钢筋混凝土桥墩的结构行为与FRP包裹恢复

文摘

使用纤维增强聚合物(FRP)包装改造和加强现有的结构如钢筋混凝土桥墩越来越受欢迎由于更高的抗拉强度,耐用性和灵活性得到和方法的简化处理,安装和维护成本低。然而,迄今为止,很少有指南开发确定最优厚度的FRP封装应用于混凝土或砌体结构的外表面。在这项研究中,非线性推覆有限元分析是用来分析复杂结构的行为FRP-wrapped钢筋矩形桥墩。设计参数如码头部分尺寸,码头的高度,墩帽长度、混凝土的抗压强度和厚度的FRP封装使用增量横向和竖向荷载下全面测试。结果提供有用的指导分析和设计合适的FRP封装现有的混凝土桥墩。

1。介绍

使用纤维增强聚合物(FRP)包装改造和加强现有的混凝土或砌体结构恶化是有吸引力的,因为这些轻质材料提高抗拉强度,耐久性,和灵活性,易于处理,安装和维护成本较低1]。玻璃钢材料也越来越多地用于提高或恢复承载力,韧性,广泛的结构的抗震稳定性。FRP板或层压板是由单轴纤维在各种纤维安排如0°、90°、45°0°、90°/ + /−45°克服单轴各向异性行为的FRP封装和嵌入在一个环氧树脂矩阵1]。许多不同的纤维,包括碳、芳纶、玻璃、玄武岩,或可以使用天然纤维。因此产生的FRP封装的属性可以使用各种优化安排和材料强度、刚度、延性要求一个特定的应用程序。结构的类型,例如,是否由横梁、列、和/或石板,也必须加以考虑。

大量的研究(2- - - - - -6)已经完成调查获得的好处是通过应用玻璃钢材料码头结构,但还没有详细的设计指导方针已经开发的最佳厚度FRP包裹。还有没有评估报告的结构影响FRP封装为钢筋混凝土桥墩或列。尽管美国混凝土协会(ACI) [7)为非圆形混凝土柱提供了一些指导方针,它不容易预测的码头和栈桥帽之间的交互使用当前ACI码头系统的指导方针。因此本研究专注于现有钢筋混凝土桥墩的改造和康复使用碳基玻璃钢。图1表明FRP封装通常应用于现有的钢筋混凝土柱(1,8),通常做来提高结构的抗剪强度。本研究调查的影响FRP封装在不同的重要的结构特点,如刚度、强度和延性。本研究的主要目的是评估FRP封装的最佳厚度和现有矩形混凝土桥墩产生的结构性影响。准确的信息在FRP封装所需的厚度不同类型及条件结构必不可少的设计者和实践者在选择玻璃钢系统的性能能满足他们的需求。

(一)剪切强化FRP包裹[1]

(b)结构技术,https://www.vsl.net/service/strengthening [8]

(c)典型的应力-应变曲线为纤维,矩阵,钢、玻璃钢复合材料

2。背景

全球基础设施元素近年来被认为是结构缺陷由于恶化,一些成为功能过时由于增加负荷预计他们将携带。在退化的情况下桥梁结构这可能是一个昂贵的运动作为整个子结构的经常是必要的,不仅是上层建筑,拆除和更换。考虑到费用和时间长度为新建设,正在尝试翻新和改造现有子结构,这可以是一个可行的选择在以下情况下:公路桥梁重新成为行人或动物的桥梁;桥梁施工需要加速;和现有的子结构的拆迁将产生严重不利影响当地的生态环境。

使用玻璃钢材料进行改造和加强混凝土结构恶化已经成为一个越来越有吸引力的主张因其优越的特点。玻璃钢复合材料是由纤维层嵌入在一个树脂矩阵:纤维提供强度和刚度矩阵(通常一个环氧树脂)保护磨损或损坏的纤维和纤维之间的转移压力。图1 (c)显示了一组典型的应力-应变曲线为单独纤维和矩阵和由此产生的玻璃钢复合材料。图表明,FRP复合材料的应力-应变曲线下降的纤维和基质之间的曲线。玻璃钢复合材料的性质是影响纤维质量、方向和形状,体积比,和生产条件和生产的玻璃钢产品板块的形式,表或棒。如果操作正确,FRP封装现有的钢筋混凝土柱的应用将会增加他们的力量以及他们通过封闭混凝土延性,从而诱导三轴应力混凝土结构内。的总体影响FRP封装添加到列或码头应该,然而,评估通过考虑结构系统作为一个整体,包括桥墩墩帽,而不是测试只是一个孤立的列。墩,墩帽之间的复杂的相互作用与各种加载和几何条件需要彻底调查确认安装玻璃钢的有效性或包装。

3所示。分析研究

3.1。玻璃钢材料

碳基玻璃钢材料中使用的例子在ACI 440.2 r-08 [7在这项研究中也利用;它们的属性表中列出1。每个玻璃钢厚度的叠层顺序被认为是平衡,例如,0°、90°或0°、90°/ + 45°/−45°;因此假设每个玻璃钢厚度的各向异性行为抵消在每个样本和FRP包裹被认为是灵活的表。应力-应变曲线在图1 (c)显示,玻璃钢复合材料有更高的极限强度比钢和低应变为失败。


每层厚度	0.033厘米(0.013英寸)。
极限抗拉强度	3792 MPa (550 ksi)
断裂应变	0.0167厘米/厘米
弹性模量	227 GPa (33000 ksi)
泊松比	0.3
热膨胀系数
剪切模量	87 GPa (12692 ksi)

3.2。有限元模型

SAP2000有限元分析软件(9)是用来执行一个非线性增量分析结构元素的这个软件是一种最常用软件系统由桥梁工程师对公路桥梁的非线性静态分析10]。Shatarat et al。11)评估的影响塑性铰四老公路桥梁通过铰链模型和推覆分析在SAP 2000。他们的研究,然而,仅限于挠曲传统钢筋混凝土桥墩主导。Kulkarni和迪是罢市12]分析了现有桥梁使用非线性推覆分析通过SAP 2000。他们的研究被认为是两个垂直和横向推覆分析。卡珀斯et al。13)执行各种容易推覆分析等分析,模态推覆分析,非线性时程分析使用SAP 200和得出结论,这三种方法产生类似的墩顶最大非弹性位移。2000年SAP软件,为推覆分析非线性结构的行为结构组件可以通过非线性模拟预定的塑性铰属性根据加州运输局铰链模型(14)和联邦应急管理局(15,16]。因此,本研究采用这些塑性铰模型通过SAP 2000。此外,非线性材料属性被认为是对混凝土和玻璃钢材料的失效机理研究中这些码头系统是高度非线性的影响每一个结构材料(17]。

有限元模型示意图如图2。如图所示的二维框架系统2(一个)代表一个典型的安排两个码头及其相关墩帽。皮尔斯的底部边界条件假定为固定的,和增量垂直和水平载荷分别pier-pier帽系统上的应用。梁元素用于码头和栈桥帽,这两个方钢,如图2 (b)。典型的变形形状码头系统横向荷载如图2 (c)。注意,FRP封装如图2 (b)仅适用于墩,墩帽。足够的输入非线性材料特性的有限元分析是至关重要的评估整个码头系统的复杂非线性结构行为。图3显示了FRP包裹非线性材料特性和混凝土中使用的分析。玻璃钢的行为被认为是相同的拉伸和压缩负荷,和混凝土的抗压和抗拉行为假定为如图3 (b)。码头系统的各种配置和部分测试如表所示2。在这里,一个码头系统与码头的高度, ,这是超过桥墩承台的长度, ,分类为纤细的码头系统,而码头系统的桥墩承台()长于码头的高度()被认为是宽码头系统。典型的维度给码头,码头帽,从信息桥梁和码头部分采用美国佐治亚州和覆盖大多数码头系统的上下边界。


类型	(m)	(m)	码头部分 (m×m)

纤细的码头系统 ()	6	9	0.9×0.9
			1.2×1.2
			1.5×1.5
			1.8×1.8

纤细的码头系统 ()	6	12	0.9×0.9
			1.2×1.2
			1.5×1.5
			1.8×1.8

纤细的码头系统 ()	9	12	0.9×0.9
			1.2×1.2
			1.5×1.5
			1.8×1.8

宽码头系统 ()	9	6	0.9×0.9
			1.2×1.2
			1.5×1.5
			1.8×1.8

宽码头系统 ()	12	6	0.9×0.9
			1.2×1.2
			1.5×1.5
			1.8×1.8

(a)几何、载荷和边界条件的结构

(b)广场码头部分细节的例子

(c)在横向负载下典型的变形形状

(一)碳基玻璃钢包装(单位压力:ksi)

(b)混凝土(= 6000 psi (41.4 MPa))

3.3。推覆分析

本研究采用非线性静态推覆分析评估的所有阶段的失效机理与玻璃钢钢筋混凝土桥墩恢复包装。静态推覆分析通常是用来估计结构的结构性能受到地震通过静态非弹性分析(9),应用增量式侧向加载代表地震诱发的力量。在这项研究中,增量载荷应用顶部的左手码头,如图2(一个)。阴谋的基底剪力或反应与横向或垂直位移监测节点相关联的生产能力的码头系统是由荷载位移曲线。因此分析探讨了极限强度、刚度和延性能力,具体的码头系统配置。

4所示。分析结果和讨论

4.1。垂直加载应用程序

码头系统的结构稳定性进行了研究,运用增量垂直载荷的左手码头作为不对称负荷条件提供保守的结果。所有码头部分是方形的,尺寸从0.9 m×0.9米到1.8米,1.8米,下表2。桥墩的高度(H)和桥墩承台的长度()采取的是6米(19.5英尺)和12米(39英尺),分别。混凝土的抗压强度调查21 MPa (3000 psi), 28 MPa (4000 psi), 34 MPa (5000 psi), 41 MPa (6000 psi),涵盖最典型的用于高速公路桥墩混凝土的抗压强度。碳FRP包裹被的厚度是3.3厘米(1.3英寸,100层),这被认为是相对较厚。因此,最终影响FRP包裹的强度、刚度、变形能力可以通过本研究评估。垂直荷载位移历史可以策划评估码头系统的强度、刚度和变形能力。图4显示了码头系统的结构性能由0.9米,0.9米码头进行增量垂直载荷。皮尔斯包裹的玻璃钢复合材料是比那些没有玻璃钢表。如图4,码头系统的终极优势保持不变时,皮尔斯与FRP包裹恢复,和这一趋势是一致的所有压缩加载测试,这表明厚FRP包裹没有增加码头系统的抗压极限强度。然而,刚度,这被定义为斜率的线性区域-位移响应,大约双打与FRP应用程序在所有情况下。只要负载需求不变的预期用途码头系统,它可能不是必要的,以增加其强度极限。刚度的增加将提高系统的结构稳定性,这很可能与期望的利益可以通过获得FRP封装应用程序。

(一)= 21 MPa (3000 psi)

(b) = 28 MPa (4000 psi)

(c) = 34 MPa (5000 psi)

(d) = 41 MPa (6000 psi)

对于系统具有更大的码头断面,数据在数据5- - - - - -7确认的最终力量码头系统不改变安装玻璃钢的包装。有趣的是,系统的刚度约双打在任何情况下,除了最大的码头部分,1.8米,1.8米,仅显示一个码头没有FRP封装相比增长50%。

(一)= 21 MPa (3000 psi)

(b) = 28 MPa (4000 psi)

(c) = 34 MPa (5000 psi)

(d) = 41 MPa (6000 psi)

(一)= 21 MPa (3000 psi)

(b) = 28 MPa (4000 psi)

(c) = 34 MPa (5000 psi)

(d) = 41 MPa (6000 psi)

(一)= 21 MPa (3000 psi)

(b) = 28 MPa (4000 psi)

(c) = 34 MPa (5000 psi)

(d) = 41 MPa (6000 psi)

4.2。横向荷载细长码头系统的应用程序

遵循同样的步骤,所述垂直负荷情况下,模型设计和横向荷载。由于横向加载桥的性能非常重要,仔细看看不同玻璃钢性能的影响,特别关注厚度、分层和材料。

增量侧向加载应用顶部的左手码头评估预期的细长码头系统的性能。至于垂直加载情况下,横向荷载位移曲线绘制辨认终极力量,刚度和变形能力的细长码头系统。

图8显示了不同FRP包裹厚度对结构的影响细长的码头系统的性能= 6米,= 9米。两个码头部分,0.9米,0.9米和1.2米,1.2米,被追究玻璃钢厚度从0到6.6厘米。如数据所示8(一个)和8 (b),刚度和纤细的码头系统的终极优势增加的FRP封装。特别是FRP包裹厚度大于3.3厘米显然提高了刚度和最终系统作为一个整体的优势。类似的趋势显示在其他两个细长的系统测试:即= 6米,= 12米(图9),= 9米,= 12米(图10)。使用的抗压强度曲线如图8- - - - - -10是41 MPa (6000 psi)。

(一)码头部分:0.9 m×0.9 m

(b)码头部分:1.2 m×1.2 m

(一)码头部分:0.9 m×0.9 m

(b)码头部分:1.8 m×1.8 m

(一)码头部分:0.9 m×0.9 m

(b)码头部分:1.2 m×1.2 m

4.3。横向荷载大码头系统的应用程序

宽码头系统比也追究各种厚度的FRP包裹。如图11系统的刚度,又增强了FRP封装的。终极大码头系统的优势= 9米,= 6米大大增加,尽管某些情况下并未达到收敛由于错误。的终极力量的宽与码头码头系统部分1.2 m×1.2 m(图12)是不成比例地增加的厚度相对于FRP封装应用。最大的宽码头部分测试(1.5 m×1.5 m)表现出只有一个微不足道的对极限强度的影响,除了最厚的玻璃钢测试,6.6厘米。总的来说,大码头系统的中间断面尺寸1.2米,1.2米的顺序可能与FRP包裹从康复治疗中获益,特别是细长码头系统相比,获得的好处是不太明显。

(一)码头部分:0.9 m×0.9 m

(b)码头部分:1.2 m×1.2 m

(一)码头部分:0.9 m×0.9 m

(b)码头部分:1.2 m×1.2 m

(c)码头部分:1.5 m×1.5 m

4.4。总结FRP封装结构的影响

的结构影响FRP包裹码头系统进行增量横向载荷图进行了总结13码头的一段0.9米,0.9米,它建立在数据中提供的数据提供的见解8- - - - - -12对于所有码头部分尺寸。屈服点不清楚,某些情况下表现出多个屈服点,在图中定义(13日)屈服点,刚度,1日,2日屈服点,极限强度分别评估提供深入的分析应用FRP封装的结构影响到码头系统。如图13 (b)、宽码头系统的影响更强烈的FRP包裹比苗条码头系统。然而,1号和2号码头系统的产量优势不显著改变甚至随着FRP包裹的厚度增加。检查最终的优势如图13 (e)更广泛的码头系统是唯一一个强烈玻璃钢厚度的影响。

(一)符号

(b)刚度()

(c) 1日屈服强度()

(d) 2日屈服强度()

(e)极限强度()

5。简化- - - - - -交互图

5.1。ACI程序

ACI提供总体指导原则的分析和设计的钢筋混凝土柱与FRP包裹周围的每个成员的横截面积7]。根据他们的推荐过程中,轴向和弯曲行为之前和之后的康复应该分析通过计算交互图玻璃钢和之前之后,然后比较结果。

- - - - - -交互图构造平衡原理和应变兼容性的基础上传统的钢筋混凝土柱,考虑FRP-wrapped钢筋混凝土的应力-应变关系(18]。他们可以减少两个双线性曲线通过以下三个点(7]:(我)点(纯压缩)约束混凝土的均匀轴向压缩应变(2)B点的应变分布对应于零应变(3)点C的应变分布对应于平衡失败,最大压应变,产生拉伸应变

FRP-wrapped混凝土与现有钢拉钢筋,的值对应点如下: 点的坐标可以计算B和C 系数一个,B,C,D,E,F,G,H,我在这些方程可以计算出从ACI 440.2 r (7Eq (d 3)]。设计的例子反映出推荐ACI程序下面的小节中介绍。

展示这些ACI过程的主要目的和设计例子强调理论方法之间的区别仅仅是考虑孤立列成员和有限元方法,考虑整个系统,包括码头和栈桥帽。

5.2。设计的例子

非圆形钢筋混凝土柱与方形截面尺寸0.3米,0.3米或0.6米,0.6米包含# 10钢筋选择检查玻璃钢缠绕的贡献在轴向和弯曲性能在不同情况下应用。ACI程序使用Excel编程开发简化- - - - - -交互图对各种混凝土的抗压强度、钢筋的数量,数量的玻璃钢层。图14显示简化- - - - - -交互图,矩形钢筋混凝土柱都有或没有各种玻璃钢。请注意,混凝土的抗拉强度在这些图中是被忽视的。分析的设计参数被认为是码头部分的大小和上面列出的变量,即混凝土的抗压强度,钢筋使用量,玻璃钢层的数量。

(一)码头尺寸:0.6米,0.6米,= 12,,= 6500 psi

(b)码头尺寸:0.6 m×0.6 m, = 12 = 4 = 4000 psi

(c)码头尺寸:0.3 m×0.3 m, = 12, = 3 = 6500 psi

(d)码头尺寸:0.3 m×0.3 m, = 12, = 3 = 4000 psi

图14显示了力量增强由于包含的FRP包裹compression-controlled区。大的码头部分0.6 m×0.6米(数据(14日)和14 (b))相比显著增强优势较小的0.3 m×0.3 m皮尔斯(数字14 (c)和14 (d))。

6。结论

本文提供的分析研究码头系统相比FRP-wrapped广场组成的钢筋混凝土柱,墩帽来评估结构效应引起的玻璃钢材料的应用。一个非线性推覆分析是结合有限元方法实现;ACI程序和例子也提出了比较。各种配置的码头系统被认为是最实用的情况下。垂直和水平荷载位移曲线来估算生产极限强度,刚度、屈服强度、变形产生的码头系统的能力。以下的结论可以从这种分析的结果。(1)有限元模型为本研究成功开发评估码头和码头之间的复杂交互帽与FRP封装的,克服现有理论方法的局限性。弹性、屈服,最终,postfailing阶段被考虑容易评估非线性材料属性和几何非线性。(2)垂直增量荷载作用下码头系统的刚度翻了一倍的FRP封装厚度为3.3厘米。然而,极限强度没有明显变化。总的来说,FRP封装的应用提高了码头系统的垂直稳定由于刚度的主要改进。(3)码头系统的极限强度和刚度在增量横向负载下增加由于FRP包裹。大码头系统中间横截面的大小顺序为1.2 m×1.2 m尤其适合康复与FRP包裹,获益大大超过细长码头系统。(4)这里给出的设计例子计算根据ACI的推荐程序确认引起的强度增强玻璃钢应用程序完全在于compression-controlled地区,这是一个理论方法的局限性。这种限制意味着,混凝土的抗拉强度的影响,通常被忽视的简化- - - - - -交互图正常使用,可以很容易地考虑使用本文中给出的有限元分析。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由2016年乔治亚南方大学高级项目,2017年汉城国立大学邀请杰出学者,项目和资助由土地、基础设施和运输(MOLIT)韩国机构基础设施技术进步(KAIA) (17 ctap-c132633-01)。

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