frp加固鋼梁的設(shè)計方法

frp加固鋼梁的設(shè)計方法

服務(wù)于本結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)橋梁，是由于設(shè)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(dǎo)致承載不足，損害結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的性能,但同時又帶來了新的損傷,增加了結(jié)構(gòu)自重,并且施工也不方便。而使用輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的FRP材料進(jìn)行加固能很好地克服這些缺點。FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)在理論基礎(chǔ)和應(yīng)用上都有了長足的發(fā)展,而FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段。英國的土木工程師學(xué)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(jié)構(gòu)的規(guī)程,這些規(guī)程涉及加固的材料、設(shè)計、施工以及檢測等方面。作者在這些規(guī)程的基礎(chǔ)上,對CFRP鋼梁加固進(jìn)行了更為系統(tǒng)的研究,包括界面應(yīng)力、承載力的提高、疲勞性能及細(xì)節(jié)設(shè)計等方面,為FRP加固鋼梁設(shè)計提供了新的研究基礎(chǔ)。本文參考英國的加固規(guī)程的設(shè)計方法并結(jié)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(shè)計方法,其中包括了概念設(shè)計、截面設(shè)計、界面應(yīng)力計算、疲勞分析等各個必要步驟。1概念設(shè)計1.1frp對構(gòu)件性能的影響FRP加固鋼構(gòu)件的方式主要有提高構(gòu)件的抗剪性能、抗彎性能、抗壓性能、剛度、疲勞性能、連接強(qiáng)度等。其中,FRP對構(gòu)件抗拉及抗彎能力的提高最為顯著。因此,在FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中,以對鋼梁的加固為主要加固方式。1.2frp加固結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮因素采用FRP對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,需要從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及施工等幾方面來進(jìn)行綜合評價。(1)經(jīng)濟(jì)中應(yīng)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(hù)成本。(2)技術(shù)中應(yīng)該考慮的主要因素如下構(gòu)件需要提高的強(qiáng)度和剛度;加固的質(zhì)量和可靠度;加固構(gòu)件的耐久度。(3)施工過程中應(yīng)考慮的主要因素如下施工現(xiàn)場的布置,材料安放;施工安全;對原有結(jié)構(gòu)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(yīng)必須考慮。由于FRP(其中CFRP的熱膨脹系數(shù)接近0)與鋼材的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致溫度變化能在加固的界面產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力。這往往導(dǎo)致FRP的剝離破壞。(2)要采用高強(qiáng)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(dāng)高,如果要達(dá)到提高原結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的效果,應(yīng)采用比鋼材的強(qiáng)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(qiáng)度均是鋼材的10倍以上。(3)粘接層的界面應(yīng)力必須考慮。相對于混凝土而言,鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。尤其是在FRP材料的端部,界面應(yīng)力集中往往能造成FRP的剝離破壞。(4)鋼構(gòu)件的失穩(wěn)必須考慮。1.4預(yù)應(yīng)力frp法采用直接或間接預(yù)應(yīng)力,將部分恒載由原有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到FRP上來,能很好地提高加固效果。目前,國內(nèi)外所使用的方法主要有兩種,預(yù)應(yīng)力FRP法和梁反拱預(yù)應(yīng)力法。預(yù)應(yīng)力FRP法是對FRP先進(jìn)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(jī)具。采用這種方法雖然可以將部分恒載轉(zhuǎn)移到FRP上,但將在FRP端部產(chǎn)生很大的界面應(yīng)力,往往需要對FRP端部進(jìn)行錨固。梁反拱預(yù)應(yīng)力法是在加固前,把千斤頂安放在鋼梁底部,對梁進(jìn)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(chǎn)生界面應(yīng)力相對較小,通常不需要為此在FRP端進(jìn)行錨固,但施工難度大。2構(gòu)件性能計算界面設(shè)計的主要步驟為:確定材料屬性→評估原有構(gòu)件性能→計算加固所需FRP→計算界面應(yīng)力→考慮疲勞荷載下性能→細(xì)節(jié)設(shè)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(qiáng)度fua。如不能確定構(gòu)件中鋼材的材料屬性,還需要對它進(jìn)行測定,包括彈性模量Eb和屈服變形εby。準(zhǔn)確測量粘接膠的物理屬性是比較困難的,特別是對強(qiáng)度的確定。可考慮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(yīng)力計算公式來確定粘接膠強(qiáng)度。2.2組合梁和剛度對需要加固的鋼梁進(jìn)行計算,求出構(gòu)件的彈性抗彎承載力Mu和剛度(EbIb),加固前負(fù)載(恒載)產(chǎn)生的彎矩M0、面積Ab及中性軸到下底面的距離Zb。如果該構(gòu)件為混凝土板和鋼組合梁,則計算組合梁的各項參數(shù)。應(yīng)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(dá)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(yù)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(yīng)變?yōu)樵O(shè)計極限狀態(tài)。應(yīng)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(dá)到的承載力Mru、鋼梁的溫度應(yīng)變(αbΔT)、加固前反拱卸載引起的彎矩Mf及作用在FRP上的預(yù)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(yù)張拉FRP均能減小所需FRP板的面積。當(dāng)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(qiáng)度設(shè)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(shè)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(qiáng)度fp=0.9f,f為鋼材的抗拉或抗壓強(qiáng)度設(shè)計值。應(yīng)力圖如圖1(d)所示。由中性軸的位置x結(jié)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(jù)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(jù)平截面假定及材料極限應(yīng)變,確定FRP板的應(yīng)變,再由截面應(yīng)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(yīng)力由于粘接層往往是鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)力,特別是對FRP板端的應(yīng)力集中必須進(jìn)行計算。在板端,x=0,最大剪應(yīng)力τmax和正應(yīng)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(fù)載(活載)所產(chǎn)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(guān)的系數(shù)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(yīng)力、反拱卸載及預(yù)張拉FRP等因素作用下的界面應(yīng)力。經(jīng)計算得知溫度變化及預(yù)應(yīng)力能產(chǎn)生很大的端部界面應(yīng)力集中,反拱產(chǎn)生的應(yīng)力集中相對較小。最大界面主應(yīng)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(yīng)力小于粘接膠的強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(hù)中的加固鋼橋,在動荷載作用下,只要能將粘接膠層界面應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi)(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(jié)構(gòu)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(yīng)力的S-N曲線,如圖2所示,其中,板端的主應(yīng)力由式(8)進(jìn)行計算,而疲勞壽命則取板端出現(xiàn)裂縫時的疲勞加載次數(shù)。試驗還得到粘接層的疲勞極限值為靜載作用下粘接層強(qiáng)度的30%。2.6細(xì)節(jié)設(shè)計(1)板端三角形、板端溢膠溢膠減少板端界面應(yīng)力集中的方法主要有:采用低彈性模量的粘接膠;對板端進(jìn)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(yīng)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(yīng)力達(dá)50%。而采用低彈性模量的粘結(jié)膠和楔形板端的FRP板不會增加施工的難度,建議在設(shè)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(yù)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(gòu)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(luò)圖來確定需要加固的區(qū)域,確定板長l1。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)現(xiàn)有的板長計算最大界面應(yīng)力,如果是受疲勞荷載的梁,其結(jié)果不能超過30%的粘接膠強(qiáng)度。如果超出,則應(yīng)采用措施來減少端部應(yīng)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(yīng)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(yīng)力控制。3預(yù)應(yīng)力的加固路徑本文根據(jù)英國加固金屬結(jié)構(gòu)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定和作者進(jìn)一步的研究,對FRP加固鋼梁的設(shè)計方法進(jìn)行了探討。首先,從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和施工3方面討論了是否采用FRP