结构加固改造之加固结构的受力特点―2

同济大学TongjiUniversity第二节加固结构的受力特点同济大学土木工程学院结构加固改造理论与技术同济大学TongjiUniversity•目录8.2加固结构的受力特点8.2.1不同龄期材料的本构关系8.2.2结构的二次受力8.2.3构件的二次受力同济大学TongjiUniversity•8.2.1不同龄期材料的本构关系1.混凝土2.钢筋同济大学TongjiUniversity•8.2.1不同龄期材料的本构关系轴心受压应力—应变曲线我国规范中混凝土轴心受压应力应变关系公式：1.混凝土0[1(1)]ncccf0c0ccuccf12(50)60cunf500.0020.5(50)10cuf50.0033(50)10cucuf同济大学TongjiUniversity•关于混凝土轴心受压应力-应变曲线E.Hognestad模型Rush曲线模型同济大学TongjiUniversity•混凝土强度与变形随时间的变化随着混凝土龄期的增长，水泥胶体的粘结强度不断增强，流动性不断减弱，因而提高了混凝土的强度和弹性模量。混凝土在长期的应力作用下，水泥胶体发生持续的粘性流动和内部微裂缝的发展，会出现变形随时间而增大的徐变现象，长期强度会有所降低。同济大学TongjiUniversity•混凝土碳化前后应力-应变曲线比较实验结果表明，与未碳化混凝土相比，混凝土碳化后材料的抗压强度提高约60%，延性降低，具有明显的脆性，变形能力降低约30%，弹性模量提高约60%。图5.C20混凝土碳化前后应力—应变曲线同济大学TongjiUniversity•8.2.1不同龄期材料的本构关系钢筋应力—应变曲线如右图所示，分为四个阶段：OB’：弹性阶段BC：屈服阶段CD：强化阶段DE：颈缩阶段2.钢筋钢筋应力—应变曲线同济大学TongjiUniversity•钢筋锈蚀在正常设计、施工、养护条件下的混凝土一般是呈高碱性的，此时钢筋不会锈蚀。在既有建筑结构中，环境湿度较大、混凝土碱性环境变弱和混凝土碳化深度加深容易导致氯离子等因素会产生钢筋锈蚀现象。钢筋锈蚀引起有效面积减小，承载力降低，延伸率降低，并且降低与混凝土之间的粘结力，减小钢筋强度的发挥。同济大学TongjiUniversity•锈蚀钢筋的基本特性1.锈蚀钢筋的极限强度与屈服强度之比非常接近，在1.1左右；2.钢截面损失率在10%以内时，热轧钢筋的应力-应变曲线仍具有明显的屈服点，锈蚀率越大，钢筋的屈服台阶也越短，即塑性性能降低；3.锈蚀量越大，锈蚀钢筋的极限强度越低，屈服强度也越低。同济大学TongjiUniversity•8.2.2结构的二次受力结构不满足抗震要求需进行抗震加固结构因功能改变或沉降需进行承载力加固增大截面法增设钢支撑或混凝土支撑粘贴碳纤维增设消能减震隔震原件结构构件在荷载作用下可能出现非弹性性质，造成截面内力重分布，引起结构的弹塑性内力重分布在实际工程中，一般情况下采用线弹性分析方法计算加固结构作用效应，故以刚度分布变化引起的内力重分布为主。结构加固同济大学TongjiUniversity•8.2.3构件的二次受力构件名称构件类型承载力不足的表现承载力不足的原因梁、板受弯构件构件的挠度偏大裂缝过宽过长钢筋锈蚀受压区混凝土有压碎现象设计考虑不周或者错误施工质量和施工管理较差使用功能改变或者使用荷载超载地基出现不均匀沉降等柱受压构件水平抗侧力构件出现脆性破坏同济大学TongjiUniversity•结构加固施工与结构受力特征理想情况：完全卸载—加固—加固部分可提供承载力—卸载—两部分共同受力实际工程中：不卸载或部分卸载—加固—构件二次受力同济大学TongjiUniversity•构件二次受力二次受力的两个阶段第一阶段：既有结构在原有设计荷载作用下的内力分布状态下，构件上承担的内力引起的截面应力分布。第二阶段：在既有结构按现行规范进行加固后的内力分布状态，构件进入整体工作状态后的截面应力分布。同济大学TongjiUniversity•构件加固方法及计算（二次受力）1.增大截面法2.粘贴碳纤维法3.粘贴钢板法同济大学TongjiUniversity•增大截面法1.混凝土梁板（受弯构件）2.混凝土柱（受压构件）增大截面法加固梁增大截面法加固柱同济大学TongjiUniversity•增大截面法加固混凝土梁板增大截面法适用于混凝土梁承载力相差较大且其刚度也不满足要求。受拉区，其对补加的钢筋起到粘结保护作用（比较常见）受压区，提高混凝土的受压区高度，提高构件的抗弯、抗剪承载力，增大结构的刚度，充分发挥后浇混凝土的作用。（叠合梁）加固位置加固类型：单面、双面或者三面加固。同济大学TongjiUniversity•叠合梁试验（二次受力）跨中弯矩—挠度曲线钢筋应力—应变曲线试验结果表明，叠合梁挠度和钢筋应力均比整浇梁大，但是极限承载力基本相同。05101550100150200250出现裂缝叠合变形差值整浇梁叠合梁跨中挠度f(mm)跨中弯矩M(kNm)050100150200250屈服30050100150200250跨中钢筋应力σ(Mpa)出现裂缝叠合应力差值整浇梁叠合梁跨中弯矩M(kNm)同济大学TongjiUniversitysAsA1h1h0h0h0.0033cub1M2M12MMuM1ssA2ssA12ssssAAsyAf1cfcT2D1Z(a)叠合梁截面(b)叠合前和叠合后的增量(c)叠合后(d)破坏时叠合梁受力过程•叠合梁的应力和应变同济大学TongjiUniversity•叠合梁二次受力分析叠合前的弯矩作用结果相当于在叠合后的梁受拉区产生“荷载预压应力”，叠合后的弯矩增量产生的拉力部分抵消“荷载预压应力”，另一部分使梁底钢筋拉应力增加。1M2M1ssA2ssAcT2D1Z(b)叠合前和叠合后的增量同济大学TongjiUniversity•叠合梁受力的两个重要特点1.受压区混凝土应变滞后。叠合层混凝土仅在弯矩增量作用下才参与工作，故叠合层混凝土的压应变总是小于同等条件下对应的整浇梁。2.受拉钢筋应力超前。由于在叠合前弯矩的作用下，原构件中的应力较整浇梁大而使得叠合构件中的钢筋应力、挠度等较大，导致受拉钢筋的拉应力始终大于整浇梁。同济大学TongjiUniversity由于钢筋应力超前，为了避免梁的挠度、裂缝在使用阶段超过允许值和受拉钢筋在使用阶段处于高应力状态，钢筋应力应该满足：：叠合前弯矩作用下钢筋的应力，：叠合后弯矩增量作用下增加的钢筋应力，；受拉钢筋的强度设计值：受拉钢筋截面面积：裂缝截面的内力臂系数，可近似取为0.87：反应荷载预压应力的叠合特征系数，取，其中分别为叠合前后的截面高度：分别为叠合前后的截面有效高度120.9sssyfs11110ssMAh2s222s01(1)sMAhsA12、10.51)hh（1,hh001,hhyf同济大学TongjiUniversity•叠合梁承载力计算1.第一阶段预制梁承载力验算：111GQMMM111GQVVV2.第二阶段叠合梁梁承载力验算：122GGQMMMM22GQMMM122GGQVVVV正弯矩负弯矩剪力同济大学TongjiUniversity•增大截面法加固柱1.概述加大混凝土截面积及配筋量，提高原混凝土柱的承载力和降低柱的长细比，提高柱的刚度。增大截面法加固柱同济大学TongjiUniversity2.增大截面法加固混凝土柱的受力特征（1）新增部分的应力、应变滞后于原有混凝土，降低新增部分的作用。如果原柱在加固施工时应力过高，变形过大，有可能使新增部分的应力处于较低水平。（2）如果新旧混凝土的界面粘结可靠，则新旧混凝土的应变增量基本相同，满足平截面假定。（3）新旧混凝土之间存在应力重分布现象，应力水平较低的新混凝土对应力水平较高的原混凝土会产生一定的约束作用，可部分弥补新增部分应变滞后对加固柱承载力降低情况。同济大学TongjiUniversity1.粘贴碳纤维法在实际工程中常常用于加固正截面承载力不足。结构加固时一般不卸载，因此加固用的碳纤维布存在“应变滞后”效应。•粘贴碳纤维法粘贴碳纤维法加固梁板同济大学TongjiUniversity2.《混凝土结构加固技术规范》规定：“当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定纤维复合材料的滞后应变”。纤维复合材料的滞后应变可按下式计算：其中，为加固前受弯构件验算截面上原作用的弯矩标准，为综合考虑受弯构件裂缝截面内力臂变化、钢筋拉应变不均、以及钢筋排列影响等的计算参数。000kfsfsMEAh0kMf同济大学TongjiUniversity结构工程与防灾研究所ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterreduction