（固体力学专业论文）增强构件纤维薄板参数优化研究.pdf

摘要 摘要 本研究以碳纤维薄板 ( c f l ) 增强钢筋混凝土 ( r c ) 构件的破坏模式分析及 承载力的计算着手， 采用理论推导与实验验证相结合的方法， 探讨c f l 增强r c 梁 的力学性能及其破坏机理，分析c f l 增强r c 梁承载力的影响因子，理论推导c f l 粘贴长度和厚度与增强梁承载力关系的计算公式，并为c f l 加固r c 结构的 优化设 计提供理论依据。本文主要研究内容及结果如下: 首先， 本研究通过对以 往碳纤维薄板加固混凝土结构力学性能基本实验结果 的分析， 得到了构件承载力与纤维薄板粘贴长度及厚度的定性关系; 通过对c f l 试验梁的破坏现象进行分析，提出了纤维薄板增强梁破坏模式的力学计算模型。 其次， 根据上述分析模型， 研究了 碳纤维薄板增强梁的破坏模式与c f l 粘贴 长度及板厚的关系。本研究分别从应力集中和最大破坏应力着手， 对纤维薄板粘 贴末端和跨中截面进行应力分析，得到了c f l 增强梁破坏模式区间的计算公式， 给出了理论判断c f l增强梁破坏模式的方法。 然后，对上述c f l增强梁破坏模式的主要影响因子进行分析，分别给出了 c f l粘贴长度与增强梁承载力的关系式、以及 c f l厚度与增强梁承载力的关系 式，并进行了实验验证。 最后， 综合考虑c f l 粘贴长度和c f l 厚度对增强梁承载力的祸合影响， 给 出了 增强梁承载力与c f l粘贴长度和c f l厚度的关系式，并对纤维薄板增强混 凝土梁的优化设计提出了初步的设想和研究工作建议。 关键词: 纤维薄板;优化;破坏模式;混凝土梁;承载力 本文工作属于国 家自 然科学基金项目( 编号:1 9 9 7 2 0 2 0 , 1 0 2 7 2 0 4 7 ) 和广东 省自 然科学基金项目( 编号: 9 9 0 5 6 7 , 0 2 0 8 5 6 )的部分研究内容。 华南理工大学硕士学位论文 abs t ract t h i s r e s e a r c h t a k e s t h e f a i l u r e m o d e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( r c ) m e m b e r s s t r e n g t h e n e d w i t h c a r b o n f i b e r l a m i n a t e ( c f l ) ， e v a l u a t i o n o f l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y a s o b j e c t i v e , u s i n g t h e o r e t i c a n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d , w h i c h e x p l a i n s t o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d f a i l u r e m e c h a n i s m a b o u t r c m e m b e r s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l . t h e i n f l u e n c e f a c t o r t o l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e r c m e m b e r s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l , s o t h a t g e t s f o r m u l a b e t w e e n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e r e i n f o r c e d m e m b e r s w i t h l e n g t h a n d t h i c k n e s s o f c f l , t h a t g e t s t h e o r y t o o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f t h e r c m e m b e r s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l . t h e m a i n r e s e a r c h c o n t e n t s a n d r e s u l t s a r e a s f o l l o w s : f i r s t l y , a r e v i e w o f s o m e b a s i c e x p e r i m e n t s o f t h e r c b e a m s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l i s c a r r i e d o u t . a n d t h e n o n - m e n s u r a b l e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e s t r e n g t h e n e d r c m e m b e r s w i t h t h e t h i c k n e s s a n d l e n g t h o f c f l i s d i s c u s s e d , b a s e d o n e x p e r i m e n t a l f a i l u r e p h e n o m e n a . a n d t h e n , a r e a s o n a b l e a s s u m p t i v e r e l a t i o n s h i p a n d a m e c h a n i c a l a n a l y s i s m o d e l f o r t h e f a i l u r e m o d e s o f t h e r c b e a m s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l a r e e s t a b l i s h e d . s e c o n d l y , e f f e c t s o f t h e t h i c k n e s s a n d l e n g t h o f c f l o n t h e f a i l u r e m o d e s o f t h e r c b e a m s a r e d i s c u s s e d b a s e d o n t h e a b o v e a n a l y s i s m o d e l . t h i s r e s e a r c h t a k e s f o c u s o n s t r e s s c e n t r a l i z a t i o n a n d m a x i m a l f a i l u r e s t r e s s , t o c a r r y o u t s t r e s s a n a l y s e s a t t h e a r e a s o f t h e e n d o f c f l a n d m i d - s p a n s e c t i o n . s o t h a t c a n l e a d t o e s t a b l i s h a t h e o r e t i c f o r m u l a f o r c o m p u t i n g t h e t h i c k n e s s a r e a w h i c h i s r e l a t i o n t o t h e f a i l u r e m o d e o f t h e m e m b e r s , a n d p r o p o s e a m e t h o d f o r e s t i m a t i n g t h e o r e t i c a l l y t h e f a i l u r e m o d e o f t h e m e m b e r s . i i abs t r act t h i r d l y , s o m e m a i n f a c t o r s f o r t h e a b o v e f a i l u r e m o d e s o f t h e r c b e a m s s t r e n g t h e n e d w i t h c f l a r e a n a l y z e d , t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e s t r e n g t h e n e d r c m e m b e r s w i t h t h e t h i c k n e s s o f c f l a n d t h e l e n g t h o f c f l a r e o b t a i n e d r e s p e c t i v e l y . a n d t h e n , t h e s e r e l a t i o n s h i p s f i n a l l y , a r e v e r i f i e d b y t e s t s . a c o u p l i n g e f f e c t o f t h e l e n g t h a n d t h i c k n e s s o f c f l o n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e m e m b e r s i s c o n s i d e r e d . a n d a f o r m u l a o f t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y , p , w i t h t w o p a r a m e t e r s a s c o 呻u t i n g t h e l e n g t h a n d t h i c k n e s s o f c f l i s g i v e n t o d i s c u s s t h e o p t i m i z i n g d e s i g n f o r t h e s t r e n g t h e n e d r c b e a m s . f u r t h e r m o r e , t h e a p p l i e d f o r e g r o u n d a n d t h e f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n a r e s u g g e s t e d . k e y w o r d s : c a r b o n f i b e r l a m i n a t e ( c f l ) : o p t i m i z a t i o n ; f a i l u r e m o d e ; r c b e a m s ; l o a dc ar r yi ngc a p a c i t y i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的 研究成果。 除了 文中 特别加以 标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: , i -i - 日 期 :v o 耸 ， 明 /日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “ j ) 作者签名: 导师签名: 日 期:7n 9 年 i z 月 r日 日 期: 秘 今 年 1 2 月 2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1引言 二十世纪中后期特别是改革开放以来， 我国公路桥梁以 及房屋建筑业有了飞 速发展。到2 0 0 0 年底，我国公路桥梁总数己达2 7 . 8 8万座，计1 0 3 1 . 2 万延米 。 同时， 为适应高等级公路向山区延伸和跨越江河湖海的需要， 各种类型的大跨度 桥梁也得到了快速发展。 在这些大跨度桥梁中， 主跨在4 0 0 m 以上的桥梁己建成3 5 座， 在建6 座; 主跨在6 0 0 m 以 上的桥梁建成1 3 座， 在建3 座; 主跨在8 0 0 m 以上的桥 梁建成6 座，在建1 座:主跨在1 0 0 0 m 以上的桥梁建成2 座，在建1 座。目 前，万里 长江上己 架起公 路桥梁6 2 座， 在建1 0 座; 黄河上己 建成公路桥梁达7 0 座 。 表1 - 1 全国 公路桥梁、 隧道 和渡口 情况【 t a b . 1 - 1 s t a t i s t i c s f o r c o u n t r y w i d e h i g h w a y b r i d g e , t u n n e l a n d f e r r y 年 份 桥梁 隧 道 渡 口 永 久 性危桥 座处米处座 米处米处 1 9 9 0 1 9 91 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 1 6 8 5 4 3 1 7 3 0 8 3 1 7 7 2 3 9 1 8 4 2 1 5 1 8 9 5 9 6 1 9 6 4 1 6 2 0 2 3 7 1 2 1 0 8 2 2 2 2 0 0 0 1 2 3 0 7 7 8 5 0 5 5 6 1 3 5 2 2 5 6 9 9 5 3 8 0 5 6 5 5 6 1 7 8 2 1 5 8 8 9 4 7 4 6 2 7 8 8 9 5 6 5 9 0 3 9 0 6 9 5 1 9 4 8 7 4 5 3 5 3 2 8 0 0 5 6 6 1 1 6 2 5 2 4 1 6 7 2 6 0 1 7 1 5 8 2 1 7 8 6 9 8 1 8 4 0 6 1 1 9 0 9 6 1 1 9 7 9 5 1 2 0 5 7 0 7 2 1 5 0 0 5 2 2 5 4 9 9 4 9 5 0 1 9 8 5 1 2 3 0 6 5 5 2 8 1 0 8 7 5 5 2 1 7 9 5 5 7 9 4 3 4 6 6 1 8 4 8 6 1 6 5 2 5 4 4 3 6 8 6 2 4 8 7 7 3 6 6 4 8 4 7 9 1 0 6 9 8 4 0 4 6 4 1 9 6 4 0 2 5 4 0 0 7 4 1 4 0 4 1 8 9 4 0 2 2 4 1 0 9 3 7 9 7 4 4 5 1 1 1 4 7 7 0 1 3 1 5 6 2 1 2 9 4 2 3 1 3 2 4 0 3 1 3 9 6 2 3 1 4 2 4 6 7 1 3 9 3 2 5 1 4 3 3 5 8 1 3 4 5 8 2 1 6 0 4 9 1 6 8 2 7 2 6 7 9 7 8 5 8 9 5 7 1 0 9 6 1 2 1 7 1 3 5 5 2 4 1 5 6 1 2 0 1 8 3 4 7 6 2 2 1 7 0 1 2 7 0 9 3 9 3 4 0 0 8 0 4 0 6 7 4 7 6 2 6 6 2 5 5 9 6 5 8 0 5 7 1 5 5 5 5 3 9 5 1 8 5 0 5 5 1 7 桥梁是公路的咽喉。由于结构自 然老化、车辆荷载的大幅度增加、不利环 境影响以 及养护维修欠缺， 一部分桥梁己呈现出 各种结构损伤、 不能满足规定功 能要求等问 题。根据交通部2 0 0 1 年公布的 全国公路桥梁、隧道、渡口 数量 统计资料 ( 表 1 - 1 ) ” ， 我国既有公路桥梁中危桥约占2 . 0 % ; 在国 道干线上桥 梁总长为7 6 万延米，其中危桥占2 . 4 % ;二十世纪5 0 -6 0 年代修建的桥梁大多 表现为承载力不足， 其中设计荷载等级低于汽一1 0 级的占5 . 4 % 。 以 上情况说明， 虽然病危桥的比 例不大， 但其绝对数量却不少。 在大交通量以及大吨位超载车辆 的作用下，如果上述有缺陷或不能满足规定功能要求的桥梁得不到及时的改建、 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1引言 二十世纪中后期特别是改革开放以来， 我国公路桥梁以 及房屋建筑业有了飞 速发展。到2 0 0 0 年底，我国公路桥梁总数己达2 7 . 8 8万座，计1 0 3 1 . 2 万延米 。 同时， 为适应高等级公路向山区延伸和跨越江河湖海的需要， 各种类型的大跨度 桥梁也得到了快速发展。 在这些大跨度桥梁中， 主跨在4 0 0 m 以上的桥梁己建成3 5 座， 在建6 座; 主跨在6 0 0 m 以 上的桥梁建成1 3 座， 在建3 座; 主跨在8 0 0 m 以上的桥 梁建成6 座，在建1 座:主跨在1 0 0 0 m 以上的桥梁建成2 座，在建1 座。目 前，万里 长江上己 架起公 路桥梁6 2 座， 在建1 0 座; 黄河上己 建成公路桥梁达7 0 座 。 表1 - 1 全国 公路桥梁、 隧道 和渡口 情况【 t a b . 1 - 1 s t a t i s t i c s f o r c o u n t r y w i d e h i g h w a y b r i d g e , t u n n e l a n d f e r r y 年 份 桥梁 隧 道 渡 口 永 久 性危桥 座处米处座 米处米处 1 9 9 0 1 9 91 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 1 6 8 5 4 3 1 7 3 0 8 3 1 7 7 2 3 9 1 8 4 2 1 5 1 8 9 5 9 6 1 9 6 4 1 6 2 0 2 3 7 1 2 1 0 8 2 2 2 2 0 0 0 1 2 3 0 7 7 8 5 0 5 5 6 1 3 5 2 2 5 6 9 9 5 3 8 0 5 6 5 5 6 1 7 8 2 1 5 8 8 9 4 7 4 6 2 7 8 8 9 5 6 5 9 0 3 9 0 6 9 5 1 9 4 8 7 4 5 3 5 3 2 8 0 0 5 6 6 1 1 6 2 5 2 4 1 6 7 2 6 0 1 7 1 5 8 2 1 7 8 6 9 8 1 8 4 0 6 1 1 9 0 9 6 1 1 9 7 9 5 1 2 0 5 7 0 7 2 1 5 0 0 5 2 2 5 4 9 9 4 9 5 0 1 9 8 5 1 2 3 0 6 5 5 2 8 1 0 8 7 5 5 2 1 7 9 5 5 7 9 4 3 4 6 6 1 8 4 8 6 1 6 5 2 5 4 4 3 6 8 6 2 4 8 7 7 3 6 6 4 8 4 7 9 1 0 6 9 8 4 0 4 6 4 1 9 6 4 0 2 5 4 0 0 7 4 1 4 0 4 1 8 9 4 0 2 2 4 1 0 9 3 7 9 7 4 4 5 1 1 1 4 7 7 0 1 3 1 5 6 2 1 2 9 4 2 3 1 3 2 4 0 3 1 3 9 6 2 3 1 4 2 4 6 7 1 3 9 3 2 5 1 4 3 3 5 8 1 3 4 5 8 2 1 6 0 4 9 1 6 8 2 7 2 6 7 9 7 8 5 8 9 5 7 1 0 9 6 1 2 1 7 1 3 5 5 2 4 1 5 6 1 2 0 1 8 3 4 7 6 2 2 1 7 0 1 2 7 0 9 3 9 3 4 0 0 8 0 4 0 6 7 4 7 6 2 6 6 2 5 5 9 6 5 8 0 5 7 1 5 5 5 5 3 9 5 1 8 5 0 5 5 1 7 桥梁是公路的咽喉。由于结构自 然老化、车辆荷载的大幅度增加、不利环 境影响以 及养护维修欠缺， 一部分桥梁己呈现出 各种结构损伤、 不能满足规定功 能要求等问 题。根据交通部2 0 0 1 年公布的 全国公路桥梁、隧道、渡口 数量 统计资料 ( 表 1 - 1 ) ” ， 我国既有公路桥梁中危桥约占2 . 0 % ; 在国 道干线上桥 梁总长为7 6 万延米，其中危桥占2 . 4 % ;二十世纪5 0 -6 0 年代修建的桥梁大多 表现为承载力不足， 其中设计荷载等级低于汽一1 0 级的占5 . 4 % 。 以 上情况说明， 虽然病危桥的比 例不大， 但其绝对数量却不少。 在大交通量以及大吨位超载车辆 的作用下，如果上述有缺陷或不能满足规定功能要求的桥梁得不到及时的改建、 华南理工大学硕士学位论文 维修或加固， 不仅会形成公路交通的局部瓶颈， 而且还会对车辆及人身造成极大 的安全隐患。 为确保交通运输安全， 做好国民经济建设的先行官， 必须尽快消灭 危桥，提高有缺陷桥梁以及原设计等级较低桥梁的承载能力。 提高在役桥梁承载能力的方法是改建、维修和加固。考虑到工程成本、环 境保护、 尽量减少社会负面影响等因素， 对于仍具有一定使用价值的桥梁， 进行 合理的有效的维修和加固、以 延长其使用寿命是第一选择。 为此， 随着国民经济 的快速发展， 在役桥梁等建筑物的加固维修任务会越来越重， 对桥梁加固新材料、 新技术的要求也越来越高。 为能满足这种需求， 本研究对钢筋混凝土 ( r c ) 桥梁 加固新技术纤维增强复合材料 ( f r p )加固技术进行研究，其预期成果将具 有重大的社会效益和经济效益。 1 . 2 r c 结构加固技术 传统 ( 相对于f r p 加固技术而言) 的r c 结构加固方法有加大截面、 外包钢、 体外预应力、 外粘钢板及喷射混凝土等。 这些方法对提高混凝土结构的承载力起 到一定的作用， 但都有不同的缺点和各自的适用范围 ( 见表 1 - 2 ) 。如， 加大截 面法工作量大， 施工时间长， 对正常的生产、 生活造成一定的不良 影响，同时影 响结构的外观美感和降低结构的底部净空等; 预应力加固法施工工序多， 设备与 施工工艺要求高; 外包钢法和粘贴钢板加固 法由于钢板较重， 加工及操作难度较 大， 钢材易被腐蚀， 需要经常养护。 而且， 粘贴钢板加固混凝土结构后还容易出 现应力滞后现象; 喷射混凝土技术需要大型施工机具， 而且受构件形状、 位置的 限制，加固后混凝土构件强度的提高幅度不大。 与上述传统加固技术相比，由于碳纤维增强复合材料 ( c f r p ) 具有优异的物 理力学性能， 在加固修补工程中可以充分利用其高强度、 高弹性模量、 耐腐蚀等 特点来提高混凝土结构的承载力，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。 如表1 - 2 所示， 采用以碳纤维为代表的f r p 加固技术具有较多的优点， 因而自 二 十世纪九十年代以 来在国内 外建筑土木界得到了 越来越广泛的应用 3 。 我国从 1 9 9 7 年开始对c f r p 片材加固 修复土木建筑结构进行研究。目 前， 国内己 有较多 科研院所( 如国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、 中国建筑科学研究院、 四川建筑科学研究院等) 、高等院校 ( 如清华大学、华南理工大学、东南大学、 同济大学等) 对f r p 加固 技术性能进行了研究， 取得了一些科研成果 7 -8 然而，国内外使用的f r p 片材都是纤维布或纤维板。 采用纤维布或纤维板的 加固技术主要存在以下问题:1 ) 粘贴纤维布一般需要2 - 3 层 ( 甚至更多层) ， 纤 维布的层数增加不但会导致加固件的界面增多， 构件的强度相对下降， 而且粘结 胶用量多， 施工时间也相应增长;2 )纤维板的施工性差，而且其规格和品种很 少:3 )碳纤维的价格还比较贵，配套的粘结胶的价格也相当贵，加固件的性能 华南理工大学硕士学位论文 维修或加固， 不仅会形成公路交通的局部瓶颈， 而且还会对车辆及人身造成极大 的安全隐患。 为确保交通运输安全， 做好国民经济建设的先行官， 必须尽快消灭 危桥，提高有缺陷桥梁以及原设计等级较低桥梁的承载能力。 提高在役桥梁承载能力的方法是改建、维修和加固。考虑到工程成本、环 境保护、 尽量减少社会负面影响等因素， 对于仍具有一定使用价值的桥梁， 进行 合理的有效的维修和加固、以 延长其使用寿命是第一选择。 为此， 随着国民经济 的快速发展， 在役桥梁等建筑物的加固维修任务会越来越重， 对桥梁加固新材料、 新技术的要求也越来越高。 为能满足这种需求， 本研究对钢筋混凝土 ( r c ) 桥梁 加固新技术纤维增强复合材料 ( f r p )加固技术进行研究，其预期成果将具 有重大的社会效益和经济效益。 1 . 2 r c 结构加固技术 传统 ( 相对于f r p 加固技术而言) 的r c 结构加固方法有加大截面、 外包钢、 体外预应力、 外粘钢板及喷射混凝土等。 这些方法对提高混凝土结构的承载力起 到一定的作用， 但都有不同的缺点和各自的适用范围 ( 见表 1 - 2 ) 。如， 加大截 面法工作量大， 施工时间长， 对正常的生产、 生活造成一定的不良 影响，同时影 响结构的外观美感和降低结构的底部净空等; 预应力加固法施工工序多， 设备与 施工工艺要求高; 外包钢法和粘贴钢板加固 法由于钢板较重， 加工及操作难度较 大， 钢材易被腐蚀， 需要经常养护。 而且， 粘贴钢板加固混凝土结构后还容易出 现应力滞后现象; 喷射混凝土技术需要大型施工机具， 而且受构件形状、 位置的 限制，加固后混凝土构件强度的提高幅度不大。 与上述传统加固技术相比，由于碳纤维增强复合材料 ( c f r p ) 具有优异的物 理力学性能， 在加固修补工程中可以充分利用其高强度、 高弹性模量、 耐腐蚀等 特点来提高混凝土结构的承载力，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。 如表1 - 2 所示， 采用以碳纤维为代表的f r p 加固技术具有较多的优点， 因而自 二 十世纪九十年代以 来在国内 外建筑土木界得到了 越来越广泛的应用 3 。 我国从 1 9 9 7 年开始对c f r p 片材加固 修复土木建筑结构进行研究。目 前， 国内己 有较多 科研院所( 如国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、 中国建筑科学研究院、 四川建筑科学研究院等) 、高等院校 ( 如清华大学、华南理工大学、东南大学、 同济大学等) 对f r p 加固 技术性能进行了研究， 取得了一些科研成果 7 -8 然而，国内外使用的f r p 片材都是纤维布或纤维板。 采用纤维布或纤维板的 加固技术主要存在以下问题:1 ) 粘贴纤维布一般需要2 - 3 层 ( 甚至更多层) ， 纤 维布的层数增加不但会导致加固件的界面增多， 构件的强度相对下降， 而且粘结 胶用量多， 施工时间也相应增长;2 )纤维板的施工性差，而且其规格和品种很 少:3 )碳纤维的价格还比较贵，配套的粘结胶的价格也相当贵，加固件的性能 第一章绪论 价格比还不够优越; 4 )我国 几乎没有自 主知识产权的f r p 加固的核心技术。 为了能迅速改变上述状况， 开发出一种能够改进以上缺点的f r p 片材及其加 固技术， 黄培彦教授所领导的课题组研究开发出了一种集纤维布和纤维板的优点 于一体的新型f r p 片材纤维薄板 ( f i b e r l a m i n a t e )，并提出了采用纤维薄 板对混凝土结构进行加固的系统技术 ” 。 经过理论分析、数值计算、实验验证 和工程应用， 并经过科技成果鉴定证明了纤维薄板加固技术具有优越的性能价格 比 和施工方便等特点 s . 9 1 ， 并在取得自 主知识产权方面也有所突破。 表l - 2 c f r p 与 其 他加 固 技 术的比 较 t a b l e 1 - 2 c o m p a r i n g s t r e n g t h e n e d t e c h n i q u e b y c f r p w i t h o t h e r s 加固方法加固原理限制使用条件c f r p 加固 技术 加大截面 加固法 增大混凝土结构或构 筑物的截面面积，以提 高其承载力和满足正 常使用要求的一种加 固方法 有时受结构尺寸上的限 制 适用面广， 可广泛适用于各种结 构类型( 如桥梁、 涵洞、房屋、 烟囱等) 、各种结构形状 ( 如矩 形、圆 形、曲 面结构等) 、各种 结构部位( 如梁、 板、 柱、 节点、 拱、壳、 墩等) 的加固修补， 且 不改变结构形状及不影响结构 外观 外包钢加 固法 在混凝土构件四周包 以 型钢的 加固方法 ( 分 干式和湿式两种形式) 采用化学灌浆外包钢加 固时， 型钢表面温度不 应高于6 o 0 c ; 当 环境具 有腐蚀性介质时， 应有 可靠的防护措施 可以抵抗建筑物经常遇到的各 种酸、 碱、盐对结构物的腐蚀 体外预应 力加固法 采用外加预应力的钢 拉杆 ( 分水平拉杆、下 撑式拉杆和组合式拉 杆三种) 或撑杆对结构 进行加固的 方法 不宜用于处在高温环境 下的混凝土结构，也不 适用于混凝土收缩徐变 大的混凝土结构 当 结构持续使用温度 超过 6 0 c 时，应采取防护措施 受弯构件 外粘钢板 加固法 用建筑结构胶将钢板 粘贴在钢筋混凝土受 弯构件表面 适用于承受静力作用的 一般受弯构件，且环境 温度不应超过6 0 0c ， 相 对湿度不大于 7 0 % 及无 化学腐蚀的 使用环境中 具有极佳的耐腐蚀性能及耐久 性能: 但当结构持续使用温度超 过6 0 时， 应采取防护措施 喷射混凝 土加固法 借助喷射机械， 利用压 缩空气或其他动力， 将 一定比例配合的拌合 料， 通过管道输送并以 高速喷射到加固面 需大型施工机具;受构 件形状、 位置的限制; 加固后混凝土构件强度 提高幅度不大 施工便捷. 施 工效率高， 没有湿 作业， 不需大型施工机具， 现场 无需大型固定设 施， 施工占 用场 地少 1 . 3 c f r p 增强构件的强度理论及参数优化 研究现状 大量的试验研究结果表明c f r p 增强构件的破坏模式和c f r p 与混凝土的界 面的应力分布有关，尤其是界面的剪应力在c f r p 片材粘贴末端的应力集中对破 坏模式的形成和发展起到决定性的作用，而需要推求的c f r p 加固构件的承载能 3 第一章绪论 价格比还不够优越; 4 )我国 几乎没有自 主知识产权的f r p 加固的核心技术。 为了能迅速改变上述状况， 开发出一种能够改进以上缺点的f r p 片材及其加 固技术， 黄培彦教授所领导的课题组研究开发出了一种集纤维布和纤维板的优点 于一体的新型f r p 片材纤维薄板 ( f i b e r l a m i n a t e )，并提出了采用纤维薄 板对混凝土结构进行加固的系统技术 ” 。 经过理论分析、数值计算、实验验证 和工程应用， 并经过科技成果鉴定证明了纤维薄板加固技术具有优越的性能价格 比 和施工方便等特点 s . 9 1 ， 并在取得自 主知识产权方面也有所突破。 表l - 2 c f r p 与 其 他加 固 技 术的比 较 t a b l e 1 - 2 c o m p a r i n g s t r e n g t h e n e d t e c h n i q u e b y c f r p w i t h o t h e r s 加固方法加固原理限制使用条件c f r p 加固 技术 加大截面 加固法 增大混凝土结构或构 筑物的截面面积，以提 高其承载力和满足正 常使用要求的一种加 固方法 有时受结构尺寸上的限 制 适用面广， 可广泛适用于各种结 构类型( 如桥梁、 涵洞、房屋、 烟囱等) 、各种结构形状 ( 如矩 形、圆 形、曲 面结构等) 、各种 结构部位( 如梁、 板、 柱、 节点、 拱、壳、 墩等) 的加固修补， 且 不改变结构形状及不影响结构 外观 外包钢加 固法 在混凝土构件四周包 以 型钢的 加固方法 ( 分 干式和湿式两种形式) 采用化学灌浆外包钢加 固时， 型钢表面温度不 应高于6 o 0 c ; 当 环境具 有腐蚀性介质时， 应有 可靠的防护措施 可以抵抗建筑物经常遇到的各 种酸、 碱、盐对结构物的腐蚀 体外预应 力加固法 采用外加预应力的钢 拉杆 ( 分水平拉杆、下 撑式拉杆和组合式拉 杆三种) 或撑杆对结构 进行加固的 方法 不宜用于处在高温环境 下的混凝土结构，也不 适用于混凝土收缩徐变 大的混凝土结构 当 结构持续使用温度 超过 6 0 c 时，应采取防护措施 受弯构件 外粘钢板 加固法 用建筑结构胶将钢板 粘贴在钢筋混凝土受 弯构件表面 适用于承受静力作用的 一般受弯构件，且环境 温度不应超过6 0 0c ， 相 对湿度不大于 7 0 % 及无 化学腐蚀的 使用环境中 具有极佳的耐腐蚀性能及耐久 性能: 但当结构持续使用温度超 过6 0 时， 应采取防护措施 喷射混凝 土加固法 借助喷射机械， 利用压 缩空气或其他动力， 将 一定比例配合的拌合 料， 通过管道输送并以 高速喷射到加固面 需大型施工机具;受构 件形状、 位置的限制; 加固后混凝土构件强度 提高幅度不大 施工便捷. 施 工效率高， 没有湿 作业， 不需大型施工机具， 现场 无需大型固定设 施， 施工占 用场 地少 1 . 3 c f r p 增强构件的强度理论及参数优化 研究现状 大量的试验研究结果表明c f r p 增强构件的破坏模式和c f r p 与混凝土的界 面的应力分布有关，尤其是界面的剪应力在c f r p 片材粘贴末端的应力集中对破 坏模式的形成和发展起到决定性的作用，而需要推求的c f r p 加固构件的承载能 3 华南理工大学硕士学位论文 力 和 刚 度 特 性 又 是以 破 坏 模式 为 前 提 条 件的。 二 十 世 纪 8 09 0 年 代 v i ln a l y lo 1 , r o b e r t s 和 h a j i k a z e m i ll l , 2 1 . t a lj s t e n 1 3 10 1 . m a l e k 1 5 等 先 后 对 c f r p 加 固 结 构 的 界面剪应力和正应力及其在c f r p 片材粘贴末端的应力集中问题进行了不同层 次、 不同 边 界条 件 和 假设 条 件下 的 理 论 分 析， 本 世 纪 初 再有，对于一定的r c 结构来说，采 用纤维 片材 加固 时， 不是纤维片 材加固 长 度越长 越 好5 . 7 1 : 而且， 纤 维片 材的 使 用厚度也有一个最优选择问题。为了使加固后的r c 结构既有优越的力学性能， 又能节约纤维材料，降低成本， 使这种加固方法具有优越的性能价格比， 就必须 对增强构件中的f r p 片材的几何参数 ( 粘贴长度及厚度， 对于纤维布来说是粘贴 长度及粘贴层数n )进行优化研究。 关于增强构件中 f r p 片材最佳粘贴长度的 研究， 近几年来本课题组结合自己 的研究开发成果纤维薄板， 展开了一系列的研究， 给出了纤维薄板粘贴长度 与增强构件承载力的经验关系式5 1 。 但是， 在理论推导上还没有取得突破。 对于 纤维薄板最佳粘贴厚度的研究， 虽然国内外有关规范或规程中给出了纤维布的粘 贴层数n 与增强构件承载力的计算公式 1 6 1 ， 但是它显然无法满足具有任意设计厚 度的纤维薄板优化设计的计算要求。 另外，对f r p 片材的几何参数进行优化研究 时， 应同时考虑其粘贴长度及厚度的影响， 分析两者的藕合作用， 才能为f r p 片 材加固设计提供最接近实际的优化设计。目前， 在国内外还未见有关这方面研究 成果的报道。 1 . 4研究目 的、意义及主要内 容 本文以 碳纤维薄板 ( c a r b o n f i b e r l a m i n a t e , c f l ) 增强r c 构件的 破坏模式、 承载力计算为研究对象， 采用理论推导与实 验验证的 方法， 探讨 c f l增强 r c 梁的力学性能及其剥离破坏机理，分析c f l增强r c梁承载力的影响因子， 试 图 提出 c f l粘贴长度和厚度与增强梁承载力的关系式 ( 计算公式) ，并为 c f l 加固r c 结构提供优化设计的方法，对发展该类构件的强度理论、复合材料的界 面力学等具有重要的科学意义，对采用c f l加固桥梁、房屋、隧道等混凝土结 构具有实际应用价值。 本文工作属于国 家自 然科学基金项目( 编号:1 9 9 7 2 0 2 0 , 1 0 2 7 2 0 4 7 ) 和广 华南理工大学硕士学位论文 力 和 刚 度 特 性 又 是以 破 坏 模式 为 前 提 条 件的。 二 十 世 纪 8 09 0 年 代 v i ln a l y lo 1 , r o b e r t s 和 h a j i k a z e m i ll l , 2 1 . t a lj s t e n 1 3 10 1 . m a l e k 1 5 等 先 后 对 c f r p 加 固 结 构 的 界面剪应力和正应力及其在c f r p 片材粘贴末端的应力集中问题进行了不同层 次、 不同 边 界条 件 和 假设 条 件下 的 理 论 分 析， 本 世 纪 初 再有，对于一定的r c 结构来说，采 用纤维 片材 加固 时， 不是纤维片 材加固 长 度越长 越 好5 . 7 1 : 而且， 纤 维片 材的 使 用厚度也有一个最优选择问题。为了使加固后的r c 结构既有优越的力学性能， 又能节约纤维材料，降低成本， 使这种加固方法具有优越的性能价格比， 就必须 对增强构件中的f r p 片材的几何参数 ( 粘贴长度及厚度， 对于纤维布来说是粘贴 长度及粘贴层数n )进行优化研究。 关于增强构件中 f r p 片材最佳粘贴长度的 研究， 近几年来本课题组结合自己 的研究开发成果纤维薄板， 展开了一系列的研究， 给出了纤维薄板粘贴长度 与增强构件承载力的经验关系式5 1 。 但是， 在理论推导上还没有取得突破。 对于 纤维薄板最佳粘贴厚度的研究， 虽然国内外有关规范或规程中给出了纤维布的粘 贴层数n 与增强构件承载力的计算公式 1 6 1 ， 但是它显然无法满足具有任意设计厚 度的纤维薄板优化设计的计算要求。 另外，对f r p 片材的几何参数进行优化研究 时， 应同时考虑其粘贴长度及厚度的影响， 分析两者的藕合作用， 才能为f r p 片 材加固设计提供最接近实际的优化设计。目前， 在国内外还未见有关这方面研究 成果的报道。 1 . 4研究目 的、意义及主要内 容 本文以 碳纤维薄板 ( c a r b o n f i b e r l a m i n a t e , c f l ) 增强r c 构件的 破坏模式、 承载力计算为研究对象， 采用理论推导与实 验验证的 方法， 探讨 c f l增强 r c 梁的力学性能及其剥离破坏机理，分析c f l增强r c梁承载力的影响因子， 试 图 提出 c f l粘贴长度和厚度与增强梁承载力的关系式 ( 计算公式) ，并为 c f l 加固r c 结构提供优化设计的方法，对发展该类构件的强度理论、复合材料的界 面力学等具有重要的科学意义，对采用c f l加固桥梁、房屋、隧道等混凝土结 构具有实际应用价值。 本文工作属于国 家自 然科学基金项目( 编号:1 9 9 7 2 0 2 0 , 1 0 2 7 2 0 4 7 ) 和广 第一章绪论 东省自 然科学基金项目( 编号: 9 9 0 5 6 7 , 0 2 0 8 5 6 ) 的部分研究内 容。 具体内 容分 列如下: 1 ) 结合本课题组前期实验研究结果， 分析c f l增强r c 梁的破坏模式及其 破坏机理，给出其主要影响因子; 2 ) 运用s .t . s m i t h 界面应力模型， 对c f l增强三点弯曲 梁跨中部位的c f l 与混凝土界面层的应力分布进行分析，提出 c f l增强三点弯曲梁在纤维薄板粘 贴末端和跨中部位的破坏模式的判断方法; 3 )理论推导c f l粘贴长度与增强梁承载力的关系式、以 及c f l厚度与增 强梁承载力的关系式; 4 )改变c f l的厚度，对c f l增强r c 梁的承载力与c f l厚度的关系式进 行实验验证; 5 ) 推导c f l 增强梁的 承载力与c f l 厚度、粘贴的长度、 及其极限 抗拉强 度之间的关系式，并与实验结果进行比较。 华南理工大学硕士学位论文 第二章碳纤维薄板增强构件变参数试验 本文采用本课题组的前期 研究成果之碳纤维薄板( c f l ) ， 构成c f l 增 强r c 构件，并以 此作为研究对象。碳纤维薄板增强r c 构件是由钢筋混凝土梁、 一定粘贴长度和厚度的碳纤维薄板、以及粘结层 ( 含渗透层) 所构成的复合受力 体系。 该复合体系的破坏模式及承载能力受碳纤维薄板的厚度、 粘贴长度等几何 参数和材料性能参数的影响。因 此， 研究纤维薄板增强r c 构件的 破坏模式、 承 载能力及其优化设计等，都必需探讨纤维薄板的几何参数变化对它们的影响。 关于纤维薄板粘贴长度对增强梁的破坏模式及其承载力的影响， 本课题组已 进行了 一系列的 试验研究和数值分析【4