受压区侧面粘贴钢板的钢筋混凝土梁短期刚度研究

陈孔, 冯超, 刘少斌



受压区侧面粘贴钢板的钢筋混凝土梁短期刚度研究

陈孔1, 冯超1, 刘少斌2

(1. 广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁, 530004; 2. 湖南文理学院土木建筑工程学院, 湖南常德, 415000)

对受压区侧面粘钢混凝土梁进行了静力试验, 试验中测量了不同集中荷载作用下的钢筋混凝土梁在不同配筋率、不同粘钢截面面积时的跨中挠度。考虑粘贴钢板的作用, 将受压区粘贴的钢板换算成混凝土, 得到一个T形截面, 给出了考虑粘贴钢板作用的混凝土梁短期刚度计算方法。讨论了集中荷载、配筋率和粘钢截面面积等因素对受压区侧面粘贴钢板的钢筋混凝土梁短期刚度的影响。

粘钢加固法; 钢筋混凝土梁; 短期刚度; 短期挠度

在钢筋混凝土梁表面粘贴钢板是既有结构加固时经常采用的一种方法。施工时利用粘钢加固胶将钢板粘贴在钢筋混凝土梁的表面, 具有施工简便、见效快、质量可靠、对既有结构破坏小等一系列优点, 在实际工程中得到了广泛的应用。很多学者对粘贴钢板加固法进行了深入的研究, 如: 文献[1]对粘钢加固钢筋混凝土梁进行了正截面受弯破坏性试验; 文献[2]对粘钢加固钢筋混凝土梁进行了锚固方法试验研究; 文献[3]对粘钢加固混凝土梁受剪性能进行了试验研究; 文献[4–5]对粘钢加固钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力及简化计算方法进行了研究; 文献[6–8]采用数值分析对粘钢加固钢筋混凝土梁的承载性能、界面端热应力和附近应力进行了分析; 文献[9]研究了胶层厚度对粘钢加固钢筋混凝土梁的影响; 文献[10]介绍了现行规范中有关粘钢加固受弯构件的设计原理; 文献[11]研究了粘钢加固受弯构件考虑二次受力的简化算法。当受压区混凝土受压能力不够时, 常在钢筋混凝土梁的受压区侧面粘贴钢板。受压区粘贴钢板的混凝土梁, 由于粘贴钢板对受压区混凝土的影响, 改善了受压区混凝土的应力状态, 使得混凝土梁短期刚度有一定程度的增大, 短期挠度相应变小。本文对受压区侧面粘钢混凝土梁进行了静力试验, 给出了受压区侧面粘钢混凝土梁的短期刚度计算公式, 以供工程应用时参考。

1 受压区粘贴钢板的混凝土梁短期挠度试验

12根试验梁截面尺寸均为150 mm × 210 mm, 长度为3.3 m, 均设有纵向架立筋和箍筋。试验梁的基本参数如表1所示。

表1 试验梁基本参数

箍筋和纵向架立筋采用HRB335型钢材, 纵向受力筋采用HRB400型钢材, 混凝土强度等级设计为C30, 粘贴钢板采用Q235型钢材。模板采用木模, 混凝土采用一次浇注完成, 测试混凝土力学性能的试块与试验梁在相同条件下同时养护, 测试钢材力学性能的试件在所用的钢筋及钢板端头截取, 材料强度实测值与规范推荐值基本一致, 所以试验材料参数取规范推荐值。

粘钢加固胶采用北京中德新亚建筑技术有限公司生产的JGN801粘钢胶, JGN801粘钢胶材料参数为: 与混凝土正拉粘结强度≥2.5 MPa, 且为混凝土的内聚破坏; 胶体抗压强度≥65 MPa; 受拉弹性模量≥3.5 × 103MPa.

所有试件均在500 t试验压力机上进行, 加载时通过分配梁在试件三分点处加载, 纯弯段长1 m。在梁两端支座处各布置1个电子千分表, 梁跨中布置1个电子百分表, 量测梁的变形。试验梁的挠度值取跨中百分表读值与支座百分表差值。试验梁加载方案及测点布置如图1所示。

图1 试验梁加载方案及测点布置(单位: mm)

根据《混凝土结构设计规范GB50010–2010》, 对试验梁的极限承载弯矩进行计算, 试验梁A1(A1-1, A1-2, A1-3)和A2(A2-1, A2-2, A2-3)的极限承载弯矩为22.62 kN·m, 相应地, 极限承载荷载为45.24 kN; 试验梁B1(B1-1, B1-2, B1-3)和B2(B2-1, B2-2, B2-3)的极限承载力为25.23 kN·m, 相应地, 极限承载荷载为50.46 kN。试验时极限承载荷载取45 kN, 分为6级加载, 分别为7.5, 15.0, 22.5, 30.0, 37.5, 45.0 kN。根据计算, 加至极限承载荷载45.0 kN时, 梁的最大剪力为22.5 kN, 各试验梁的斜截面受剪承载力满足要求。各试验梁的短期挠度实测值1如表2所示。

表2 各试验梁不同荷载作用下的短期挠度实测值

2 不考虑粘贴钢板作用的混凝土梁跨中短期挠度理论计算值

根据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》, 钢筋混凝土梁短期刚度s计算公式为

式中:s,s分别为纵向受拉钢筋的弹性模量和截面积;0为钢筋混凝土梁有效高度;为纵向受拉钢筋和混凝土弹性模量的比值;为纵向受拉钢筋配筋率;¢为受压翼缘加强系数, 对于矩形截面,¢= 0;为钢筋应变不均匀系数, 其按下式计算

, (2)

其中,f为混凝土抗拉强度标准值,为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率,为短期弯矩M作用下的纵向受拉钢筋应力, 其按下式计算

由图1求得短期弯矩M与集中荷载的关系, 考虑= 3 m, 有

（2）质量提升。实施“三个一”精准化钻井以来，完成井井身质量、井口质量、固井质量三大质量合格率都达到了100%，取心进尺83.74m，钻井取心收获率全部满足施工要求；故障及复杂率明显减少，同比时间损失减少57.80%，经济损失同比减少67.69%，并逐步向国际化质量标准迈进，努力实现更高的质量标准。

。 (4)

将试验梁相关参数代入式(1)～(4)中, 可求得各试验梁不考虑粘贴钢板作用时的短期刚度s, 计算s值如表3所示。

由单位荷载法, 容易求得不考虑粘贴钢板作用时的试验梁跨中挠度为

求得不考虑粘贴钢板作用时的试验梁短期刚度s后, 由式(5)可以求得跨中挠度, 所求值见表3。

表3 不考虑粘贴钢板作用的试验梁短期刚度和跨中短期挠度计算值

3 受压区粘贴钢板的混凝土梁短期刚度

将表2的试验梁A1-1, A1-2, A1-3各级荷载下的短期挠度实测值取平均值, 得到试验梁A1相应荷载下的短期挠度实测值, 同样, 得到试验梁A2, B1和B2相应荷载下的短期挠度实测值。为了便于将短期挠度实测值和不考虑粘贴钢板作用时的试验梁短期挠度计算值进行比较, 将二者列入一个表(表4)。从表4可以看出, 受压区粘贴钢板的混凝土梁, 由于粘贴钢板的作用, 改善了受压区混凝土的应力状态, 使得混凝土梁短期刚度有一定程度的增大, 短期挠度相应变小。

表4 不同荷载作用下的试验梁短期挠度实测值和不考虑粘贴钢板作用的短期挠度计算值

为了考虑粘贴钢板的作用, 将受压区粘贴的钢板换算成混凝土, 得到一个T形截面, 这样, 就可以得到考虑粘贴钢板作用的混凝土梁短期刚度的计算公式

式中:s¢为考虑粘贴钢板作用的翼缘加强系数,,为受压区粘贴钢板截面面积,为混凝土的宽度;为受压区粘贴钢板换算翼缘加强系数的修正系数。

由式(6)可知, 只要求得受压区粘贴钢板换算翼缘加强系数的修正系数, 就可以求得考虑粘贴钢板作用的混凝土梁短期刚度。下面来推导修正系数。

对于不考虑粘贴钢板作用的混凝土梁, 将式(1)代入式(5), 有

对于考虑粘贴钢板作用的混凝土梁, 将式(6)代入式(5), 有

。 (8)

将式(7)减去式(8), 经整理, 可以得到修正系数的表达式为

可见, 由短期挠度差值及梁的相关参数, 就可以求出受压区粘贴钢板换算翼缘加强系数的修正系数, 试验梁修正系数计算结果如表5所示。

表5 不同荷载作用下受压区粘贴钢板换算翼缘加强系数的修正系数β计算值

4 结语

通过考虑粘贴钢板的作用, 将受压区粘贴的钢板换算成混凝土, 得到一个T形截面, 给出了考虑粘贴钢板作用的混凝土梁短期刚度计算方法。受压区粘贴钢板换算翼缘加强系数的修正系数反映了粘贴钢板对梁短期刚度的影响, 通过试验结果与不考虑粘贴钢板作用的钢筋混凝土梁跨中短期挠度理论计算值比较, 对计算出的修正系数分析, 可以得到如下结论:

(1) 随着钢筋混凝土梁荷载的增大, 换算翼缘加强系数的修正系数变小, 受压区粘贴钢板对钢筋混凝土梁短期刚度的提升作用变小。

(2) 随着钢筋混凝土梁配筋率的增大, 换算翼缘加强系数的修正系数变小, 受压区粘贴钢板对钢筋混凝土梁短期刚度的提升作用变小。

(3) 换算翼缘加强系数的修正系数在2.0左右浮动, 但其具体取值有待进一步研究。

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(责任编校: 江河)

Research on short-term stiffness of RC beam with steel plate pasting on its side on compressive zone

Chen Kong1, Feng Chao1, Liu Shaobin2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. College of Civil and Architecture Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The static tests of the RC beam with steel plate pasting on its side on compressive zone are carried out.Andthe mid-span deflection of RC beams with different reinforcement ratio and sticking steel sectional area are measured under different concentrated load. Then considering the role of pasting steel plate, the steel plate is converted to concrete to get a T-shaped section. Thus the calculating method of short-term stiffness of concrete beam considering pasting steel plate is put forward. Finally the effects of relevant factors such as concentrated load, reinforcement ratio and sticking steel sectional area on the short-term stiffness of RC beams pasting steel plate on its side on compressive zone are discussed.

stick steel strengthening method; reinforced concrete(RC) beam; short-term stiffness; short-term deflection

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.02.018

TU 375.1

1672–6146(2015)02–0062–05

陈孔, 496157844@qq.com。

2015–02–26

国家自然科学基金项目(51268005); 湖南省教育厅科研项目(12C0823)。