frp加固鋼梁的設計方法

frp加固鋼梁的設計方法

服務于本結構的鋼結構，尤其是鋼結構橋梁，是由于設計和施工中可能存在的缺陷、使用過程中的超載、腐蝕和疲勞等因素的影響，導致承載不足，損害結構安全。傳統(tǒng)的加固方法是采用鋼板焊接、鉚接、螺栓連接或粘接,采用這些方法可以提高結構的性能,但同時又帶來了新的損傷,增加了結構自重,并且施工也不方便。而使用輕質、高強、耐腐蝕的FRP材料進行加固能很好地克服這些缺點。FRP加固混凝土結構的技術在理論基礎和應用上都有了長足的發(fā)展,而FRP加固鋼結構的研究還處于起步階段。英國的土木工程師學會(ICE)及建筑工業(yè)研究與情報協(xié)會(CIRIA)分別于2001年和2004年發(fā)布了兩版FRP加固金屬結構的規(guī)程,這些規(guī)程涉及加固的材料、設計、施工以及檢測等方面。作者在這些規(guī)程的基礎上,對CFRP鋼梁加固進行了更為系統(tǒng)的研究,包括界面應力、承載力的提高、疲勞性能及細節(jié)設計等方面,為FRP加固鋼梁設計提供了新的研究基礎。本文參考英國的加固規(guī)程的設計方法并結合作者的研究成果,給出了實用的FRP加固鋼梁(也可以是鋼混凝土板組合梁)的設計方法,其中包括了概念設計、截面設計、界面應力計算、疲勞分析等各個必要步驟。1概念設計1.1frp對構件性能的影響FRP加固鋼構件的方式主要有提高構件的抗剪性能、抗彎性能、抗壓性能、剛度、疲勞性能、連接強度等。其中,FRP對構件抗拉及抗彎能力的提高最為顯著。因此,在FRP加固鋼結構的應用中,以對鋼梁的加固為主要加固方式。1.2frp加固結構應考慮因素采用FRP對鋼結構進行加固,需要從經濟、技術以及施工等幾方面來進行綜合評價。(1)經濟中應考慮的主要因素如下材料的費用;施工的費用;交通中斷所造成的直接和間接損失;將來的維護成本。(2)技術中應該考慮的主要因素如下構件需要提高的強度和剛度;加固的質量和可靠度;加固構件的耐久度。(3)施工過程中應考慮的主要因素如下施工現場的布置,材料安放;施工安全;對原有結構外形及加固后正常使用的影響;對環(huán)境的影響。1.3加固材料的選擇(1)溫度效應必須考慮。由于FRP(其中CFRP的熱膨脹系數接近0)與鋼材的熱膨脹系數不同而導致溫度變化能在加固的界面產生很大的剪應力和剝離應力。這往往導致FRP的剝離破壞。(2)要采用高強度、高剛度的FRP材料。相對于混凝土而言,鋼材的彈性模量相當高,如果要達到提高原結構剛度和強度的效果,應采用比鋼材的強度和剛度更高的FRP材料。通常,采用高剛度(HM)CFRP(彈性模量為295～390GPa)或者超高剛度(UHM)CFRP(彈性模量為440～640GPa),其強度均是鋼材的10倍以上。(3)粘接層的界面應力必須考慮。相對于混凝土而言,鋼構件本身很難發(fā)生剝離破壞和斷裂(破損處除外)。而采用的加固材料CFRP的抗剝離性能很好,也不易拉斷。這些使得粘接層成為了加固結構中最薄弱的環(huán)節(jié)。尤其是在FRP材料的端部,界面應力集中往往能造成FRP的剝離破壞。(4)鋼構件的失穩(wěn)必須考慮。1.4預應力frp法采用直接或間接預應力,將部分恒載由原有結構轉移到FRP上來,能很好地提高加固效果。目前,國內外所使用的方法主要有兩種,預應力FRP法和梁反拱預應力法。預應力FRP法是對FRP先進行張拉,然后將FRP粘接到鋼梁上,待粘接膠固化后再松開張拉機具。采用這種方法雖然可以將部分恒載轉移到FRP上,但將在FRP端部產生很大的界面應力,往往需要對FRP端部進行錨固。梁反拱預應力法是在加固前,把千斤頂安放在鋼梁底部,對梁進行反拱卸載,然后粘接FRP到鋼梁上,待粘接膠固化后再移開千斤頂。采用這種方法在FRP端部產生界面應力相對較小,通常不需要為此在FRP端進行錨固,但施工難度大。2構件性能計算界面設計的主要步驟為:確定材料屬性→評估原有構件性能→計算加固所需FRP→計算界面應力→考慮疲勞荷載下性能→細節(jié)設計。FRP加固鋼梁的截面形式如圖1(a)所示。2.1粘膠的物理屬性要確定的材料屬性包括:FRP的彈性模量Ep、極限變形εpu及粘接膠的彈性模量Ea、剪切模量G和強度fua。如不能確定構件中鋼材的材料屬性,還需要對它進行測定,包括彈性模量Eb和屈服變形εby。準確測量粘接膠的物理屬性是比較困難的,特別是對強度的確定?？煽紤]用小尺寸的加固鋼梁三點彎曲試驗,得到破壞荷載,然后由本文推薦的界面應力計算公式來確定粘接膠強度。2.2組合梁和剛度對需要加固的鋼梁進行計算,求出構件的彈性抗彎承載力Mu和剛度(EbIb),加固前負載(恒載)產生的彎矩M0、面積Ab及中性軸到下底面的距離Zb。如果該構件為混凝土板和鋼組合梁,則計算組合梁的各項參數。應力圖見圖1(b)。2.3計算fp加固所需的fp已知加固后所需達到的抗彎承載力為Mru,計算所需FRP板的截面積Ap。(1)反拱裝卸及預張拉frp對受害者的影響如果鋼梁直接承受動荷載,則以梁底邊的彈性極限應變?yōu)樵O計極限狀態(tài)。應力圖見圖1(c)。計算中同時考慮了各項因素的影響,包括恒載的彎矩M0,加固前的抗彎承載力Mu及加固所需達到的承載力Mru、鋼梁的溫度應變(αbΔT)、加固前反拱卸載引起的彎矩Mf及作用在FRP上的預拉力Ff等。計算所需的FRP截面積為:Ap=EbEp[Mru?Mu?(Zb+Ib/ZbAb)FfMu?M0?Mf+αbΔTEbIb/Zb](1Z2bAb/Ib+1)Ab(1)Ap=EbEp[Μru-Μu-(Ζb+Ιb/ΖbAb)FfΜu-Μ0-Μf+αbΔΤEbΙb/Ζb](1Ζb2Ab/Ιb+1)Ab(1)從式中可看出,反拱卸載及預張拉FRP均能減小所需FRP板的面積。當溫度增加時Ap減小,溫度減小時Ap增加。(2)中性軸抗拉和壓強度設計值的確定如果鋼梁間接承受動荷載或承受靜荷載,則可考慮鋼梁的塑性承載力。假設在梁的受拉區(qū)為均勻受拉,受壓區(qū)為均勻受壓,鋼的抗拉和抗壓強度fp=0.9f,f為鋼材的抗拉或抗壓強度設計值。應力圖如圖1(d)所示。由中性軸的位置x結合截面尺寸可得梁受壓區(qū)形心和受拉區(qū)形心到底邊的距離Z1和Z2。根據彎矩平衡可得:Mru=Eb(A1Z1?A2Z2)(2)Μru=Eb(A1Ζ1-A2Ζ2)(2)式中,A1和A2分別為受壓區(qū)和受拉區(qū)的面積。由此式可解得x。根據平截面假定及材料極限應變,確定FRP板的應變,再由截面應力的平衡方程,可求得所需的FRP板截面積Ap。2.4材料屬性及界面應力由于粘接層往往是鋼結構加固系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié),該處的破壞也成為主要的破壞模式。因此,對界面應力,特別是對FRP板端的應力集中必須進行計算。在板端,x=0,最大剪應力τmax和正應力σmax可表示為:τmax=Gtabλ????√[(αb?αp)ΔT+FfEpAp]+gGtabλ????√[M1(0)?Mf(0)]+gbλ[V1(0)+Vf(0)](3)σmax=?2βZpτmax+tpG2ta[(αb?αp)ΔT+FfEpAp+gM1(0)?gMf(0)](4)τmax=Gtabλ[(αb-αp)ΔΤ+FfEpAp]+gGtabλ[Μ1(0)-Μf(0)]+gbλ[V1(0)+Vf(0)](3)σmax=-2βΖpτmax+tpG2ta[(αb-αp)ΔΤ+FfEpAp+gΜ1(0)-gΜf(0)](4)式中,ta為膠層厚度;b為FRP板寬;M1和V1為加固后負載(活載)所產生的彎矩和剪力;Zp為板中性軸到板頂面距離;Ip為板的慣性矩;3個與截面尺寸和材料屬性相關的系數分別為:g=ZbEbIb(5)λ=(Zb+Zp)ZbEbIb+1EbAb+1EpAp(6)β=Eab4taEpIp?????√4(7)g=ΖbEbΙb(5)λ=(Ζb+Ζp)ΖbEbΙb+1EbAb+1EpAp(6)β=Eab4taEpΙp4(7)在以上計算中,包括了活載、溫度應力、反拱卸載及預張拉FRP等因素作用下的界面應力。經計算得知溫度變化及預應力能產生很大的端部界面應力集中,反拱產生的應力集中相對較小。最大界面主應力可由下式求得:σ1max=σmax2+(σmax2)+τ2max???????????√(8)σ1max=σmax2+(σmax2)+τmax2(8)如果最大界面主應力小于粘接膠的強度fa,則該加固梁在靜載下不會發(fā)生剝離破壞。2.5鋼梁的疲勞性能疲勞破壞是橋梁、廠房中的吊車梁等結構最主要的破壞形式之一。對于材料本身來說,CFRP有很好的抗疲勞性能。而鋼材如果在無缺陷的情況下也具有很好的抗疲勞性能。對有缺陷的鋼構件,研究顯示,鋼梁加固后的疲勞壽命至少延長了3倍,并且缺陷部裂縫的開展也明顯減小。Nikouka等人指出,對于在養(yǎng)護中的加固鋼橋,在動荷載作用下,只要能將粘接膠層界面應力控制在一定范圍內(小于1MPa),加固的效果不受動荷載的影響。另外,由于粘接膠層是加固鋼結構中最薄弱的環(huán)節(jié),在動荷載作用下該處的疲勞性能也是必須要考慮的。作者的試驗得到了基于板端最大界面主應力的S-N曲線,如圖2所示,其中,板端的主應力由式(8)進行計算,而疲勞壽命則取板端出現裂縫時的疲勞加載次數。試驗還得到粘接層的疲勞極限值為靜載作用下粘接層強度的30%。2.6細節(jié)設計(1)板端三角形、板端溢膠溢膠減少板端界面應力集中的方法主要有:采用低彈性模量的粘接膠;對板端進行錨固;采用板端楔形;板端反楔形;板端溢膠等。這幾種方式對界面應力集中都有很顯著的降低,特別是組合板端反楔形和溢膠能降低界面最大應力達50%。而采用低彈性模量的粘結膠和楔形板端的FRP板不會增加施工的難度,建議在設計中采用。(2)鋼梁間空氣不實理論上,用一整塊FRP板來加固最好。然而,如果板太寬,會造成板與鋼梁間的空氣無法全部排出,粘接膠層不密實而影響加固效果。CIRIA規(guī)程規(guī)定,對拉擠(pultruded)板,板寬宜為150～200mm,而對預浸料(prepreg)薄板,板寬不宜超過300mm。(3)板長密度的確定板長首先要考慮的是使得被加固構件能得到需要提高的承載力。因此,對加固鋼梁,可由鋼梁的彎矩包絡圖來確定需要加固的區(qū)域,確定板長l1。根據結構規(guī)范所需要的錨固長度可得到l2。因此,所需要的板長l=l1+2l2。但此時必須根據現有的板長計算最大界面應力,如果是受疲勞荷載的梁,其結果不能超過30%的粘接膠強度。如果超出,則應采用措施來減少端部應力集中。在不方便采用上述措施時,可將板端延伸至彎矩小的部位(由式(3)、(4)可看出,最大界面應力隨活載引起的彎矩減小而減小),這時的板長就不是由加固效果來控制了,而是由最大界面應力控制。3預應力的加固路徑本文根據英國加固金屬結構規(guī)程的相關規(guī)定和作者進一步的研究,對FRP加固鋼梁的設計方法進行了探討。首先,從經濟、技術和施工3方面討論了是否采用FRP