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摘要 用碳纤维复合材料( c f r p ) 加固修复混凝土梁，是一种行之有效的加固方 法，它可以提高梁的承载能力和刚度。 c f r p 加固梁在承受弯曲荷载时的破坏是混凝土压碎、钢筋屈服、碳纤维未 拉断。 本文通过对破坏机理的定义，在已知加固梁的极限弯曲强度时可以求出所需 的c f r p 材料横截面积。 同时讨论了各种参数对加固效果的影响，这些参数包括混凝士强度、配筋率、 粘结长度、c f r p 厚度及刚度等，在设计过程中正确选择参数，可以避免加固 梁发生脆性破坏。 通过对c f r p 加固梁施工工艺及质量控制的研究，可以证明这是一种能够广 泛应用于高速公路桥梁维修的新技术。 关键词：碳纤维复合材料( c f r p ) ；加固修复；混凝土梁。 a b s t r a c t s t r e n g t h e n i n g o fc o n c r e t eb e a m sw i t h e x t e r n a l l y b o n d e dc a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c ( c f r p ) m a t e r i a l sa p p e a r st ob eaf e a s i b l ew a yo fi n c r e a s i n gt h e l o a d c a r r y i n gc a p a c i t ya n d s t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c so f e x f f i n gs t r u c t u r e s c f r ps t r e n g t h e n i n go fc o n c r e t eb e a m sc a nf a i lw h e ns t e e ly i e l d c o n c r e t e c r u s h i n g a n ds t e e ly i e l d c f r pt e n s i d er u p t u r e h e r ew eo b t a i n c o n c e p t s o ff r a c t u r e m e c h a n i n c s ，t h er e q u i r e d c f r p c r o s s s e c t i o n a la r e at oa c h i e v eat a r g e t e dr e s i s t i n gm o m e n to fr e h a b i l i t a t e df l e x u r e a l e l e m e n t a tt h es a m e t i m e ，p a r a m e t r i ca n a l y s e sa r cc o n d u c t e d t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so f c f r po n s t r e n g t h ，r i g i d i t y a n df a i l u r em e c h a n i s m so f r e p a i r e d o fr c b e a m s p a r a m e t e r s c o n s i d e r e da r ec o n c r e t e c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，p e r c e n t a g e o f f l e x u r a lr e i n f o r c e m e n t ，b o n d e dl e n g t h t h i c k n e s sa n ds t i f f n e s so fc f r pl a m i n a t ea n d s o o n b yi n v e s t i g a t i n gt e c h n i c so fs t r e n g t h e n i n go f c o n c r e t eb e a m sa n dg r a s p i n go ft h e q u a l i t y , w ec a nh a v e c o n c l u s i o nt h a tc f r p t e c h n o l o g yi sb e l i e v e dt ob ev e r yu s e f u l f o re x p r e s s w a y p r a c t i c i n ge n g i n e e r i n g k e y b o r d ：c f r p ；s t r e n g t h e n ；c o n c r e t eb e a m s 堡堑丝垫旦壹堡垒堕堑墨墨墅堕坌篓 第一章绪 论 1 1 课题提出 随着辽宁省高速公路通车里程的不断增加，交通部门的管理里程越来越 长，维修任务日益加重，如何养护好高速公路，特别是养护好高速公路桥梁， 保证其良好的使用功能，使之为经济的发展提供一流的保障，就成为摆在管理 部门面前的首要任务。 目前辽宁省高速公路通车里程1 6 3 7 公里，通车里程位居全国第三位，现 已形成一环五射的高速公路网化格局，己在全国范围内率先实现了市市通商速 的目标。高速公路已发展成为促进我省经济不断增长的交通大动脉。 高速公路有以下几个特点：( 1 ) 分布广泛，现已发展到辽宁省版图的四周 边界，东至丹东市，西至朝阳市，南至山海关，北至四平市。( 2 ) 交通量大， 有的路段交通量已达2 万量。( 3 ) 重载，特载车辆多，特载车辆已达4 5 0 吨， 重载车辆超过6 0 吨。这些超载车辆给高速公路造成严重破坏，有些破坏直接 危及用路人的生命，财产安全。( 4 ) 通车年限参差不齐，有的路段通车已达 1 5 年之久，已进入大修期，有的路段刚刚通车，但大多数路段通车在8 年以 上，桥梁病害日益突出。 以桥梁裂缝增加导致梁体承载力下降为代表的桥梁病害日渐增加，经初步 统计有裂缝的梁有4 7 0 多片，占全部梁的1 3 ，承载力下降严重的梁已换掉 5 2 片，其它梁仍在观察之中。 导致裂缝的主要原因：温度效应，篪工过程中混凝土收缩徐变效应，施工 质量，及超载车辆的增加等，其中超载车辆过桥是最主要因素。 正因为以上几个方面的原因，导致高速公路桥梁维修、养护任务繁重，点 多面广，一旦出现破坏就急需维修，否则，就极易造成交通事故。高速公路还 有一个最大特点就是在维修过程中不允许中断交通，这就要求主管部门要认真 研究养护维修对策，力争采用最先进的技术、材料及工艺，在最短的时间内把 高速公路修好，保证其良好的通行能力，使之为用路人提供优质服务。 在桥梁加固补强方面，过去常常用增加截面法和粘钢加固法提高梁的强 度。虽然这两种方法已应用于实际工程，但在推广使用中仍存在较大困难，如 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 施工中需要特定的设备，及存在耐久性、工期长等问题，不能适应高速公路环 境要求。 为适应高速公路桥梁加固特殊的施工环境，保证高速公路的畅通，同时降 低加固成本，所以要研究应用复合材料加固技术。因为该方法可缩短工期，施 工便捷。 经过对多种加固技术分析及加固方案的对比，最终选定用复合材料系列中 碳纤维材料( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 加固技术。 碳纤维对梁结构进行外部加固补强时主要产生两种作用：一是提高梁的抗 弯和抗剪强度；二是对受压区混凝土提供侧向约束。其加固效果可表现为控制 裂缝宽度和提高裂缝分散能力，增强梁的刚度、抗弯性能、抗剪性能、抗疲劳 强度、提高耐久性能力等。 该技术应用于高速公路可以使我省高速公路桥梁维修技术达到同行业先 进水平，是高速公路目前最佳的桥梁维修加固方案。 本次研究最终要解决碳纤维加固赢速公路桥梁的设计方法和施工程序。 1 2 研究概况 复合材料片材加固方法是采用f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 片材对混 凝土构件进行修复加固的新技术，早在1 9 8 2 年已由瑞士m e i e r 教授提出，但 真正应用于补强工程上则是在1 9 9 0 年以后。1 9 9 5 年日本阪神大地震以后，人 们对结构的抗震补强有了进一步的深刻的认识，此项技术也随即受到广泛关 注，应用f r p 加固修复混凝土结构在日本、美国、欧洲等国家得到迅速发展。 国内外都在积极从事此项技术的开发。对于加固结构抗弯性能的研究大体上可 归纳为以下几方面。 1 2 1 材料体系研究 1 2 1 1 加固修复用增强体选择 与通常的结构复合材料一样，由于增强体是荷载的主要承受者，在加固修 复工程中，选择何种增强纤维类型和增强体形式是很重要的。目前用于加固修 复的增强体纤维主要是碳纤维、芳纶纤维与玻璃纤维。采用的结构形式多数为 片材，有时也采用棒材和格状材等，片材之补强主要是通过树脂粘结剂粘贴于 混凝土结构受拉表面；棒材主要是替代传统钢筋，对棒材进行拉伸后在混凝土 2 堡堑丝垫墅蔓垄坌堕堑墨壅丝蔓坌堑一 结构体内或体外进行预应力增强式加固，网格状是通过树脂腻子将其粘在被补 强的结构上从而进行加固。表1 芝鳓甾兰秤螬强纤维的综合性能。 表1 - 2 三种增强纤维的综合性能评价 t a b l e1 - 2 c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e e v a l n a t i o no ft h r e e k i n d so f r e i n f o r e df i b r e 不同纤维复合材料加权额定值 判据加权因子 碳纤维芳纶纤维 玻璃纤维 拉伸强度 39 99 压缩强度 26o 4 模 量39 63 妊期性能 3963 疲劳性能 2642 密度2 4 62 耐碱性26 40 价格3 669 总权数 5 54 l3 2 由于上述原因，在复合材料薄片补强体系中c f r p 片材为最受欢迎的材 料。c f r i ，片材通常是用热固性埘脂将定向排列的碳纤维粘结起来制成薄片。 在实际应用中形式多样，包括挤压片材，预浸片材和干纤维片材等。而且，近 年来碳纤维生产工艺有所改进，使得碳纤维生产成本不断降低，这为碳纤维在 建筑领域的应用创造了有利条件。 1 2 1 2 粘结剂的选择 外粘c f r p 加固技术的成功应用主要依赖于粘结剂的性能，但关于混凝土 c f r p 粘结所用粘结剂的公开指导比较有限 在c f r p 片材加固体系中所用粘结剂多为环氧类。首先，环氧应具有充足 的刚度和强度，可以在混凝土梁和c f r p 薄片间传递应力。其次，环氧还应具 有足够的韧性，可以避免发生混凝土裂缝引起的脆性粘结破坏。实验研究表明 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 双组份的橡胶增韧环氧尤其适合于此种应用。 从c f r p 在不同环境中短期耐久性的研究可以看出树脂是结构耐久性的 关键，玻璃化温度高的树脂耐久性要好。 另外，在粘结剂中加入表面处理剂可以提高混凝土与c f r p 的粘结强度。 例如，原用于提高聚氨酯胶液粘结能力的多宫能团硅烷表面处理剂c h e m g l a x e 9 9 2 6 ，在应用于混凝土表面时可以使其憎水，从而增强表面混凝土的粘结力。 1 2 2 加固修复中的界面分析 复合材料加固修复的整体效果主要是通过复合材料与混凝土的良好粘结 以形成牢固的界面来实现的。主要有三方面的原因会对加固修复界面造成不良 影响：一是修复材料方面的原因，包括修复材料与被修复物的粘结力低和热膨 胀系数的不协调，修复用树脂体系超过适用期；二是修复工艺方面的原因，如 涂胶不均匀或胶量不足，施工时在界面上夹杂不良物：三是被修复物方面的原 因，表面凸凹不平，出现弯曲或剪切裂缝或承受着疲劳荷载等。复合材料和混 凝土之间的界面粘结机理不同，钢筋与混凝土之问的界面粘结强度主要体现在 骨料咬合的摩擦作用，雨复合材料与混凝土之间的粘结强度主要取决于体系之 间的剥离强度。随荷载增大到一定值后，界面会发生剥离，剪应力急剧下降， 如图l 所示。 1 2 3 加固结构正截面抗弯试验研究 复合材料加固混凝土结构正截面抗弯试验一般在钢筋混凝土简支梁受拉而粘贴复合 材料片材四点受弯，有一次加载与二次加载两类。试验参数包括混凝土强度、配筋率、 外粘片材面积、锚固形式、剪跨比、截面开裂影响等。试验结果表明：用复合材料加固 混凝土结构可以提高梁的刚度与极限承载力，限制裂缝的开展等。 p h i l i p 分别使用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维作为增强材料进行了结构补 强试验。研究表明延长片材到支座处是防止片材端部发生局部破坏的最有效的 形式。 a l f a r a b i s h a r i f 对受荷开裂后梁的补强承载力进行了试验研究。结果表明： 随着片材厚度的增加，片材端部的剪应力和正应力也增加，从而导致早期破坏； 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 在片材端部加钢锚螺栓可以避免发生混凝土与f r p 的分离破坏，但在f r p 端 部混凝土中产生应力集中，从而可发生较大的弯曲裂缝进而破坏；最好的锚固 锴噬锚 卢_ 卜l 溜凝士 l粘璺銎面嗣溉凝士i ( b ) 精离发生翦( b ) 澍离发生后 困2f r p 与混凝土问牯结措嚣【1 2 l 图3 牯结剪切强度试验示意圈c 圳 是在片材端部加u 型套箍；片材虽为脆性材料，但能够满足延性的需要。 美国海军研究了c f r p 在预应力混凝土梁中的应用。c f r p 可以显著提高 梁的弯曲能力，但也降低了梁的延性，引起剪切破坏。如果同时进行弯曲与剪 切补强，梁的延性及能量吸收均有增加。 q u a n t r i l 和h o l l a w a y 在1 0 米长的小梁上进行了粘贴f r _ p 的试验。观察了 片材不同面积、不同长宽比、不同材料及不同的端部锚固措施对梁极限承载力 的影响。在预测补强梁的行为时考虑了裂缝截面影响。 g a r d e n 和h o l l a w a y 所做试验表明：梁的极限承载力随片材长宽比及剪 跨比的减少而降低；在片材端部加锚固措施可以延迟材料剥离破坏的发生，但 壁堑堡垫旦壹垄坌堕堑墨墨丝塑坌堑一 在钢筋屈服以前不会提高梁的结构刚度。 u r sm e i e r 和h a n s p e t e rk a i s e r 通过试验研究了c f r p 对梁强度的提高： c f r p 可显著减小裂缝尺寸：裂缝间距变小，总的裂缝宽度变小 l ，2 4 加固结构正截面抗弯计算 加固结构正截面受弯计算方法主要包括弹性力学方法、迭代法及有限元 法。 ( 1 )弹性力学以钢筋屈服后f r p 断裂，钢筋屈服后混凝土压碎作为破 坏准则计算截面内力； ( 2 )迭代方法主要指沿梁高及梁跨划分单元，在同一截面不同高度处 采用平截面假定按照每单元自身的应力应变关系，通过内外力的平衡计算 各部分的内力； ( 3 )考虑到材料的非线性应力应变关系，有限元法主要采用非线性 有限元进行计算。 在加固结构受弯计算中常采用下列计算假定： ( 1 )平截面假定； ( 2 )f r b 、混凝土及纵筋间粘结良好，没有滑移； ( 3 )忽略混凝土拉应交； ( 4 )材料本构关系由标准单轴试验确定。 m a r c i o a r d u i n i 对外粘片材补强的破坏状态进行了总结，提出了发生各 种破坏状态的限定条件，通过迭代方法分析了梁的受力及力的传递。 v a r a s t e h p o u r 和h a m e l i n 考虑了c f r p 与混凝土粘结面粘结滑移的影响， 用迭代法来模拟材料的非线性。对计算内力进行了修正。 q u a n t r i l l 和h o l l a w a y 在参数研究中运用二维有限元模型来评价各种材料 性能和试验方式的影响，明确了影响破坏形式的主要参数及破坏发生的位置。 s a d e n 和b e n c a r d i n o 提出用性能因数来评价补强梁的结构行为，及外部锚 固措施的有效性。 1 3 相关工作 1 3 1 复合材料应用于建筑工业中存在的问题 6 碳纤维加田离速磐路桥粱及经济分析 复合材料在示范工程中的成功应用充分显示了复合材料能够提高混凝土 结构的耐久性和使用寿命。从工程完全竣工开始计算，用于基础结构中的复合 材料其耐久性在1 0 至1 5 年内是非常好的。碳纤维复合材料应用于桥头、桥面、 桥梁上时，可以以最快的速度完成安装，并且对交通阻碍最小。另外，应用复 合材料能够保留结构原始设计性能，延长其使用寿命。 但是，要推广复合材料在建筑工业中的应用，尤其是在公共基础设施这类 永久性建筑结构中的应用，是一件颇费时费力的工作，因为我们面临着许多有 待解决的问题。当土木工程师、建筑师和承包商们用复合材料来增强下列混凝 土结构时，如适用于居住及交通运输用途的结构，他们在工厂或施工现场所面 临的主要问题是： ( 1 ) 缺乏长期的现场施工经验； ( 2 ) 工程师和建筑检测人员对复合材料的性能不熟悉： ( 3 ) 缺少已出版的试验规范和应用情况的资料： ( 4 ) 缺少公认的具体施工与安全规范； ( 5 ) 每磅复合材料的价格高于钢筋的价格； ( 6 ) 比钢筋难获得； ( 7 ) 包装、运输、装卸、处理、贮存和使用复合材料的工作人员不了解 其性能。 1 3 2 工作方向 国内外的政府与研究机构为推广复合材料在建筑工业中的应用，正从事下 面的工作： 1 3 2 i 耐久性问题 关于c f r p 长期性能的现有数据大部分来自于实验室中的加速老化试 验。对于c f r p 的长期应用性能来讲，加速试验数据只能作为参考数据，并不 能完全作为实际问题的解决方法。需要在世界各地进行实际应用，观察不同类 型c f r p 在不同环境下的长期性能。 华盛顿的民用工程研究中心( c e r l ) 与纽约的f r p 市场开发联盟( m d a ) 正从事耐久性问题的研究，他们的工作主要是搜集关于耐久性的数据资料，对 比这些数据问的差异，并将可靠数据推荐给那些需要这些资料的机构、实验室、 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 工程师等用户。 我国对c f r p 加固混凝土结构的研究起步比较晚，目前工作主要集中于基 本性的和验证性的实验，至今只有很少一些人开展这方面的研究工作，有待深 入。 1 3 2 2规范与标准化 规范与标准化是项新技术、新材料得以健康、快速发展的基础。与那 些大型建筑物中主要采用的钢筋、混凝土相比，应用在基础设施中的复合材料 缺少详细的说明与规范。就c f r p 加固混凝土技术而言，它不仅包括技术标准 与规程，而且包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程旋工与验收 的一系列标准化工作。为扩大及加深该项技术的应用，各组织机构正进行积极 的研究。 美国国家公路与运输的官方桥梁与结构委员会( a a s h t o ) 负责收集公路 与桥梁中所用复合材料的信息，对设计方法进行评价。 a c 和a s c e 等标准组织正致力于制定相应规范，目前正采用临时标准代 替。a c i - 4 4 0 f 委员会也在加紧规范草案的充实和修改工作。 欧洲九国共同参加了“高性能纤维复合材料加固混凝土结构设计指南”项 目，该项目将于近期内完成。 日本是编制有关f r p 规程、标准方面起步最早也最完备的国家之一，建 筑院和土木工程学会已分别发表了两个国家级规程。许多相关协会与机构也正 积极推出各自的行业标准。 中国对此项研究的起步较晚中国工程建设标准化协会正在组织碳纤维 布加固修复混凝土结构技术规程的编写工作。 1 , 4 本文主要研究内容 ( 1 ) c f r p 材料特性与加固技术优点 ( 2 ) 结合梁式结构传统的分析方法，通过力的平衡方程迸行正截面抗弯 承载力计算。 ( 3 ) 进行抗剪承载力计算。 ( 4 ) 提出c f r p 加固混凝土梁的施工工艺过程。 8 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 第二章c f r p 材料特性与加固技术优点 2 1c f r p 材料分类 普通碳纤维是以聚丙烯腈( p a n ) 或中间沥青( m p p ) 纤维为原料经高温 碳化制成，碳化程度决定着诸如弹性模量、密度与导电性等性能。 2 1 1 按形式分类 ( 1 ) 片材：通过环氧树脂类粘结剂粘贴于混凝土受拉区表面，是用于结 构修复最多的一种材料。 ( 2 ) 棒材：通常作为代替传统钢筋的材料。即可用于已建结构的补强加 固，也可用于新建结构中。 ( 3 ) 型材：包括多种形状，常见的有格状材，主要通过聚合物灰浆将其 粘结在已有结构上，或用锚固方法固定在结构上。 ( 4 ) 短纤维：可与混凝土搅拌一起形成碳纤维混凝土。 2 1 2 按力学性能分： ( 1 ) 高模量( i 型) 拉伸模量很高，可以达到3 8 0 - - - 6 4 0 g p a ，伸长率 较低，变化范围o 3 0 5 。 ( 2 ) 高强度( i i 型) 拉伸强度在2 4 0 0 3 1 0 0 m p a 之间。 ( 3 ) 中等模量( i i i 型) 拉伸模量一般在2 7 4 3 1 5 g p a 之间。 2 1 3 按原丝种类分： ( 1 ) 聚丙稀腈( p a n ) 基碳纤维：具有高性能纤维片材所共有的优点。 而且还有突出的耐高温( 1 0 0 0 0 c 3 0 0 0 0 c ) 和抗燃特性，不受酸雨的侵蚀，价 格适中。 ( 2 ) 沥青基碳纤维，具有高模量性。 2 2c f r p 材料特性 新型复合材料依靠其优异的性能作为航空、航天和体育休闲用品领域的主 要结构材料，近年来在建筑物和构筑物恢复和补强方面，以碳纤维为主要增强 材料的片材尤其受到青睐；此外作为混凝土结构加固和修补材料，得到广泛应 用。 选择复合材料体系必须考虑材料的短期行为和长期性能、环境要求等。选 9 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 择增强材料主要根据成本和刚性；选择树脂基体主要考虑成本和韧性。通过多 种因素( 如材料成本、以强度和模量表示的结构性能、用抗冲击和韧性表示的 抗损伤性能、在湿热、冷冻解冻、碱等作用下对恶劣环境的抗耐性长期抗 蠕变和抗松弛性能，在有害场所加工形成工艺缺陷的影响等) 的综合评估，确 定所用材料。针对这些因素对各种纤维增强复合材料进行评价如表l 和表2 所示，可见碳纤维增强复合材料是最有效的加固材料。 表1 不同纤维增强复合材料的评价 t a b l e 一1e v a l n a t i o no f v a r i o u sr e i n f o r c e df i b r ec o m p o u n dm a t e r i a l s 判据加权因子 不同纤维复合材料加投额定值 加投因子范围 l 0 碳纤维芳纶e 玻璃纤维 拉伸强度 3999 压缩强度 2604 模量 3963 长期性能 3963 疲劳性能 2642 视密度 2462 耐碱性 2640 价格 3669 总权数5 5 4 13 2 捧列次序 l23 加权因子：3 - - - 非常好：2 - - 好；i 可满足要求：0 - - - 不满足要求。 c f r p 加固修补混凝土结构所用的材料主要有2 种，即碳纤维预浸料与基 体用树脂。碳纤维有很多种，用与加固修补的高性能纤维主要选用p a n 基碳 纤维或芳酰胺纤维。p a n 基碳纤维具有优异的性能，而被用与预浸料，其性 能指标和要求包括：抗拉强度、弹性模量、延伸率、密度、浸透性、均匀、 度、耐腐蚀性等。其具体指标要求见表3 。 i o 壁堑丝塑婴壹堕垒堕堑墨墨丝堕坌塑 表2 不同纤维增强复合材料的耐环境性 t a b l e 2d t l r a b i l i t yo f v a r i o u sr e i n f o r c e df i b r ec o m p o u n d m a t e r i a l s 松弛和蠕变 i - 3 抗湿性 抗碱性 热稳定性 抗盐水性 抗疲劳性 总权数 排列次序 加权因子， 3 - - - 非常好；2 一- 好； 1 - - - 可满足要求；0 一不满足要求。 表3p a n 基碳纤维的指标要求 旦b l ：2l 坠d 曼2 ；垒型磐堕鱼丛氇i ! 咝q 遁垂翌 抗拉强度，m p a弹性模量m p a 延伸率 密度，g c r 一 耐腐蚀性浸透性均匀度 - - - 3 0 0 02 i 1 0 5 i5i 8优良好照好 用于加固修补的预浸料其c f r p 强度为建筑钢材的几十倍，弹性模量 比建筑用钢材的略高，高弹性的c f r p 弹性模量可达到钢材的2 倍以上，且施 工性能与耐久性能良好，是一种很好的结构加固修补用材料。部分知名产品的 性能见表4 。 2 3 树脂粘接剂特性 混凝土结构加固修补树脂系统包括底层涂料( p r i m e r ) ，用于渗透进水泥 表面，促进粘结并形成长期持久的界面基础：油灰( p u t t y ) 用以填充整个表 面空隙并形成平整表面以便使用片材；浸渍树脂( s a t u r a t i n gr e s i n ) 用以浸 渍片材在混凝土表面原位形成层板。作为标准湿法铺层树脂体系的一般要求如 下： ( 1 ) 组合材料很容易混合。 ( 2 ) 室温适用期大于3 0 m i n 。 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 ( 3 ) 具有低的工作粘度。 表4c f r p 性能 t a b l e 一4c f r p p e r f o r m a n c e ( 4 ) 可室温固化。 ( 5 ) 固化到不剥落的时间在1 2 2 4 h 。 ( 6 ) 固化度7 0 的时间不多于4 8 小时。 ( 7 ) 完全固化的时间不多于7 d ( 8 ) 粘结强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。 ( 9 ) 固化过程中不挥发，不放出气体。 室温下环氧树飓固化时收缩率低，表现良好的抗湿气渗透性能，力学性能 优，和不同的纤维都有很好的粘结强度。粘度一般在3 0 - - 1 5 0 c p s ，触变系数 3 o 一8 0 ，低温下，甲基丙烯酸酯( m 淞) 工作粘度大约在3 0 0 0 c p s ，在一5 c 一3 0 温度范围内，通过调节固化剂的含量，树脂的工作时间可控制在 3 0 4 0 m i n ，干燥时间大约2 小时。加固胶粘剂已在工程中得到应用，施工工 艺仍采用所谓的“三步法”，效果良好。大连凯华公司研制的碳纤维片材加固 胶粘剂即将通过中国科学院组织的鉴定，其中浸渍树脂的性能较突出，现列表 1 2 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 如下，供参考。 表5 剀华公司的浸渍树脂主要性能 t a b l e - 5m a i n p e r f o r m a n c e o fi m m e r s e dr e s i n p r o d u c e db yk e l y c o - 忡 拉伸强度m p 8 6 0 7 体 弯监强度部8 弱0 性 能压缩强度m p a 9 0 0 粘 拉伸剪切强度( 金属金属) n p a 2 0 0 结 性 能 对接接头拉伸强度( 金属金属) m p a 3 0 0 正拉强度( 金属混凝土) 混凝土破坏 笔者还发现，填料会影响到胶粘剂的热老化性能。填料的种类和用量等因 素都会影响到粘结接头的抗老化能力，胶粘剂的配方中引入适当填料能改善老 化性能。浸演树脂一般不台填料，对其老化性能的砑究应当特另q 注意。另外， 浸渍树脂对碳纤维的浸润性也是一个关键问题。降低浸渍树脂的粘度，表现上 只是增加了对碳纤维的渗透性；笔者认为，只有从环氧树脂本身的分子结构考 虑，才能解决这个问题。 碳纤维加固技术虽然在国内只是刚刚兴起，但已受到有关部门的高度重 视。中国工程建设标准协会正在组织制定碳纤维片材加固修复混凝土结构技 术规程，其中对胶粘剂，特别是浸渍树脂作了硬性规定，具体要求见表6 。 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 袤6 浸渍树脂的性能指标 婴丝里! ! 鱼翌竺坚! 竺! 墅2 1 1 竺墨! ! 塾1 2 1 型竺l 一 基本性能项目 规定指标 胶压缩强度胂p a 1 7 0 体拉伸强度i q p a 1 3 0 性弯曲强度m p a 4 0 能弹性模量m p a 4 0 1 0 1 从表中可以看出，我国对浸渍树脂性能的要求是很高的，在某些方面超过日 本规定的使用标准 2 4 c f r p 加固修补混凝土结构技术优点 ( i ) 高强高效。在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、离弹 性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载能力和延性，改善受力性能，达 到高效加固修补的目的。 ( 2 ) 施工便捷，旅工工效高，没有湿作业，不需大型施工工具，无需现 场固定设施，施工占用场地少。成品幅宽可以为2 0 e r a ，3 0 c m ，5 0 c m ，l o o c m ，每 卷长度5 0 一l o o m ，现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片裁剪。粘贴c f r p 法 是粘贴钢板施工工效的4 8 倍。 ( 3 ) 具有很好的耐腐蚀性及耐久性。可以抗拒经常遇到的各种酸、碱、 盐对结构物的腐蚀。不需要采用粘钢法所需要的定期防锈维护。 1 4 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 ( 4 ) 适用面广 c f r p 加固修补结构可以广泛用于各种结构类型。各种结构形状，各种结 构部位的加固修补，且不改变结构形状，不影响结构外观，这是目前任何一种 结构加固方法所不可比拟的。 ( 5 ) 旆工质量有保证。由于c f r p 固化前是柔弱的，即使加固的结构表面 不是非常平整，也可以保证有效粘贴率近1 0 0 ；此外，即使是粘贴固化后发 现表面局部有气泡，也很易于修补，只要用树脂注入气泡中将空气赶走就可以 了。而粘贴钢板则很难达到有效粘贴面为1 0 0 。 ( 6 ) c f r p 预浸料质量小且薄，粘贴后单位面积质量小于1 o k g ( 包括树 脂) 。单层粘贴后厚度仅1 o m m 左右，基本不增加几何尺寸。 由此看出，c f r a 加固修补混凝土技术的优势十分明显，正好满足加固要 求，是一种具有广阔前景的加固方法。 2 5 小结 ( 1 ) 本章主要介绍了c f r p 材料种类的划分，及其特性。 ( 2 ) 介绍了树脂粘接剂的特性及性能指标。 ( 3 ) c f r p 加固修补混凝土结构技术优点 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 第三章碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算 碳纤维片材( c f r p ) 加固修复混凝土结构技术是近几年来迅速发展起来的 一项新型加固技术。因其具有高强高效、旖工快捷、耐腐蚀且不显著增加构件 截面大小等优点，故丽被广泛地应用于实际工程中。在我国，采用碳纤维进行 工程加固和改造，取得了良好的经济和社会效益。同时，国内的许多的学者对 碳纤维进行了试验和理论上的研究，且取得了一定的成果，但大多数均以试验 为基础，未能从理论上将计算公式与试验统一起来。在本文中本着这一思路， 从研究碳纤维加固钢筋混凝土梁的弯曲破坏形态出发，运用混凝土的平截面假 定的理论，提出了一系列的碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算公式。 国内许多资料m 。1 表明碳纤维加固钢筋混凝土梁弯曲破坏形态主要是以下 几种：碳纤维拉断破坏；混凝土压碎，钢筋屈服。而碳纤维未拉断；混 凝土压碎，钢筋和碳纤维均未屈服和拉断；粘结破坏。四种破坏中除第种 破坏具有一定的塑性变形外。其余均表现出明显的脆性破坏。至于第种破坏， 我们可以通过加强碳纤维端部锚固的方法加以避免。 因此，笔者从前三种破坏形态出发，结合钢筋混凝土梁加固计算理论，研 究碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式。 3 1 钢筋混凝土粱碳纤维加固理论 3 1 1 材料性能指标 目前国内普遍采用的碳纤维；b n y c 材为高强型p a n 基碳纤维片材，分为 2 0 型和3 0 型两种，其主要的材料性能指标如表7 。 表1 常用碳纤维的性能指标 t a b l e - 7 p e r f o r m a n c ei n d e xo f c a r b o n i cf i b r ei nc o n l m o r il l s e 兰竺! 兰堡墅塑! 竺： 堡壁! 竺垫垫堡堡! 些! 翌垡堕墨! ! 堡坚壁垄：! ! ! ： 2 0 型2 0 0 0 ，1 1 13 5 5 0 2 3 5 x 1 0 6 1 5 0 0 0 3 0 型3 0 00 1 6 7 3 5 5 023 5 x 1 0 5 1 5 0 0 0 3 1 2 基本假定 ( 1 ) 碳纤维加固梁的正截面在弯曲变形后保持平面，即截面中的应变按 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 线性规律分布。因此，前述三种破坏形态可由平截面假定表达出来，详见图1 。 一 每，7 厶 a = o 0 1 0 舶l ( 2 ) 碳纤维可视为理想线弹性材料，其应力6 。，取等于其应变e 。与弹性 模量艮的乘积，但不得大于其极限抗拉强度f c 。= 3 5 5 0 m p a ( 3 ) 其余三个假定同普通钢筋混凝土受弯构件的正截面计算规定。 f r b 、混凝土及纵筋间粘结良好，没有滑移； 忽略混凝土拉应变； 材料本构关系由标准单轴试验确定。 3 1 3 对钢筋混凝土梁碳纤维加固的评述 对于普通钢筋混凝土梁如图2 所示，由平截面假定和力的平衡关系可知： t c = t s = b h 。= a 。，( 1 ) m u = b h 。e ( 卜0 5e ) ( 2 ) 由式( 1 ) 、式( 2 ) 可知，不增加梁截面，若想提高钢筋混凝土梁的抗弯 承载力。其关键在于增大钢筋混凝土梁的受压区高度。因此，诸如采用碳纤维、 粘钢、粘玻璃钢加固等一些方法均是从这角度出发的加固方案。此类方案的 优点是操作简单、快捷，缺点是可能导致加固后随着钢筋混凝土受压区高度的 增加，其弯曲破坏的脆性性能越来越明显。 3 2 本文中提出的理论公式 3 2 i 界限破坏理论 如图3 示，取受压区混凝土极限压应变力。= o 0 0 3 3 = 3 3 0 0 1 0 1 ：碳纤维 1 7 堡堑丝塑回堕婆坌堕堑墨墨丝堕坌堑 极限拉应变取至试验测得的最大应变值e 。= 0 0 1 0 = 1 0 0 0 x1 0 4 ，这是因为在 试验中碳纤维往往很难达到均匀受力的状态，故其最大的拉应变达不到单丝的 1 5 0 0 0 x1 0 4 ，仅为最大值的6 6 7 。这与文献“3 的计算值0 9 ( 贴两层) x 0 8 5 = 0 7 5 6 相接近；钢筋此时则被认为达到屈服。由平截面假定可得碳纤维 加田钢筋混凝土梁受压区的界煨高度如下求得。即 和石版 i - 皇o 量：? l 等：三 5 c n x o l + 盯 将 d ：_ 6 c u ：盟：o 333君tl孙：o8x。代入上式，得10000颤# 。 x o b = o 2 h ( 3 ) 故当混凝土受压区高度达到0 2 s h 时，碳纤维加固钢筋混凝土梁的破坏 表现为受压区混凝土压碎，受拉区钢筋屈服，碳纤维拉断的界限破坏形态。 由此可见，除了粘结破坏外，笔者认为碳纤维加固的其余三种破坏形态的 碳纤维加固高速公路桥梁及经济分析 产生是随着梁内受压区高度eh 的增加而相继发生。 3 2 2 当e eh 0 2h 时，碳纤维拉断破坏 类似于普通钢筋混凝土梁的“少筋破坏”，由于外荷载较大，而钢筋、碳 纤维配置相对较少，从而使得混凝土受压区高度较小，梁的抗弯能力也较小。 在外荷载的作用下，碳纤维加固梁的受拉区的碳纤维、钢筋先后拉断和屈服， 最终导致整个构件破坏。如图3 所示，此时受压区混凝土极限压应变为 。= o 0 0 3 3 = 3 3 0 0 1 0 4 ：碳纤维极限拉应变为。= o 0 1 0 = 1 0 0 0 0 1 0 1 ：钢筋被 认为屈服。计算如下： t 。= t 。+ t 。= f 。bhe = f ，a 。+ f 。a c ， 所以翻：f ya , + f c r , a c f j i b ( 4 ) 其中f 。= e c fe 。由此可得： m c = f e f h 。( h 一h 2 ) + f ，a 。( h 。一eh 2 )( 5 ) 此类破坏形态是以碳纤维率先拉断为破坏标志，由于碳纤维抗拉强度远大 于钢筋的屈服强度，故而一旦碳纤维拉断后，钢筋迅速屈服整个构件马上破坏， 表现出明显的脆性破坏的性能。 3 2 3 当0 2 h 毛h en 1 0 时，混凝土压碎，钢筋屈服，碳纤维未拉断 由于碳纤维未拉断，而钢筋则发生屈服，因此此类破坏在破坏过程中具有 良好的塑性形变的能力，故设计中应当尽可能的将梁的受压区高度限制在这 范围内。如图4 所示，此时受压区混凝土极限应变为e 。= 0 0 0 3 3 = 3 3 0 0 x 1 0 * ： 碳纤维极限拉应变为：e 。， e 。：钢筋达到屈服。计算如下： 由相似三角形原理知 占c f 2 - 占c u h = 0 8 x f 册b h = f , a 。+ 。f e o f h 。， 由式( 6 ) 、式( 7 ) 、式( 8 ) 可计算出混凝土受压区高度eh m 。= f o b h 2e ( 1 0 5e ) 一f ，a 。( h h 。) 9 ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 堡堑丝垫旦壹垄坌堕堑墨墨丝堕坌堑 角 一 汤 7 界馕麓环 l i ，他 _ i ，o 0 1 5 田4 此类破坏形态具有一定的塑性变形的能力，是我们进行加固设计较为理想 的破坏形态。 3 2 4 当l 。h 。 e h h 时，混凝土压碎，钢筋未屈服，碳纤维未拉断 由于在加固设计中，我们的目的是尽可能地提高混凝土的受压区高度。以 达到使用荷载作用下的正截面承载力的要求。因此，碳化纤维加固设计中，我 们常常会将混凝土的受压区高度设计地过大，从而导致梁发生了类似于普通钢 筋混凝土梁的“超筋破坏”，这类破坏在碳纤维加固设计中是允许的。但是笔 者认为应限制混凝土受压区高度，给其一个极限高度nh ，其值的确定详见后 面所述。如图5 所示，此类破坏时受压区混凝士极限压应变为e 。= 0 0 0 3 3 = 3 3 0 0 1 0 一；碳纤维极限拉应变为：e 。， 。：钢筋被认为未达到屈 服，其应力为0 。= e , a 。 ；h( 1 7 ) 3 3 2 碳纤维拉断破坏 由式( 1 7 ) 计算得h 代入式( 5 ) 中，得 如= 糌 ( 1 8 ) 如3 瓦j 可 u 邵 此类加固设计能很好地发挥碳纤维材料的高强性能，而且能有效地提高钢 筋混凝土梁的抗弯承载力，但梁的脆性大。 3 3 3 混凝土压碎，钢筋屈服，碳纤维未拉断 由式( 7 ) 、式( 9 ) 计算得eh ，二次判断，代入式( 6 ) 中，计算得e 。 再代入式( 8 ) ，得 缸：l b 孝h = - f 一, a , ( 1 9 ) 占c f l 2 c f 此类加固设计就碳纤维材料性能利用率和提高梁的抗弯承载力幅度均为一 般，但能相对增大梁的抗弯能力。 3 3 4 混凝土压碎，钢筋未屈服，碳纤维未拉断 采用迭代法计算，将式( 1 7 ) 计算得h ，二次判断后，代入下式进行 计算： h x c f2 c c u x s i ：坠兰s c u 工 跏= 0 8 x m = 二6 翻2 ( 1 一u 2 ) 一e 4 ( 一k ) 反复迭代计算，直至h ，再将h 、e 。( 1 2 ) 计算得： ( 2 0 ) 堡堑堡塑旦壹堕叁堕堑墨墨丝堑坌塑一 如= 警 ) 此类设计类似于钢筋混凝土中的“超筋”设计，破坏时碳纤维和钢筋的高 强性能均未能充分发挥，而且对钢筋混凝土梁的