 凝土抗压强度.
(3)钢材的应力一应变关系

N=2j仃ci△Aci—o-tAt一2J盯。i△Asi一
钆Ab+F—o'FAF, (2)

在计算中假定钢材是理想的弹塑性材料,并 考虑屈服后应变硬化,即
仃。=E。£,0≤£≤e曲;盯。=/-v, es0<e≤sh;口。=E se,£sh<£≤£∞.

M=∑盯。i△A铲。j一仃tA舷+∑%△A。热j+
i=l ,=l

arbAb‰一MF+crFAb

ZF.

(3)

式中,N为截面形心处的轴向力;F为预应力筋 张拉力值;MF为预应力筋张拉力产生的弯矩;

万方数据  

第5期



莉等:FRP布钢与混凝土预应力组合梁受力分析

739

△A。j,△A小A。,Ab,AF分别为混凝土单元、钢梁 腹板单元、钢梁上下翼缘、FRP布面积;盯由仃幽 盯。,盯b,盯F分别为混凝土单元、钢梁腹板单元、钢 梁上下翼缘、H心布应力;g。,‰,2咖z。i,zF分别 为钢梁上下翼缘、混凝土板、钢梁腹板第i条带、 FRP布至组合梁形心轴距离;Cn,Sn分别为混凝 土板、钢梁腹板划分单元数.
2.3计算方法
f/mm

本文在弯矩与曲率关系求解过程中,采用分 级加变形法,即先确定陆率9,计算中只需修改 e。,待内力平衡后,即可由式(3)得到曲率妒所对 应的弯矩M,重复以上步骤得到全部弯矩与曲率 关系.在求得构件各截面的曲率数值以后,利用积 分法可以求得构件任意点的变形.若将构件分成 优段,即构件有m+1个结点,即可由此算出任 意截面的转角和变形.在荷载与变形关系求解过 程中,同样采用分级加变形法,即先确定弯矩最大

图2组合梁荷载一变形关系曲线
Fig.2 Load-deformation relationship of composite beams

T/kN

截面处的曲率9。,从而确定跨中弯矩M。及荷 载P,由P求得各截面弯矩Mi、曲率妒i及挠度 筑,重复以上步骤直至跨中位移达到预定值.在计 算过程中,为了能使计算模型中截面上的应力分 布接近实际情况,一般采用多条带划分,本文分别 取混凝土板和钢梁腹板为15.为了保证足够的精 度,将组合梁分成有限个小段,通常取16段以上,
本文计算取20.

图3组合粱荷载一预应力增量关系曲线
Fig.3 Load-prestressed incrennent relationship

组合梁不粘贴FRP布时计算结果与试验结 果吻合良好.该计算结果是利用合成法得到的,即 没有考虑交接面的滑移效应,因此,在相同荷载作 用下,计算变形小于实测变形.从图2中可以看
出,在加载初期,荷载与变形曲线基本呈线性变

预应力组合梁采用限位肋板保证预应力筋在 竖直方向和组合梁协调变形.因此,假定预应力筋 高度处的钢梁纤维和预应力筋变形协调,由此求 出预应力筋的内力增量19j.由基本假定知组合梁 达到受弯承载力极限状态前,FRP布与钢梁之间
粘结可靠,变形协调.

化,说明整个梁处于弹性工作阶段.随着荷载的增 加,组合梁变形迅速增大,组合梁处于弹塑性工作
阶段.此后,组合梁局部区域出现了塑性铰,表现 出荷载不再增加而变形继续增长,此时组合梁处

于完全塑性阶段,直到整个组合梁破坏为止.FRP 布发生脆断后荷载一变形曲线与未粘贴FRP布 时吻合.由图2中n,b曲线对比可以看出,下翼 缘屈服时,不粘贴FRP布组合梁变形为3.87 1TEn,荷载为244 kN;粘贴FRP布组合梁变形为
4.30

3算例分析
利用上述原理和分析方法,本文研制了适合 于FRP布钢与混凝土预应力组合梁的非线性分 析程序.某预应力组合梁L一1,跨度4 000 rnn2,两 端简支,承受对称集中荷载,混凝土板厚90 n瑚,
宽度900 no.iTl,混凝土强度等级C70,钢梁选用125

rnlTl,荷载为257 kN.说明粘贴FRP布使钢

梁下翼缘屈服延后发生.荷载为451 kN时,不粘
贴FRP布组合梁变形为26 mm;粘贴FRP布后

组合梁变形为21 mm.可见在此阶段粘贴FRP布 使组合梁变形减小近20%.不粘贴FRP布组合
梁极限荷载为511 kN;粘贴FRP布组合梁极限荷 载为568 kN,粘贴FRP布使组合梁极限荷载提高

工字钢,在钢梁下翼缘上方30 nllTl处布置钢绞 线,在钢梁下表面粘贴3层FRP布,厚度0.501
mm,初始预应力264 kN.利用该程序求得承载

力、跨中变形值及预应力增量如图2,图3所示. 图中a表示该组合梁不粘贴FRP布时的计算值, b表示该组合梁计算值,C表示该组合梁不粘贴
FRP布时的试验值.

10%.从图3中可以看出,构件进入塑性阶段后, 计算出的预应力增量偏大,计算结果偏于安全.

4结



(1)在钢与混凝土预应力简支组合梁下表面

万方数据  

740

东北大学学报(自然科学版)

第28卷

粘贴FRP布,能有效地减小变形,提高承载力.
(2)本文提出的FRP布钢与混凝土预应力

Composites南rConstruction,2005,9(5):441—449. 【5】Kishi N,Zhang G F,Mikami H.Numerical cracking and debonding analysis of RC beams reinforced with FRP sheet 【J】.Journal
507—514.

组合梁非线性分析方法具有理论意义,但忽略了 钢与混凝土交接面的相对滑移,其正确性和合理
性需要试验进一步验证. 参考文献:

Tfiantafillou T C,Antonopoulos P C.Design of flexural members strengthened in shear with

ofComposites加Construction,2005,9(6):

【6 1

Asta A D,Dezi L.Nonlinear behavior of externally prestressed

composite be目FfKs:analytical model【J】.ASCE Journal of
Structural

Engineering,1998,124(5):588—597.

concrete

[7】Salafi M R,Spacone E.Shing P B,et a1.Nonlinear analysis
of composite beaiiKs ASCE Journal 1148—1158.

n啦【J】.

with deformable shear connectors[川.

Journal of Composites for Construction,2000,4(4):198—
205.

of Structural Engineering。1998,124(10):



Lamanna A J,Bank L C,Scott D W.Flexural strengthening of reinforced reinforced
concrete

【8 J王连广,李立新.钢与混凝土组合结构非线性分析【M J.沈 阳:东北大学出版社,2000:59—65. (Wang Lian-guang.Li Li—xin.Nonlinear analysis of steel—
concrete

beams by meehanicaUy attaching fiber-

polymer

strips【J】.Journal of Composites for

Construction,2004,8(3):203—210. 口
Stallings

composite

beaIns【M】.

Shenyang:

Northeastern

J M.Tedesco J W.Field performance of H旧bridge

University

Presfs,2000:59—65.)

repairs[J】.Journal ofBridge Engineering,2000,5(2):107
—113.

【9】马廷瑞,崔明堂.预应力钢一混凝土组合梁承载力计算方 法【J】.建筑技术开发,2003,30(9):6—8.



M&soud

S,Soudki of

K,Topper

T.Postrepair

fatigue balrlls.-

(Ma

Titag—rui,Cui

Ming—tang. composite

Calculation

method

of

perfomaanee

FRP-repaired

corroded

RC

prestressed steel—concrete

beam【J).BuiMing

experimental and analytical

investigation【J】.Journal

of

Technique E轨elopment,2003,30(9):6~8.)

(上接第724页)
[2】Berrin T.Microscopic characterization of oil droplets removed
by floes after coagulation of oil—water

【7】徐新阳,张轶,李海波,等.用于修复地表水的黄杆菌固定 化工艺【J】.东北大学学报:自然科学版,2005,26(8):783
—786.

emulsions[J】.Journal

ofEnvironmental
138.

Science and

Health,2002,37A(2):127—

(Xu Xin-yang,Zhang Yi,Li Flai—bo,et a1.Immobilization


【3】

Omar

M A.Recovery of residual

emulsifiable

oil from Sci Tech,

process

of flavobaeterium

sp

for bioremediation of

contaminated

wastewater by flotation lubrication

science[J】.%t

surface Natural

water[J】.Journal of Northeastern University: Science,2005,26(8):783—786.)

2002,14(2):275—284. 【4】Pal R,MasliyaIJ.Oil recovery from in water emulsions using flflotationcolumn[J】.Chem Eng,1990,68(5):959—973. 【5】Chen A S C.Removal of oil,gre&se and suspended solid from
produced water with ceramic Spe Prod
cross

[8】徐新阳,张轶,李海波,等.污染地表水修复用微球菌的化 学包埋法固定化工艺【J】.东北大学学报:自然科学版, 2006,27(10):1146—1149. (Xu
Xin—yartg,Zhang Yi,Li Hai—bo,et a1.Chemical
sp

flow

micro-filtration[J】.

Eng,1991,6(2):131—136.

embedding immobilization technique of micrococcus
contaminated surface Northeastern water

used in

[6】杨革.微生物学实验教程【M】.北京:科学出版社,2004:
15—25.

remediation【J】.Journal

oy’

University:Natural

Science,2006,27(10):

(Yang Ge.A course of microbiology experiment[M】.Beijing: sci矗ce Pre.&s,2004:15—25.)

1146—1149.)

万方数据  

FRP布钢与混凝土预应力组合梁受力分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 刘莉, 王连广, 赵军, 吕臻, LIU Li, WANG Lian-guang, ZHAO Jun, L(U) Zhen 刘莉,王连广,LIU Li,WANG Lian-guang(东北大学,资源与土木工程学院,辽宁沈阳,110004) , 赵军,吕臻,ZHAO Jun,L(U) Zhen(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳,110168) 东北大学学报(自然科学版) JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 2007,28(5)

参考文献(9条) 1.Triantafillou T C;Antonopoulos P C Design of concrete flexural members strengthened in shear with FRP[外文期刊] 2000(04) 2.Lamanna A J;Bank L C;Scott D W Flexural strengthening of reinforced concrete beams by mechanically attaching fiber-reinforced polymer strips[外文期刊] 2004(03) 3.Stallings J M;Tedesco J W Field performance of FRP bridge repairs[外文期刊] 2000(02) 4.Masoud S;Soudki K;Topper T Postrepair fatigue performance of FRP-repaired corroded RC beams:experimental and analytical investigation[外文期刊] 2005(05) 5.Kishi N;Zhang G F;Mikami H Numerical cracking and debonding analysis of RC beams reinforced with FRP sheet[外文期刊] 2005(06) 6.Asta A D;Dezi L Nonlinear behavior of externally prestressed composite beams:analytical model[外文 期刊] 1998(05) 7.Salari M R;Spacone E;Shing P B Nonlinear analysis of composite beams with deformable shear connectors[外文期刊] 1998(10) 8.王连广;李立新 钢与混凝土组合结构非线性分析 2000 9.马廷瑞;崔明堂 预应力钢-混凝土组合梁承载力计算方法[期刊论文]-建筑技术开发 2003(09)

本文读者也读过(10条) 1. 李青松.孟少平.单岗.王侠伟.LI Qing-song.MEN Shao-ping.SHAN Gang.WANG Xia-wei 预应力纤维布混合锚固 分析与试验研究[期刊论文]-建筑科学2011,27(5) 2. 王德选.王连广.刘闯.姜磊.WANG Dexuan.WANG Lianguang.LIU Chuang.JIANG Lei 预应力FRP布钢与混凝土组合 梁抗弯承载力计算[期刊论文]-沈阳建筑大学学报(自然科学版)2007,23(5) 3. 王德选.王连广.吕月.张新颖.WANG Dexuan.WANG Lianguang.L(U) Yue.ZHANG Xinying 均布荷载下预应力FRP布 钢与混凝土组合梁变形计算[期刊论文]-沈阳建筑大学学报(自然科学版)2007,23(6) 4. 薛伟辰 新型预应力结构体系研究[会议论文]-2002 5. 谢群.陆洲导.余江滔.XIE Qun.LU Zhoudao.Yu Jiangtao 预应力FRP加固钢筋混凝土结构若干问题的探讨[期刊 论文]-工业建筑2005,35(7) 6. 杜香丽.杨保平 浅谈不锈钢在现代建筑中的应用[期刊论文]-城市建设与商业网点2009(27) 7. 薛伟辰.韩梅 纤维塑料筋混凝土结构的系列研究[期刊论文]-混凝土与水泥制品2000(z1) 8. 谢群.陆洲导.余江滔.XIE Qun.LU Zhou-dao.YU Jiang-tao 预应力FRP在结构应用中的技术问题探讨[期刊论文 ]-玻璃钢/复合材料2005(5) 9. 马崇亮 非预应力和预应力FRP加固梁的有限元模拟和理论分析[学位论文]2010 10. 王兴国.周朝阳.WANG Xing-guo.ZHOU Chao-yang 外贴预应力FRP片材加固混凝土梁抗弯承载力计算[期刊论文 ]-哈尔滨工业大学学报2006,38(8)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dbdxxb200705033.aspx


相关文章:
型钢混凝土梁受力性能的研究分析
FRP筋混凝土梁受力性能 4页 4下载券 碳纤维加固混凝土...是钢与混凝土组合的一种新形式, 这种结构介于钢结构...损伤性能分析以及预应力钢混凝土结构的研究还开展的...
预应力FRP混凝土梁的受力和变形性能
预应力FRP布加固混凝土梁的... 暂无评价 2页 1.00...绞线、FRP筋预应力加固混... 暂无评价 3页 2....并结合一些相应的实验结果对 FRP 加固混凝土梁分析。...
钢—混凝土组合梁
目前国内外已 开展了体外预应力钢混凝土组合梁受力性能的研究。研究表明,影响体外预应 力钢混凝土组合梁受力性能的因素包括混凝土强度、钢梁截面形式、抗剪连接 ...
预应力CFRP布增强钢筋混凝土梁非线性有限元分析
预应力 CFRP 布增强钢筋混凝土梁非线性有限元分析 摘要:采用 CFRP 布加固钢筋混凝土梁时,CFRP 利用率不高,本文运用 ANSYS 有限元分析软件,对预应力 CFRP 增强混凝...
预应力FRP混凝土中美规范对比
这个角度 对预应力FRP混凝土梁受弯性能进行了分析...预应力 CFRP 筋混凝土 T 梁受力性能试验研究[J]. ...玻璃/复合材 料,2009,05:27-30. ( 13 )王...
浅析预应力加固混凝土结构技术
预应力芳纶纤维布的应力松 弛损失研究;预应力芳纶纤维布加固混凝土梁的受弯、受...关键词:预应力加固 混凝土结构 为了更加充分而合理地利用 FRP 高强度的特点,取得...
预应力混凝土简答
预应力砼结构 部分预应力砼结构 3、预应力筋的种类有: 、 铰线 、 ...(2) 10、简述 FRP 筋的主要特点。(8) (1)抗拉强度高;(2) (2)抗腐蚀...
聚合复合材料及预应力混凝土
聚合复合材料及预应力混凝土 系统的设计运用注:设计模式“玻璃薄板/玻璃...S&P FRP sheets for site lamination 6 4.1 S&P A-Sheet 120 7 4.2 S&P A...
FRP束预应力混凝土构件设计计算方法研究
束不同,对 frp预应力混凝土构件的设计计算不能简单的套用传统预应力...根据传统的等效荷载法本文所提出 的分析方法分别对 frp预应力混凝土梁进行...
更多相关标签:
钢筋混凝土梁受力分析 | 混凝土梁受力计算 | 钢筋混凝土梁受力特点 | frp加固混凝土结构 | frp混凝土 | frp约束混凝土 | frp混凝土筒仓实验 | frp筋混凝土的应用 |