FRP片材加固带裂缝老旧混凝土重力坝的方法技术

本发明专利技术属于结构工程和水利水电工程技术领域，提供的是一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝的计算方法。方法中考虑FRP片材与坝体混凝土界面之间滑移和无滑移条件下，给出了旧混凝土重力坝产生裂缝时需要的最大剪应力τmax的计算方法，并建立了FRP片材与坝体混凝土之间的粘结-滑移模型，推求了产生裂缝需要的最大剪应力τmax和加固后的混凝土坝体最大抵抗力之间的数学表达式。该方法给出了FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体设计的具体实施步骤，能够用于FRP片材修复旧混凝土重力坝裂缝的计算分析。

Method for reinforcing old concrete gravity dam with cracks by using FRP sheets

The invention belongs to the technical field of structural engineering and water conservancy and Hydropower Engineering, and provides a calculation method of an old concrete gravity dam with a FRP sheet reinforcement for working with cracks. In considering the slip between FRP sheet and concrete interface and no slip conditions, given the old concrete gravity dam cracks when the maximum shear need calculation method of stress is Max, and the establishment of a bond between the FRP sheet and the concrete dam slip model, deduced the mathematical expression between Max force generated and after reinforcement the maximum resistance of the concrete dam maximum shear crack need. The method provides concrete steps for the design of the old concrete gravity dam with cracks strengthened with FRP sheets, and can be used for the analysis and calculation of the cracks in the old concrete gravity dam repaired with FRP sheets.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是涉及结构工程和水利水电工程
的一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体设计方法。
技术介绍
由于旧混凝土重力坝坝体承受温度荷载、坝体运行环境水位的周期性变化、坝体混凝土干缩作用、冻融循环效应等多因素的影响，极易引起坝体出现大量张性或剪切裂缝，给大坝正常使用与安全运行造成巨大隐患。FRP片材因具有轻质高强、耐腐蚀等优点，通过环氧树脂将其粘结至带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体表面，能够有效地抑制混凝土裂缝的扩展，达到修复和加固老旧混凝土重力坝的基本目的。过去，更多的研究是关注于FRP片材加固混凝土梁、柱等小构件，以及片材的宽度和间距设置条件。然而，FRP片材加固大体积混凝土构筑物的研究尚不多见，FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的设计理论与计算方法更是未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的设计方法，它提供一种采用FRP片材修复和加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝的有效技术手段，用于FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝的设计依据。通过对FRP片材受力分析建立其静力平衡方程，结合FRP片材应力-应变关系，求解得到混凝土坝体裂缝处最大剪应力τmax；考虑FRP片材与混凝土之间滑移变形破坏的影响，由FRP片材与混凝土之间粘结-滑移(δ-τ)本构模型，获得修正后裂缝处混凝土的最大剪应力τmax和剥离承载力Pu；根据裂缝处FRP片材的受力平衡条件，推算出粘结FRP片材的合理宽度bf和间距df。本专利技术方法包括三方面内容，如下：(1)带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体产生裂缝时剪应力计算方法加固前，外荷载作用下旧混凝土重力坝坝体已产生有裂缝。采用FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝后，其并不能够立即分担荷载，而是在新增荷载作用下FRP片材才开始受力。FRP片材中应变始终滞后于混凝土坝体的累积应变。计算时假设了FRP片材拉应力σf与拉应变εf满足关系σf=Efεf，并且FRP片材与混凝土基层间无滑移，FRP片材变形为线弹性的。由附图1，FRP片材的受力分析可知，其剪应力表述为：τ(x)＝tp·dfp(x)／dx，其中fp(x)为拉力，tp为FRP片材厚度。经计算得到在不考虑滑移条件下FRP片材承受的剪应力表达式，如下：τ(x)=tp[b3Acosh(Ax)-b3Asinh(Ax)+2b1x+b2]]]>其中，A=GatatpEp,b1=ya1EpItrEc,b2=yEPItrEc(2a1L0+a2),b3=Ep[yItrEc(a1L02+a2L0+a3)+2b1tatpGa]]]>当x=0时，剪应力达到最大，即(2)考虑界面粘结-滑移变形时最大剪应力计算方法利用FRP片材与混凝土表面相互作用的粘结-滑移(δ-τ)本构关系模型，可以得到FRP片材与混凝土表面之间的滑移量s与FRP片材应变ε的函数关系：ε＝f(s)=A[1-exp(-B·s)]对上式求导得到：τ=Eftfdϵdx=Eftfdf(s)dsf(s)]]>式中，Eftf为FRP片材的刚度。根据变形能和剥离承载力的概念，得到考虑粘结滑移变形时最大剪应力τmax=0.5BGf，其中，B=6.846(Eftf)0.108(Ga／ta)0.833，Gf=0.446(Ga／ta)-0.352fc0.236(Eftf)0.023。(3)粘贴FRP片材宽度bf与FRP片材间距df的确定方法根据上述提供了计算最大剪应力τmax的两种方法，选择最危险的情况，即取τmax较大值进行确定粘贴FRP片材宽度bf与FRP片材间距df。针对旧混凝土重力坝表面主要裂缝或裂缝群取一典型矩形作为分析单元，计算加固所需的FRP片材合理粘结宽度bf与FRP片材间距df。主要计算方法如下：将计算得到的最大剪应力τmax代入下式可得到剪力Vf：Vf＝kfτmaxAfb式中，kf为系数，建议取0.45；Afb为粘结面积，Afb=ntfwf；n为FRP的层数；wf为有效宽度，通过wf=L-Le得到，其中，L为FRP片材实际长度，Le为有效计算长度，可按公式Le=Eftf/fc′]]>估算。矩形带的计算单元内，FRP片材间距df应不超过裂缝水平投影长度的一半，如此才能确保任何情况下至少有两条FRP片材与裂缝相交，其中至少一条可起作用，即间距df应满足下式：df≤df,max=h2tanα]]>式中，h为矩形条状带计算单元的计算高度；α为FRP片材与坝面所成的锐角。随着受力不断增大，当达到其有效粘结长度能提供的最大应力时，该处条带开始出现滑移，因此利用下式可推算并得到合理的FRP片材宽度bf和间距df。Vf=vDfkmntfbfC-C1dfsinα]]>式中，v为初试荷载修正系数；Df为纤维有效应力折减系数，Df=1-sinα·Le／(h-h1)；C=0.6mh0，m为最大剪应力τmax距坐标原点距离与矩形条状单元计算长度之比；C1＝Ch1／h。本专利技术具有以下有益效果：FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体主要基于FRP片材的静力平衡方程、应力-应变关系及大量试验结果与数值模拟结果建立的，用来合理确定FRP片材粘结宽度bf与FRP片材间距df。本专利技术为结构工程和水利水电工程等多学科交叉的研究成果，据此提出了一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的设计方法，确保了FRP片材与混凝土之间具有高效的粘结作用，能够有效地提高旧混凝土重力坝的工作性能，避免了混凝土坝体裂缝进一步扩展，解决了温度荷载、水压力、冻胀力作用等诸多因素下混凝土重力坝产生裂缝的修复问题，并可用于指导制定合理的旧混凝土重力坝裂缝加固施工方案。附图说明图1是本专利技术涉及到的FRP片材受力示意图。图2是本专利技术涉及到的旧混凝土重力坝裂缝及FRP修复示意图(FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体示意图)。图3是本专利技术涉及到的矩形带计算单元详图。具体实施方式本专利技术还给出了FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的实施步骤，如下。(1)不考虑FRP片材与坝体混凝土之间的滑移效应，通过建立的相应方法，得到带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体产生裂缝时最大剪应力。(2)借助FRP片材与坝体混凝土界面的粘结-滑移(δ-τ)本构关系，利用粘结滑移模型，获得考虑界面粘结-滑移变形时带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体产生裂缝时最大剪应力，取上述两种方法计算得到的最大剪应力的较大值，作为FRP片材设计与施工的依据。(3)选取旧混凝土重力坝表面主要裂缝的典型矩形作为分析单元，建立单元上所需的最大剪应力与FRP片材提供的作用合力，并保证布置的FRP片材间距df不超过裂缝水平投影长度的一半，进而获得加固裂缝混凝土坝体所需的FRP片材粘结宽度与FRP片材间距。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的设计方法，其特征在于根据FRP片材受力条件建立相应的静力平衡方程，并结合FRP片材的应力‑应变关系，推算出旧混凝土重力坝产生裂缝需要的最大剪应力。

【技术特征摘要】
1.一种FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体的设计方法，其特征在于根据
FRP片材受力条件建立相应的静力平衡方程，并结合FRP片材的应力-应变关系，推算出旧混
凝土重力坝产生裂缝需要的最大剪应力。
2.根据权利要求1所述的FRP片材加固带裂缝工作的旧混凝土重力坝坝体设计方法，其
特征在于所述的混凝土与FRP片材接触面粘结-滑移模型和双线性模型，可以模拟FRP片材
与旧混凝土重力坝坝体表面发生滑移变形时产生的最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐亮，凌贤长，田爽，于程一，咸贵军，
申请(专利权)人：凌贤长，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23