碳纤维加固砼构件的温度应力的研究

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1、碳纤维加固混凝土构件的温度应力的研究于天来逯彦秋王润建（东北林业大学，哈尔滨150040）摘要：本文推导了碳纤维加固混凝土构件温度应力的解析解，用Ansys软件对温度应力进行了仿真分析，并通过小梁试验数据对解析解和仿真分析进行了验证。关键词：碳纤维加固温度应力ResearchforTemperatureStressofConcreteStructureStrengtheningwithCFRPYUTianlai,LUYanqiu,WANGRunjian(NortheastForestryUnivers

2、ity,Harbin150040,China)Abstract：Inthispaper,analyticsolutionoftemperaturestressofconcretestructurestrengtheningwithCFRPisdiscussed.ThismodelissimulatedwithsoftwareofANSYS,andalsotheresolutionofanalyticandsimulationisverifiedwiththedataofsmalltestedbeams

3、.KeyWords：CFRP,strengthen,temperaturestress1问题的提出国内外学者对于碳纤维加固钢筋混凝土构件和混凝土构件的研究颇多，主要集中在碳纤维加固梁的抗弯性能、抗剪性能、疲劳性能及加固后梁的刚度等方面，但对于碳纤维加固钢筋混凝土构件及混凝土构件温度应力的研究却没有涉及。本文着重研究了在低温条件下碳纤维加固混凝土构件的温度应力。2温度应力的解析解在混凝土构件上缘粘贴一层碳纤维布，假设碳纤维布与混凝土构件可靠连接，粘结层在混凝土和碳纤维（以下简称CFRP）之间仅传递剪力，

4、CFRP、粘结层及混凝土之间没有相对滑移。由于碳纤维的膨胀系数是负向的，因而在降温温差作用下，在用两毗邻横截面mn和m1n1截取的任意单元上，碳纤维的内力为一压力P1和一力偶M1；混凝土的内力为一拉力P2和一力偶M2。由于碳纤维的截面惯性矩Ic，远远小于混凝土构件的截面惯性矩Ih，所以，碳纤维截面内力偶M1远远小于M2，可以忽略不计，构件截取单元受力图示见图1。P1M1m碳纤维m1M1P1P2M2hhM2P2nn1混凝土构件图1单元受力图示由于构件任一横截面上的内力平衡，因此有P1=P2=P和M1+M

5、2=由于M1远小于M2，忽略M1，所以M2=（1）由材料力学可知M2=（2）将（1）代入（2），得到：=（3）根据变形协调条件，结合面处变形必须相等，同时由于碳纤维厚度很小，忽略其本身的弯曲变形，所以有：－=－+（4）将上式变形后得：（）－=P（+）（5）由式（3）与式（5）可求得P=（6）M2==（7）==（8）碳纤维的应变等于P产生的压应变、温度应变及由于曲率产生的拉应变之和（由于碳纤维厚度很小，此项忽略）：=－（9）混凝土上边缘应变等于P产生的拉应变、温度应变及由于曲率产生的拉应变之和：=－+（

6、10）混凝土下边缘应变等于P产生的拉应变、温度应变及由于曲率产生的压应变之和：=－－（11）碳纤维的压应力=（12）混凝土上边缘的拉应力=+（13）混凝土下边缘的应力=－（14）公式中符号的意义：——曲率半径；——混凝土的热膨胀系数；——碳纤维的热膨胀系数；——碳纤维弹性摸量；——混凝土弹性摸量；——构件横截面面积；——降温温差。3试验概况为分析碳纤维加固混凝土梁的温度应力，本试验共制作了4个试件，试件编号依次为A-1，A-2，A-3，A-4，其中A-1，A-2，A-3为试验试件，A-4为温度补偿试件

7、。试件横断面尺寸为15×15cm,长度为55cm,混凝土标号为C30。混凝土的弹性摸量Eh=3.0×104Mpa，温度膨胀系数αh=1.0×10-5。待混凝土龄期达到28天后，在每个构件表面沿梁长方向贴一层碳纤维布。碳纤维布采用AEC200碳纤维贴片，碳纤维厚度为0.11mm，其纵向温度膨胀系数αc=-1.4×10-6，弹性摸量EC=2.35×105Mpa。胶层的底漆采用AECP胶，主涂采用AECR胶。为保证试件在温度变化时能自由伸缩，在试验梁的两端梁底面各粘一玻璃片，然后将试验梁水平放置于两个的圆钢

8、上，两个圆钢之间的距离为50cm,以模拟真实的支承条件。试验时将试验梁置于恒温冰柜中，补偿试件置于20oC的恒温箱中。试验温度为-40oC。待梁冷却9h后，每30分钟读一次测点的应变读数，共读取三次，三次的平均读数见表1。试验测点布置情况见图2。对三个构件同一位置测点应变试验值进行统计分析，结果见表1。图2测点布置图注：图2中，尺寸单位为cm，测点断面编号自左至右依次为1-1,2-2,3-3,4-4,5-5，N1为相应断面上的碳纤维应变测点，N2-N4为