李政 肖珍 趙恒 劉意中
常德學院 415000
在實際工程中,許多工程結構的構件由于修建年代已久遠,常出現承載能力不足的情況,需要加固來維護結構的安全。為了對古代木建筑進行加固,阿斯哈等[1]研究了對木梁加固的試驗;王磊[2]研究了混凝土加固梁抗彎性能;賀學軍等[3]研究了自鎖碳纖維間接加固混凝土框架中節點的抗震性能;陳超等[4]推導出了預應力CFRP 加固簡支梁的彈性力學解析解;周朝陽等[5]分析計算了貼片加固混凝土梁界面粘結剪應力;瞿爾仁等[6]對FRP 加固混凝土梁層間應力的彈塑性進行了分析;歐陽煜等[7]研究了粘貼片加固混凝土梁的粘接剪應力。在以上關于加固梁的研究文獻中,文獻[1]關注對木梁加固的試驗,文獻[2 -7]關注對混凝土梁加固的理論研究計算,但是都未討論剪力對均布載荷作用下加固梁彎曲變形的影響。經典材料力學理論[8,9]研究了加固梁的彎曲應力計算,但忽略了剪切對梁的影響?;谏鲜鲆蛩?,本文討論了剪切對均布載荷作用下加固梁彎曲變形的影響。
以圖1 所示均布載荷作用下加固梁為例,來討論剪切對加固梁變形的影響。
圖1 加固梁Fig.1 Reinforced beam
假設加固梁在純彎曲狀態下,其跨中截面應變滿足平截面假定,鋼板與原梁始終保持緊密連接,未發生剝離,處于共同受力狀態,且鋼板與原梁均滿足胡克定律。由材料力學可寫出加固鋼板及原梁純彎曲的正應力為:
式中:E1、E2分別為鋼梁、原梁的彈性模量;ρ為曲率半徑;y為梁截面上點至中性軸的距離。由材料力學可得梁的靜力方程為:
式中:b為梁截面寬度。
把式(1)代入式(2)中可得拉伸區、壓縮區的高度分別為:
式中:h為原梁高度;t為鋼板厚度。
利用材料力學可知梁的彎矩平衡方程為:
式中:M(x)為梁截面彎矩。
把式(1)代入式(4)中可得:
利用式(1)、式(5)可得不考慮剪切影響彎曲應力為:
假設加固鋼板較薄,可認為梁截面剪力全部由原梁承擔。由材料力學可知圖1 所示受壓區(-h2≤y≤0)的剪應力為:
式中:Q為梁截面剪力;下腳2c 代表原梁的壓縮區。
為推導原梁拉伸區(0≤y≤h1)的剪應力,以圖2所示加固梁微段為例,梁截面左邊軸向拉力為:
圖2 加固梁微段Fig.2 Micro-section of reinforced beam
同理,圖2所示加固梁微段右邊軸向拉力為:
由于圖2 所示加固梁微段靜力平衡方程為:
把式(8)、式(9)代入式(10)中可得原梁拉伸區的剪應力:
下面討論剪切對均布載荷作用下加固梁的彎曲應力及撓度的影響。
由彈性理論可知剪應力、剪應變、橫向位移、軸向位移關系為:
式中:i=1 代表鋼板,i=2t代表原梁拉伸區,i=2c代表原梁壓縮區;G2為原梁剪切彈性模量;ui為軸向位移;w為橫向位移。
把式(12)對y積一次分可得:
式中:Ci為待定常數。
加固梁的軸向位移連續條件為:
由于鋼板的剪應力τ1=0,因此把τ1=0、式(7)、式(11)代入式(13)中且利用式(14),可得加固梁的鋼板位移、原梁拉伸區位移、原梁壓縮區位移為:
考慮剪切影響時,可知加固梁的彎矩平衡方程為:
把式(16)代入式(17)中,可得加固梁彎曲微分方程為:
把式(18)代入式(16)中可得考慮剪切影響時,加固梁的彎曲應力公式為:
把式(19)對x積分可得考慮剪切影響時,加固梁的撓曲線表達式為:
式中:B1、B2為待定常數。
以圖1 所示簡支加固梁為例,利用式(19)、式(20)可得梁中點的最大彎曲應力及中點撓度分別為:
為了檢驗本文方法的計算精度,令E1=0、t=0、E2=E、G2=G,且利用可把式(21)、式(22)化為:
式(23)、式(24)與文獻[10]給出的結果是一樣的,而文獻[10]已利用彈性理論證明了式(23)、式(24)的計算精度是比較高的。
為了討論剪切對均布載荷作用下加固梁彎曲變形的影響,下面以圖1 所示加固梁為例。加固梁的計算參數為:E1=200GPa,E2=10GPa,G2=0.5GPa,b=0.15m,h=0.2m,t=0.012m,[σ1]=110MPa,[σ2]=8MPa。
把加固梁計算參數代入式(21)、式(22)中可得:
把式(25)、式(26)計算的結果列在表1、表3 中,以便討論分析。由式(25)、式(26)可知等號右邊第一項皆為材料力學解,在表1、表3括號內的數據皆為材料力學解。計算方法所得到的應力及撓度與材料力學解的誤差分別列于表2、表3 中。
表1 梁中點應力(單位:N/m2)Tab.1 Mid-point stress of beams(unit:N/m2)
表2 梁中點應力誤差(單位:%)Tab.2 Mid-point stress error of beams(unit:%)
表3 梁中點的撓度(單位:m)Tab.3 Mid-point deflection of beams(unit:m)
對表1~表3 進行分析可知:在相同均布載荷作用下,隨著長高比的增大,梁中點的正應力、撓度也逐漸增大。本文方法考慮剪切影響時計算出鋼板的拉應力、原梁的壓應力均大于材料力學解,即使長高比n=10 時(σ2t)max、(σ2c)max與材料力學解的誤差也超過了5%;本文方法考慮剪切變形影響時計算出梁中點撓度大于材料力學解,即使長高比n=10 時與材料力學解的誤差也有40%以上。由以上分析可知,在均布載荷作用下剪切對梁撓度、正應力都有較大的影響,其中剪切對梁撓度的影響更大些。以上分析說明材料力學解存在偏于不安全的問題,還應考慮剪切的影響。
1.相同均布載荷作用下,隨著長高比的增大,梁中點的正應力、撓度也逐漸增大。本文方法考慮剪切影響時計算出鋼板的拉應力、原梁的壓應力均大于材料力學解。
2.在均布載荷作用下剪切對梁撓度、正應力都有較大的影響,其中剪切對梁撓度的影響更大些。以上分析說明材料力學解存在偏于不安全的問題,建議還應考慮剪切的影響。