（市政工程专业论文）FRP与钢结构粘结性能试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，对现有结构进行养护、检测、维修加固成为当今土木工 程领域关心和研究的重点。纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称f r p ) 作为一种新型的复合材料，以它高强高效、耐腐蚀、不增加自重、施工便捷等优点，代 替传统的加固材料在加固领域得到了大量应用。近年来，f r p 加固钢结构已经获得越来 越多的重视，f r p 与钢结构结合面间的粘结强度是影响结构加固后性能的一个重要因 素。f r p 与钢结构界面之间良好的粘结是保证f r p 与钢结构间荷载传递和共同工作的 重要前提。因此f r p 与钢结构间的粘结性能是f r p 加固钢结构研究领域的个重要课 题。 本论文采用c f r p 和g f r p 两种材料，在前人理论与试验研究的基础上做了以下几 方面的工作： 1 采用弯拉试验方法对纤维布与钢结构粘结性能进行了试验，试验确定了影响 纤维布与钢结构粘结性能的参数：纤维布粘结长度、粘结厚度、粘结宽度。 并指出了极限承载力随着这些参数变化的趋势。 2 根据试验试件受力破坏的全过程，描述了f r p 加固钢结构粘结界面破坏形态， 并分析了产生破坏的原因和破坏形态。 3 运用材料力学相关知识，对计算f r p 粘结剪应力的公式进行了推导，得出了 剪应力计算公式。通过该公式计算了试件在不同测点间的剪应力，并绘制了 剪应力分布图，研究了试件在加载过程中剪应力的分布情况。 4 论文对碳纤维布加固钢结构界面横向应力分布进行了研究，给出了横截面应 力分布情况。 5 采用a n s y s 有限元软件，对弯拉试验模型进行线弹性分析，分析了胶层界 面上的正应力分布情况以及改变粘结长度、纤维布厚度这两个参数时胶层界 面上的剪应力变化情况。 关键词：纤维增强复合材料；铜结构；粘结性能 f r p 与钢结构粘结性能试蜩 究 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nb o n d s t r e n g t hb e t w e e nf r p a n ds t e e ls t r u c t u r e b s t r a e t w i 伍t h er a p i de c o n o m yd e v e l o p m e n to fo u re o t m l r y , t h ep r o t e c t i o na n dm a i n t a i nt ot h e e x i s t i n gs l r u e t u r ei st h e ( ：o n c e ma n dr e s e a r c hf o c u st ot h ec i v i le n g i n e e r i n g a na d v a n c e d c o m p o s i t em a t e r i a ln a m e df i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( h 心) i sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp o p u l a r i nt h ee o n s l a u e t i o ni n d u s t r yf o r s t r e n g t h e n i n gp u r p o s e s a sa na l t e r n a t i v et ot r a d i t i o n a l s l r e n 啦e n i n gm a t e r i a l s e v e r a l a t t r a c t i v ep r o p e r t i e ss u c h 雒h i g ht e n s i l es t r e n g t hh i g h e 伍c i e n c y ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，n o ti n c r e a s et h ed e a dw e i g h ta n ds i m p l ec o n s t r u c t i o nm a l 【ei t w i d e l yu s e di ns t r 印g t l l e n i n gf i e l d mb o n ds t r e n g t hb e t w c c nf i 心a n ds t e e ls t r u c t u r ei st h e i m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t st h eb o n dp e r f o r m a n c e t kw e l lb o n db e h a v i o rb 咖c e 丑f r pa n d s t e e ls 1 1 u c t t l l e ：i st h ep r e c o n d i t i o no ft h el o a du a m f e r 纽dw o r k i n gt o g e t h e r a l s o t h eb o n d p e r f o r m a n c eb c t w c c nf i 心a n ds t e e ls 加l c n l r ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i co ft h es t e e l s m l c t u r es t r e n g t h e n e dw i t he x t e r n a l l yb o n d e df r p i nt h i sp a p e r ，c n 冲a n dg h 心a l - eu s e df o rr c s e a r c l a b a s e do np r c d 。c e s s 盯t h e o r ya n d a 叩矗i m 酬s t u d yf o u n d a t i o n , t h ep a p e rf o c u s e s0 1 3 f o l l o w i n gi t e m s ： 1 1 1 1 eb o n dp e r f o r m a n c eb c t w c c nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e ra n ds t c e ls l l t l e t u r ew a s s t u d i e db ye x p e r i m e n t0 1 1ab e n d - p u ut e s ts e t t h ee f f e c t so ft h r e ep a r a m e t e r s ( t h eb o n d 1 e n g t h , t h et l l i e k n e s so ft h ef i 心溉f i u p 勘- s t e e lw i d t hr a c l i o ) o nb o n dp e r f o r m a d c e 眦 d i s c u s s e di nt h i sp a p e r ， 2 a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so ff a i l u r eo ft e s ts p e e i m e m ，t h ef a i l u r ea l o n gt h ea d h e s i v e i n t e r f a c eo f t h ef r p - b o n d e ds t e e ls p e e i m c m 黜d e s c r i b e d , a n dt h ee a u s a t i o r ta n df o r m so f t h e f a i l u r ea l ea n a y z e d 3 b a s e do i lm a t e r i a lm e c h a n i c s t h ee q u a t i o n so f i n t e r r a c i a ls h e a rs 垃e s sa 托d e d u c e da n d t h ed i s t r i b u t i o no f t h es h e a rs l a e s si ss t u d i e d 4 i nt h i sp a p e r 也ed i s l r i b u t i o no f t h es l r a i na l o n gt h ec r o s ss e c t i o ni ss t u d i e d 5 i nt h i sp a p e r t h er 、o r m a ls i 工e s si nt h ea d h e s i v ei n t e r f a c ei sd i s c u s s e da n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h es h e a rs t 陀s si sa n a l y z e db yd i a n g et h eb o n dl e n g t ha n db o n dt h i e l m e s s t l a r o u e 1 at h el i n e a re l a s t i cf m i t ee l e m e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：f r p | s t e e ls l r u c t u r e ；b o n dp e r f o r m a n c e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 刃f 印 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 孟叠 绷年卫月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景 纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp k 曲c 佃b ，m 盯，简称f r p ) 是一种高性能材料， 它最早用于航空、航天、国防等高科技领域，2 0 世纪下半叶，随着复合材料制造成本的 降低，高性能的复合材料被广泛应用于其它工业领域，其中，在工业与民用建筑工程、 桥梁工程、海港工程、管道等结构中应用的数量激增。f i 蹬在建筑工程中的研究和应用 始于2 0 世纪7 0 年代末期。1 9 8 1 年，瑞典科学家m e i 盯采用粘结c f r p 对e b a c h 桥进行 了加固研究，这是f r p 用于建筑工程的最早实例，随后世界各国尤其是美国、日本、加 拿大等国家的科研机构、高等学校、材料生产厂家在f r p 的生产及其在结构加固中的技 术方面投入了大量的资金和精力。日本混凝土协会( j c i ) 、日本土木学会( j s c e ) 、 日本建筑学会和美国混凝土协会( a c i ) 都成立了专门的委员会，对f r p 复合材料的性 能、应用进行研究，并制定了相关的f r p 规程和设计标准。随后，f l 冲加固技术在欧 洲得到推广，瑞士、英国、法国、比利时等国家的研究机构都对f i 冲开展了开拓性的研 究，相继召开了七届钢筋混凝土结构的f r p 增强的国际会议，除此之外，国际上还有很 多f r p 在土木建筑工程应用方面的系列会议和有关研讨会。国际上有关f r p 及其工程 应用的研究与实践活动日趋活跃，形成了研究、开发、应用的产业链，在土木建筑工程 界开发出一片新的天地。我国对于f r p 的研究和应用起步较晚，从1 9 9 7 年开始对碳纤 维增强复合材料( c f r p ) 加固土木建筑结构进行研究，1 9 9 8 年开始了实际的工程应用。 到目前为止，我们已经有数十个科研院所和高等院校对其技术性能进行了大量的研究， 取得了丰硕的科研成果，并且这方面的研究和应用与其他国家的发展基本同步1 1 1 。 目前，f r p 片材加固混凝土构件是国内外应用最为广泛的加固技术。f r p 加固结构 构件的技术主要是应用粘结剂将f r p 片材粘贴在受损构件的表面，使一部分荷载通过胶 层传递到f r p 片材上，降低了受损构件损伤部位的应力水平，从而达到加固的效果，延 长了构件的使用寿命。因此，f r p 与混凝土的界面粘结是确保f r p 布和混凝土共同作 用，充分发挥f r p 布强度的关键所在。在大量的试验研究的基础上，对f r p 与混凝土 界面发生粘结破坏的主要影响因素，粘结破坏的主要形式，粘结强度的取值及其规律等 有了深入的认识。 m i c h a e lj c 蜘m 等人用单面剪切搭接试验研究了f r p 与混凝土的粘结强度和力的 传递机理，试验结果表明：极限粘结强度与混凝土的表面处理有关；f r p 与混凝土粘结 界面之间的粘结力在有效粘结长度内传递；混凝土发生剪切破坏时，粘结强度与混凝土 抗压强度的平方根成正比。 f r p 与钢结构粘结性能试验研究 m a r c oa r d u i n i 和a n t o n i on a n n i 【3 j 等人采用四点弯曲试验来研究碳纤维布加固钢筋 混凝土梁，试验过程中出现了4 中破坏形式：混凝土被压碎；粘结层和混凝土表面的剥 离破坏；发生在纤维布端部的混凝土剪切破坏；混凝土梁支座处的剪切破坏。从试验结 果中发现，用碳纤维布加固钢筋混凝土梁可以很大程度上提高梁的极限承载力，但是对 其抗弯刚度提高的不明显。研究者指出，混凝土与纤维布之间的粘结是问题的关键所在， 避免或限制纤维布的剥离可以提高加固方法的效用。试验结果分析发现，混凝土表面处 理对试验结果有较大影响，同时影响加固效果的因素有：碳纤维布的刚度、纤维方向、 纤维布的层数。 h o r i g u c h i t 和s a c h i n n 等人采用了正拉试验、弯曲试验及剪切试验研究了试验方 法和混凝土强度对粘结性能的影响，试验过程中产生了三种破坏形式：f r p 被拉断、混 凝土剪切破坏和f r p 与胶层之间的剥离破坏。实验结果显示：粘结强度随着混凝土强度 的增大而增大，粘结长度对极限强度影响很小。 l b i z i n d a v y i 和k w n e a l e n 设计了简单的试验装置来进行单面搭接拉拔试验，试 验过程中采用了g f r p 和c f r p 两种纤维织物，试验考虑的变量包括：f r p 层数、f r p 宽度、f r p 长度。研究了随着变量的变化粘结强度的变化情况和应力、应变的分布情况。 试验过程中出现了两种破坏形式：混凝土剪切破坏和纤维布被拉断。通过对试验结果的 分析发现，有效粘结长度随着f r p 层数的增加而增加，f r p 宽度对f r p 应变和粘结剪 应力的分布没有明显的影响。 y j i a a 和t e b 0 0 廿l l ，) 用等人对f r p 与混凝土之间的粘结滑移关系和滑移模量进 行了研究，试验中分别采用了三种不同厚度的胶层，研究胶层厚度对滑移模量的影响。 研究结果发现，随着胶层厚度的增加，滑移模量不断降低，随着胶层厚度的减小，试件 刚度不断增加，但是f r p 的种类与滑移模量无关。在假设粘结应力滑移关系为线性的 基础上，建立了滑移模量计算公式。 c h e r tjf 和t e n gjd7 】对f i 心混凝土和钢板一混凝土的剪切行为和剪切强度进行了 彻底的研究。现有的实验数据表明主要的破坏形式是混凝土的剪切破坏，它发生在混凝 土和胶层表面以下几毫米的地方，因此粘结强度跟混凝土的强度有关，此外板与混凝土 的宽度比对粘结强度也有影响。通过分析指出粘结过程中存在有效粘结长度，当粘结长 度超过这个有效粘结长度后粘结强度不再增加。对以往的模型进行了评估，指出了它们 的不足之处，建立了一个简单、合理、精确的模型，并根据此模型推导出了确定f r p - 混凝土接头剥离破坏时的粘结强度公式和有效粘结长度公式。 贾明英、程华【8 l 等人通过1 5 根外包碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的混凝土圆柱轴心 受压试验，对3 种纤维约束混凝土效果进行对比分析，试验设备采用1 0 0 0 0 k n 长柱试验 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 机、5 0 0 0 k n 荷载传感器、计算机数据自动采集系统。试验过程中发现，碳纤维、芳纶 纤维试件破坏形态相似，均属脆性破坏，玻璃纤维试件破坏与前二者不同，接近延性破 坏。对试验结果的分析表明：f r p 以其高强的抗拉强度约束混凝土，限制混凝土微裂缝 开展，极大地提高了混凝土柱的抗压承载力，增强了其延性；混凝土强度和试件几何尺 寸均相同而外包纤维材料不同的组合柱承载力，取决于纤维材料的强度和厚度的乘积； 3 种纤维约束效果比较，芳纶纤维的效果最明显，碳纤维次之，玻璃纤维较差。通过对 试验数据回归分析，研究者建立了f r p 约束混凝土圆柱轴心受压承载力模型。 肖建庄、李杰【9 】等人通过双面直剪试验测定复合纤维布与混凝土之间的粘结强度， 并在纤维布上粘贴应变片，测出各测点离端部距离一应变关系曲线，进而绘出复合纤维布 中沿粘结方向的粘结应力分布，并确定了有效粘结长度，通过应力分析得出：粘结应力与 所粘贴的纤维布厚度以及沿纤维方向的应变梯度成正比。 杨勇新【l o 1 1 等人设计并完成了粘结界面处于正拉( 拉力作用于粘结界面的法向) ， 推剪( 压力作用于粘结界面的平面内) 、拉剪( 拉力作用于粘结界面的平面内) 和弯拉 ( 粘结界面受弯曲拉伸荷载作用) 等4 种基本受力状态下碳纤维布与混凝土粘结界面的 性能试验，考察了混凝土强度等级、碳纤维布种类、碳纤维布层数及纤维方向、粘结受 力面积及粘结应力的分布等要素对强度的影响。通过对实验结果的统计分析发现4 种粘 结强度的关系如下：推剪粘结强度与正拉粘结强度比值的平均值为1 9 2 ，拉剪粘结强度 与征拉粘结强度比值的平均值为o 7 4 ，弯拉粘结强度与正拉粘结强度比值的平均值为 o 5 2 。通过分析对纤维布与混凝土之间的粘结机理作出了初步描述：剥离首先发生在混 凝土和粘结界面的连接薄弱位置处，粘结面积不同时，剥离的发展过程是不同的，当粘 结面积大于有效粘结面积时，剥离是逐渐发展的，最后发生一次性破坏；当粘结面积小 于有效粘结面积时将发生一次性剥离破坏。 姚谏、滕锦光【1 2 1 采用混凝土结构外贴f l 冲板材的方法，对f r p 复合材料与混凝土 的粘结强度进行了试验研究，试验采用f r p 板混凝土块搭接接头的单剪试验方法，试 验采用液压千斤项等速分级加载，在实验过程中产生了两种破坏形式：f r p 的剥离破坏 和混凝土拉剪破坏，研究结果表明，对中偏位对粘结强度的影响与枯结长度的大小成反 比：粘结长度小，影响大；粘结长度大，影响小。粘结强度随支座高度的降低而有一定 增加。粘结强度和接头破坏形式、f r p 材料种类以及f r p 与混凝土的宽度比b 日d ，b 。有关 同一种破坏形式，粘结强度和f r p 板中的应力随宽度比b 丘，b 。增加而减少，这是因为 接头f r p 板两侧的混凝土对f i 心板提供了有利的约束作用，随着b b c 的增加，约束 作用越来越小。 f r p 与钢结构粘结性能试验研究 陆新征、叶列平【u 】等人基于细观单元有限元模型的分析研究结果提出了一组新的界 面模型，分别称为：精确模型、简化模型和双线性模型，其中精确模型可以考虑不同界 面胶层刚度的影响，简化模型和双线性模型则适用于一般界面粘结胶层。将这些模型与 2 5 3 个面内剪切试验强度对比，以及1 2 个面内剪切试件应变对比，可以发现：这组粘结 滑移模型无论是计算剥离强度还是计算f r p 的应变分布都与大量实验结果吻合良好。研 究结果同时表明：典型的粘结滑移曲线由上升段和下降段组成，在滑移非常大时，其粘 结应力趋于零；一个正确的界面粘结滑移模型必须同时具有合理的曲线形状和准确的界 面破坏能。他们还建立了有限元模型，混凝土单元采用实体( 二维或三维) 单元模拟， f r p 布使用链杆或梁单元( 对于二维分析) 膜单元或壳单元( 对于三维分析) ，f r p 布和混凝土之间直接通过共用节点的方法来连接。编制了相应的混凝土本构程序进行计 算，并根据数值模拟结果分析了f r p 布混凝土之间的破坏过程 1 4 】。 任慧韬、姚谦峰【”l 等人采用单面剪切试验方法研究g f r p 与混凝土粘结性能。试验 考虑的因素包括混凝土表面处理情况、混凝土强度、g f r p 的宽度、g f r p 与混凝土宽 度比、g f r p 在混凝土粘结面上的粘结长度等。实验过程中g f r p 与混凝土的粘结破坏 出现了3 中破坏特征：g f r p 与混凝土的剥离破坏；混凝土的剪切破坏；混凝土发生剪 切破坏和大面积的剥落。试验结果分析发现，极限粘结强度与粘结长度有关，但粘结长 度超过有效粘结长度后，极限粘结强度增加缓慢或不再增加；极限粘结强度和混凝土抗 压强度的4 次方根成正比；极限粘结力和f r p 的宽度成正比；f r p 宽度与混凝土宽度 比越大，极限粘结强度越低。 吴继峰浇【1 6 1 筑了8 根钢筋混凝土矩形截面简支梁作为试验梁，研究纤维布加固钢筋 混凝土梁的抗弯性能。研究者进行了碳纤维布( c f r p ) 、玻璃纤维布( g f r p ) 、以及 碳纤维布和玻璃纤维布( c f i 啦，g f r p ) 混杂加固钢筋混凝土梁在不同持荷情况下的试验 研究。试验过程中试件的破坏形式主要有以下三种：混凝土压碎破坏；纤维布拉断破坏 和从跨中裂缝发生的纤维布粘结破坏。通过对试验结果的对比分析发现，钢筋混凝土梁 利用f r p 加固以后，其屈服荷载、极限承载力能够显著提高，而开裂荷载提高很少。从 不同加固材料看，试件承载力提高能力从高到低所用的加固材料依次为：c f r p 、 c f r p g f i 冲、g f r p ，从不同加载历程来看，承载力随着初始荷载的增加而降低，但是 降低的程度不大。f r p 加固对开裂荷载的提高影响不大，但是能够有效抑制裂缝开裂后 的发展速度和裂缝间距。试验结果表明：f r p 加固试件的平均裂缝开展长度小，裂缝宽 度窄，间距小。在不同的加载历程下，加固前所受到初始荷载越大，裂缝宽度越大，平 均裂缝间距越大。通过比较主筋和f r p 共同工作时的荷载应变曲线，可以看出f r p 的 抗拉作用主要是在钢筋屈服后发挥出来的，而在此之前，f r p 的作用相当于钢筋，协助 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 钢筋受力。作者根据基本假定，对f r p 加固钢筋混凝土梁正截面承载力的计算公式进行 推导。用挠度法和能量法计算了各个试件的延性系数。对比分析了不同加固材料和相同 的加固材料不同加载历程的延性的差别。推导了f r p 加固钢筋混凝土梁裂缝间距和裂缝 宽度的计算公式。同时，作者编制了纤维布加固钢筋混凝土简支梁的荷载挠度曲线计 算程序，通过程序对f r p 加固梁进行了参数分析得出：加固试件的承载力随着混凝土强 度等级、配筋率、f r p 层数、f r p 弹性模量的增加而提高，而提高的程度随着各种因素 的影响而不尽相同。 曹双寅、潘建伍【l7 】等人在外贴纤维复合材料( f r p ) 与混凝土结合面的双剪试验中， 采用了电子散斑干涉技术( e s p i ) 对f r p 混凝土的变形场进行了测试，研究了c f r p 与混凝土结合面的粘结滑移本构关系，试验结果指出，粘结滑移曲线的峰值应力与混凝 土立方体抗压强度有关，并提出了由非线性上升段和线性下降段两部分组成的f r p 混 凝土结合面粘结滑移关系曲线的基本模式。 尚守平、彭掣峪1 9 】等人对预应力碳纤维布材加固混凝土梁构件的性能做了初步的研 究，并提出了应用预应力碳纤维布材加固梁构件的施工工艺。在此基础上，作者进行了 9 根试件的试验。通过试验结果对比了预应力碳纤维布加固的受弯构件与非预应力碳纤 维布加固的受弯构件的开裂荷载、极限荷载、抗弯刚度等工作性能，分析了预应力对构 件弯曲性能的影响，讨论了预应力水平变化引起的构件使用荷载以及变形能力的变化。 试验发现预应力碳纤维布材加固的试件开裂荷载较对比试件提高了4 3 至2 1 4 ，在对 比试件屈服荷载下的变形为对比试件的2 9 8 至5 6 3 。根据平截面变形假定，考虑材 料的非线性性质，用分级加应变的方法计算预应力碳纤维布加固的混凝土梁的荷载挠 度关系，得到了5 根预应力碳纤维加固混凝土梁和4 根非预应力加固混凝土粱的苟载 挠度曲线与试验结果吻合较好。并在此力学模型的基础上对预应力碳纤维布加固的受弯 构件的二次受力性能进行了非线性分析，研究了碳纤维的初始应变、截面高度、预应力 大小对被加固梁受弯性能的影响。分析结果表明，预应力可有效发挥碳纤维高强性能， 二次受力条件下预应力碳纤维布材的加固效果好于非预应力碳纤维布材加固，可有效解 决构件二次受力应力应变滞后问题。 王文炜、李果刚等人对g f r p 加固钢筋混凝土梁进行了实验研究，试验中变化的参 数为粘贴层数、g f r p 端部距粱支座距离、混凝土强度等级、配筋率、粘结长度。试验 过程中发生了三种破坏形式：受压区混凝土压坏、布拉断、布端部剥离。考虑钢筋、混 凝土的材料非线性行为，采用有限元软件a n s y s 分析f r p 加固的钢筋混凝土受力全过 程。有限元模型中混凝土采用s o l i d 6 5 单元，钢筋采用l i n k s 线单元，f r p 采用s o l i d 4 6 单元。非线性有限元计算的荷载位移曲线与试验梁实测荷载位移曲线的比较可以看出。 f r y 与钢结构粘结性能试验研究 计算值与试验值吻合较好。并根据计算结果，分析了f r p 加固钢筋混凝土粱的极限荷载、 剥离荷载、f r p 的应变分布、f r p 端部区应力分布情况及受力机理，分析结果表明，荷 载较小时，试验梁未开裂，f r p 布粘结剪应力较小，除端部应力较高外，其他地方分布 比较均匀，随着荷载的逐渐增加，f r p 布端部粘结剪应力逐渐增加，梁出现裂缝的地方， f r p 布应力突然增加，应力分布的不均匀性逐渐明显。 h u n e b u m 和y u i c h is a m 2 l 】以试验为基础研究了f r p 加固混凝土结构在单一荷载和 循环荷载下的粘结滑移关系。试验中采用了三种变量：f 1 冲的种类、f r p 的层数、加载 的方式。试验过程中所有试件的破坏形式均为f r p 片材的剥离破坏。研究结果表明，极 限承载力和最大位移随着f r p 片材刚度的增加而减小，而且在加载卸载的循环荷载过 程中可以观察到试件的塑性变形和还原。通过对试验结果的分析，推导出了粘结应力 滑移关系模型，经验证，计算值与试验值吻合良好。 r u d o l f s e r a c i n o 和n i e o l am j o n e s 2 2 等人通过推拉试验( f i g 1 1 ) 研究近表面镶嵌 f r p 条与混凝土结合部分的粘结强度问题，试验过程中采用的变量包括：f r p 条的粘结 图1 1 推拉试验装置图 f i g 1 1p u s h - - p u l l t e s t s p e c i m e n 长度、f r p 条的宽厚比和混凝土强度。试验过程中产生了三种破坏模式：剥离破坏( 裂 纹在混凝土内部传播) 、f r p 条被拉断、f l i p 被拉出( 破坏发生在胶层) 。通过对试验 结果的研究发现，破坏荷载随着f r p 条宽厚比的增加而增大，破坏荷载随着混凝土强度 的升高而增大，当粘结长度达到有效粘结长度后，破坏荷载不再随着粘结长度的增加而 增大。通过对试验数据的非线性回归分析，研究者建立了剥离承载力的预测模型，并将 试验值与预测值比较，得出其置信度为9 5 ，二者吻合很好，说明了该模型用于预测破 坏荷载是可行的。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 郭樟根、孙伟民侧等人采用简单有效的修正梁模型来研究f r p 与混凝土的粘结性 能，其变化参数为混凝土强度和f r p 粘结长度。通过观察发现，纤维的剥离是从剥离起 源点即加载端向锚固端逐渐发展的，纤维应变在其剥离后基本没有再增长。试验研究发 现，纤维与混凝土粘结界面的破坏形态为表层混凝土受剪破坏，纤维剥离应变和粘结剪 应力最大值都随混凝土强度的增加而增长，而与纤维长度无关，粘结剪应力滑移曲线 为双曲线，由上升段和下降段组成，基本呈抛物线形状。文章提出了3 种粘结应力滑 移本构模型，且3 种模型与试验结果吻合较好。 郭馨艳、黄培 2 4 1 等人从理论分析着手，基于线弹性假设，推导了预应力f r p 片材 增强r c 梁在外载作用下的界面剪应力计算公式，并利用有限元分析进行了比较，两者 计算结果吻合较好。通过分析r c 梁的几何尺寸，粘结层的剪切模量和粘结层厚度，f r p 片材和混凝土的弹性模量，f r p 片材的厚度等都会对界面的剪应力产生影响，其中初始 预应力，界面层厚度对界面应力影响较大。由于混凝土的抗剪强度低于粘结胶的剪切强 度，混凝土也容易发生剥离，片材端部要进行锚固或抗剪加固，锚固和抗剪加固的长度 和方式根据片材端部的最大应力进行设计。 但是由于钢材与f r p 性质上的差异及其在工程结构中的相互作用与传统的结构加 固方法相差很大，所以目前国内外对于f r p 加固钢结构的研究还处于初步的探索研究阶 段。 e d b e r g 和m e r t 2 p 】等人采用不同的f r p 加固方案对跨度为1 3 7 2 m m 的工字型截面 钢梁进行了试验研究。第一种方案是将4 6 m m 厚的碳纤维板直接粘结在受拉翼缘底部； 第二种方案是在粘贴碳纤维板之前先粘贴铝合金蜂窝板；第三种方案是先将轻质的泡沫 制品粘贴到受拉翼缘底部，然后缠绕碳纤维片材；第四种方案是将拉挤g f r p 槽型板粘 贴到受拉翼缘底部，并用螺栓机械连接。加固后的钢梁采用四点受弯进行试验，刚度分 别比加固前提高2 0 、3 0 、1 1 、2 3 ，而极限承载力分别提高4 2 、7 1 、4 1 、 3 7 ，第二种加固方案对刚度和承载力能力提高最有效。 赵启林、王景全 2 0 3 等人提出了碳纤维加固钢结构的“反拱预应力技术。，其基本思 路是：将传统的体外预应力施加技术与碳纤维加固技术结合起来，在具体实施时，首先 利用已经成熟的体外预应力施加技术，在结构使用荷载的反方向施加荷载，消除已有变 形并且使结构产生一定的反向变形，并在该变形状态下粘贴碳纤维，当碳纤维与钢梁等 结构粘贴可靠后撤收施加预应力的设备。通过理论推导发现，该技术再强度设计准则下 可以有效提高钢结构的承载能力。同时研究者推导出利用该技术加固矩形截面钢梁时正 截面上的应变预应力分布计算公式，并用有限元进行了对比分析，解析解与有限元解较 为吻合，可以作为工程应用的技术公式。 f r p 与钢结构粘结性能试验研究 江克斌、许特叨等人将传统预应力技术与碳纤维加固技术相结合，对预应力碳纤维 加固钢结构进行了研究，应用碳纤维对钢结构进行加固时，首先对碳纤维拉伸，然后将 处于拉伸状态的碳纤维与钢结构进行粘结，待二者粘结可靠后将预应力施加设备撤走。 研究者通过理论分析推导出了碳纤维加固钢结构的承载力计算公式，并应用a n s y s 软 件对长5 0 0 0 m m ，高3 0 0 r a m ，宽1 0 0 m m 的矩形截面钢梁进行了非线性分析，计算结果 与有限元解吻合良好，证明了该计算方法可以用来计算预应力碳纤维加固钢结构的计 算。 a a e i d a m a t t y 和m a b l l s b a 訇l 一邛】通过试验研究了f r p 粘结钢结构的剪切、剥离性 能，采用f r p 片材粘结空心钢截面的剪切搭接试验，试验过程中出现了3 种破坏形式： 胶粘剂和f r p 界面之间的破坏、胶粘剂和钢界面之间的破坏、胶粘剂与f r p 界面之间 的破坏和胶粘剂与钢界面之间的破坏的组合。试验过程中，f r p 与胶层之间的切向性能 通过位移来确定，法向性能通过f r p 的表面应变和法向位移来确定。通过f r p 片材在 试验中的切向和法向性能得出闭合的分析模型方案，确定了剪切和剥离的弹性常数，并 分析了胶层中的剪切和剥离应力的分布。通过理论分析给出了最大剪切应力和最大剥离 应力的计算方法。 张宁、岳清瑞 2 9 - 3 0 通过对拉拉应力状态下碳纤维布加固钢结构k 形焊缝疲劳性能 的试验研究与分析发现，碳纤维加固后焊趾处应力重新分布，碳纤维承担焊趾处的部分 应力，焊趾处钢材应力明显降低，导致钢材焊趾处应力集中系数降低，改菩了钢构件焊 趾部分的疲劳性能，碳纤维加固试件的疲劳寿命高于原状焊缝，从而延长了钢结构疲劳 构件的使用寿命，具有很高的应用价值。他们通过试验和解析方法对粘贴碳纤维布加固 修复钢结构技术的粘结界面受力性能进行了分析，提出了粘结界面剪切应力的计算公 式，并在实际算例中取得了与试验较为吻合的结果；同时，初步探讨了不同粘贴参数对 复合构件粘结界面应力的影响，为实际结构的加固修复提供了理论依据。 李鹏、徐德新m 】等人对4 组截面尺寸基本相同的工字型钢梁进行了加固，4 组试件 的加固方式分别是：未加固、梁底面满粘l 3 0 0 - c 型碳纤维布、梁底面粘4 0 m m 宽1 2 r a m 厚的碳纤维板、梁底面粘4 0 m m 宽1 4 r a m 厚的碳纤维板。试验采用4 点弯曲，逐级加 荷载的方式，从加固结果看，强度极限分别提高了1 2 0 7 、2 9 3 1 、3 4 4 8 ，屈服极 限分别提高了1 4 8 0 、2 7 “、3 2 6 7 。可见采用碳纤维加固钢结构，承载力有了一 定的提高，并且随着粘贴的碳纤维宽度和厚度的增大，承载力的提高幅度越大。 郑云、叶列平 3 2 】等人采用断裂力学的方法对c f r p 加固含疲劳损伤裂纹钢板来改善 其剩余疲劳寿命进行了研究。基于线弹性断裂力学理论，研究者采用本文的有限元模型 ( - - 维块体弹簧板模型) 对表征疲劳裂纹扩展速率的裂纹前应力强度因子进行了计算 - - 8 一 大连理工大学硕士学位论文 分析，与相关文献的算例和试验结果进行比较，有较好的准确性。通过引入p a r i se r d o g a n 裂纹扩展模型，计算结果表明，采用c f r p 双面粘贴加固后钢板的剩余疲劳寿命得到显 著提高，从理论上验证了用c f r p 加固疲劳损伤钢结构是非常有前途一种加固方法。 彭福明田删等人对粘贴f r p 加固后的轴心受压钢管进行了理论分析和有限元计算。 通过对理论公式和有限元计算结果的分析可以得出，纵向粘贴f r p 对提高钢结构轴心受 压构件的弹性屈曲荷载比较明显；增加f l 啦的厚度能提高构件的界面刚度，增加f r p 的粘结长度能提高构件的整体刚度，因此，增加f r p 的厚度和粘结长度对提高加固构件 的屈曲荷载有利；理论公式与有限元计算结果吻合较好，可以用来预测钢结构轴心受压 构件的弹性屈曲荷载。他们还指出，f r p 与钢结构之间的荷载传递是通过这两种材料之 间的粘结界面及粘结胶层的剪切变形来实现的。并对粘贴f r p 加固修复钢结构的荷载传 递效果影响因素及进行了系统的分析，分析结果表明：随着钢材弹性模量降低，f r p 端 部的剪应力和剥离应力峰值增大；随着f r p 弹性模量的增大，f r p 端部的剪应力和剥 离应力峰值增大；随着胶层剪切模量减小，f r p 端部的剪应力和剥离应力峰值迅速降低， 且剪应力和剥离应力的分布长度更长：随着f r p 厚度增加，f r p 端部的剪应力和剥离 应力增大，且剪应力的分布长度更长，但剥离应力的分布长度基本相同；随着胶层厚度 增大，f r p 端部的剪应力和剥离应力减小，且剪应力的分布长度更长，但剥离应力的分 布长度基本相同；当加固构件的使用温度与固化温度之间的差值增大时，f r p 端部的剪 应力和剥离应力也增大，且剪应力的分布长度更长；脱胶对加固构件的主要影响是引起 脱胶区域附近f r p 和原构件应力的增大，而胶层剪切强度损失不大。 马建勋、宋松林唧】等人采用碳纤维布钢结构搭接接头的单剪试验方法，深入研究 了碳纤维布钢结构的抗剪粘结性能，探讨了纤维布的粘结长度、层数、宽度比以及粘 贴工艺等不同粘结参数对复合构件粘结性能的影响。通过对试验数据的分析发现，碳纤 维布较薄时，破坏发生在胶钢构件界面，碳纤维布较厚时，碳纤维复合材料发生层间 破坏；随着碳纤维布与钢构件粘结长度的增加，复合构件抗剪粘结强度不呈线性增长关 系，而是存在一个。有效粘结长度“，当粘结长度小于有效粘结长度时，粘结强度增长 较快，当粘结长度超过有效粘结长度后，粘结强度增长趋缓；增加碳纤维布的层数可以 显著提高试件的粘结强度；底层树脂、碳纤维布和钢构件的宽度比都对复合构件的粘结 强度有不同程度的影响，但影响不大；碳纤维布上剪力传递总的趋势为，在有效粘结长 度范围内，应力梯度较大，超过有效粘结长度以后，剪力传递微弱，应力梯度很小。同 时，研究者采用解析方法对碳纤维布钢构件的粘结界面受力性能进行了分析，取得了 与试验较为吻合的结果。 f r p 与钢结构粘结性能试验研究 杨勇新、岳清瑞冈等人对纤维布加固钢板进行了静力拉伸试验，采用高强型和高模 型碳纤维布及不同的端部锚固措施，考察了未损伤钢板和损伤钢板加固后的效果。得到 了加固试件的屈服荷载和极限荷载，并对不同的破坏形式进行了分析。试验结果表明， 粘贴碳纤维加固能明显提高钢构件的屈服荷载。测量了碳纤维布的应变分布，得到了碳 纤维布与钢板之间粘结应力分布和碳纤维布的有效粘结长度，并与理论公式的计算结果 进行了对比，二者吻合较好。 卢亦焱【3 7 l 等人通过1 1 组碳纤维布与钢板粘结剪切试验，分析了碳纤维布与钢板发 生的粘结剪切破坏过程、破坏机理，并对碳纤维布的粘结宽度、碳纤维布的层数和粘结 长度等对粘结剪切性能的影响进行了研究。通过分析发现，c f r t 与钢板粘结面上的应 力分布特点为：在粘结端部，剪应力最大，沿着受力方向随着力的传递剪切应力逐渐减 小，超过有效粘结长度，剪切应力以及剪力流的传递基本不存在，可以忽略。研究结果 表明，碳纤维布与钢板的有效粘结长度随着碳纤维布层数增加而增大，而与碳纤维布的 宽度及粘结长度无关；碳纤维布与钢板的极限粘结力随碳纤维布宽度增加而线性增大， 且当粘结长度超过有效粘结长度后，极限粘结力不再随粘结长度增大而增加，但粘结破 坏的延性得到改菩。在试验研究的基础上，根据理论分析以及已有的研究成果，给出了 碳纤维布与钢板粘结的有效粘结长度和粘结长度大于有效粘结长度时极限粘结力的计 算公式，并与试验结果进行对比，吻合较好。 1 2f r p 材料的种类、性质及特点 1 2 1f r p 材料的种类 目前建筑工程所采用的n 冲的材料形式主要有：片材、棒材、型材及特殊构造用材 料。 片材包括板材和布材。板材是指在使用前先浸渍树脂胶，使其固化后成板状，或者 在工厂中使用一定的工艺生产成板状的f i 啦产品，在加固过程中再使用树脂胶粘贴在加 固构件的表面，f p , p 板材主要承受纤维方向上的拉压。布材是目前结构加固工程中应用 最为广泛的形式，它由长纤维一束束单向编织而成，且使用前不浸渍树脂胶，在使用的 时候随时浸渍胶，然后粘贴在加固构件的表面。将f r p 片材粘贴到结构表面用于结构的 补强和加固，是目前f i 冲材料应用实例中最为广泛的形式。 棒材是指将纤维在工厂中按照一定的工艺制成的棒状f r p 制品，它包括f r p 索和 f r p 筋，它们可以代替传统的钢筋和钢索用于混凝土和预应力混凝土的新建结构中，也 可以用来补强加固已建结构。常用的f r p 筋的形式有多种：表面进行砂化处理的g f r t 筋；在几股纤维间用环氧粘结的c f r p 筋；表面进行刻痕处理的f r p 筋等 - 1 0 大连理工大学硕士学位论文 f r p 型材包括网格型、矩型、工字型、层压型、蜂窝型等多种类型。可以直接作为 结构构件，也可以与其他材料组合，广泛用于压力容器、管道等i 姗。 1 2 2f l i p 材料的性质 目前已经研究开发成熟并在土木工程中得到应用的f r p 主要有3 种：碳纤维增强复 合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e ，简写为c f r p ) 、玻璃纤维增强复合材料( g l a s s f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简写为g f r p ) 、芳纶纤维增强复合材料( a r a m i df i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r ，简写为a f r p ) 。 首先，f r p 具有很高的比强度和比模量、密度小； 其次，f r p 具有良好的耐腐蚀性，可以抵抗不同环境下的化学腐蚀； 再次，f l i p 具有可设计性，可以通过使用不同纤维种类、控制纤维的含量和不同铺 层方向等方法设计出不同强度、不同弹性模量、不同性能的f r p 产品d 引。尤其是片材 产品可以根据需要任意裁剪口坷 1 2 3f r p 材料的特点 c f r p 的力学特点是高强度、高模量，具有较高的比强度和比模量。c f r p 的耐 高低温性能好有良好的导电性和导热性，具有反磁性。c f r p 具有较好的耐酸碱性， 除了能被强氧化剂如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐氧化外，一般的酸碱对其作用很小，另 外，c h 心具有很好的耐水性和耐湿热老化特性 g f r p 的抗拉强度较高，但模量较低。