（工程力学专业论文）外贴板材加固混凝土梁的界面粘结应力研究及工程应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 混凝土结构的维修和加固己成为国内外建筑行业的热点和难点问题。本文 以外贴板材加固混凝土梁为对象，研究其在弯曲破坏和外贴板材板端剥离破坏 时的承载力计算方法；获得外贴板材端部界面剪应力、正应力及考虑滑移效应 下得变形计算求解的过程，对影响外贴板材端部应力的各种因素进行了参数分 析；对加固工程中常用的结构胶的粘结应力进行了温度影响的试验与分析：并 应用上述理论结合中国银行汉口分行( 原汉口大清银行) 大楼加固工程实例， 进行了加固设计理论分析与验证试验。 通过对外贴板材端部的界面应力的求解，发现外贴板材加固混凝土梁在板 端端部区域存在较大的剪应力和正应力。因此，在实际工程中应尽量采取措施 降低外贴板材端部区域界而剪应力和正应力的峰值，以避免外贴板材加固混凝 土梁过早由于端部剥离而破坏；应尽量选用高强度的柔性材料作为增强加固材 料，施工中应注意控制结构胶的厚度。 通过对工程中常用结构胶的“高温”试验的研究，发现温度对结构胶的极 限粘结抗拉强度的影响极大。例如，a 种结构胶对温度变化非常敏感，与常温 ( 1 8 5 ) 下相比，4 0 、6 0 时的结构胶的平均极限粘结抗拉强度分别降低 了4 4 6 、6 2 8 ；温度超过1 2 0 之后，结构胶粘结抗拉强度基本为零。 温度变化对结构胶的粘结抗剪强度、剪切模量的影响，在2 5 4 0 时， 变化不大，此时结构胶仍能正常发挥作用：当温度到达4 5 以后，结构胶的极 限粘结抗剪强度迅速下降，剪切模量也迅速的降低。 因此，在实际的加固工程中，外贴板材加固设计时，应考虑因“高温”对 结构胶层粘结失效的影响，从而避免建筑加固结构的过早破坏。 关键词：结构加固；界面粘结应力；滑移效应；高温；温度影响 v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t r e t r o f i ta n dr e i n f o r c ec o n c r e t es t r u c t u r eb c a a ) m e sah o t s p o ti nb u i l df i e l di n o u rc o u n t l y t h ep a p e rt a k e ss t r e n g t h e n e dr cb e a m sb o n d e dw i t hp l a t e sa sr e s e a r c h o b j e c t i ti n t r o d u c e sac a r r y i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i n gm e t h o df o rb o t hb o n dd e s t r o y a n dp e e l i n gd e s t r o yi ne n d p l a t e ；p r e s e n t st h es o l u t i o np r o c e s so fi n t e r f a c i a lt e n s i o n s t r e s s 、i n t e r r a c i a ls h e a rs t r e s so fe n dp l a t ea n ds t r u c t u r ed e f o r m a t i o nw i t hs l i p a f f e c t i o n ；i n v e s t i g a t e st h ep a r a m e t e ra n a l y s i so ni n t e f f a c i a ls t r e s s e so fe n dp l a t e ；a n d a l s or e s e a r c h e st h et e m p e r a t u r ea f f e c t i o nf o rf e l ts t r e s so fs t r u c t u r eg l u ei nc o m m o n u s e t h ep a p e rt a k e st h es t r u c t u r er e i n f o r c ep r o j e c to fh a n k o ub r a n c hb u i l d i n go f c h i n ab a n k ( h a n k o ud a q i n gb a n k ) a sa l le x a m p l e ，a n dm a k e sr e s e a r c hi nt h et h e o r y o fr e i n f o r c ed e s i g na n dp r o o f - t e s te x p e r i m e n t a c c o r d i n gt o t h er e s u l to ft h ee n dp l a t ei n t e r r a c i a ls t r e s s ，w ef i n dt h a tt h e i n t e r r a c i a ls t r e s s e sc o n c e n t r a t e di nt h ed i s t r i c to fe n dp l a t e s ow es h o u l dr e d u c et h e p e a kv a l u eo fi n t e r r a c i a ls t r e s s e s ，a n da v o i dt h er e i n f o r c 欺ls t r u c t u r ed e s t r o y e dd u et o p e e l i n gd e s t r o yi ne n dp l a t e ；i nt h ep r a c t i c ep r o j e c t , w es h o u l dc h o o s eh i g hs t r e n g t h a n ds o f tm a t e r i a la sr e i n f o r c em a t e r i a li fp o s s i b l e a l s ow es h o u l dc o n t r o lt h e t h i c k n e s so ft h eg l u el a y e ri np r a c t i c e a c c o r d i n gt ot h es t u d yo f “h i g ht e m p e r a t u r e ”e x p e r i m e n tf o rs t r u c t u r eg l u ei n c o m m o nu s e ，w ef i n dt h a tt h el i m i tb o n dt e n s i o ni n t e n s i t yo ft h eo u ei so b v i o u s l y a f f e c t e db yt e m p e r a t u r e f o re x a m p l e ，ag l u ei sv e r ys e n s i t i v ew h i l et e m p e r a t u r e c h a n g i n g c o m p a r ew i t hi nn o r m a lt e m p e r a t u r e ( 1 8 5 ) t h ea v e r a g el i m i tb o n d t e n s i o ni n t e n s i t yf a l l4 4 6 a n d6 2 8 i n4 0 ca n d6 0 ：w h i l et e m p e r a t u r eo v e r 1 2 0 ( 2 t h el i m i tb o n dt e n s i o ni n t e n s i t yn e a r l yb e c o m e sz e r o t h el i m i tb o n ds h e a ri n t e n s i t yo ft h eg l u ei sa l s oo b v i o u s l ya f f e c t e db y t e m p e r a t u r e w h i l et e m p e r a t u r eb e t w e e n s2 5 ca n d4 0 c ，t h el i m i tb o n ds h e a r i n t e n s i t yi sa l m o s tn od i f f e r e n c ew h i l et e m p e r a t u r ec h a n g i n g ；w h i l et e m p e r a t u r e o v e r4 5 t h es t r u c t u r eg l u eb e c o m e ss o f t , b o t ht h el i m i tb o n ds h e a ri n t e n s i t ya n d v i 上海大学硕士学位论文 t h es h e a rm o d u l ed e c r e a s es h a r p l y s ow h i l et h ed e s i g no ft h er e t r o f i ta n dr e i n f o r c ec o n c r e t es t r u c t u r e ，w es h o u l d t a k et h ei n v a l i d a t i o no fg l u eb yt e m p e r a t u r er i s i n gi n t oa c c o u n t ，a n da v o i dt h e d e s t r o yo ft h er e t r o f i ta n dr e i n f o r c ec o n c r c t cs t r u c t u r e k e y w o r d s ：s t r u c t u r er e i n f o r c e ；i n t e f f a c i a ls t r e s s e s ；s l i pa f f e c t i o n ；h i g h t e m p e r a t u r e ；t e m p e r a t u r ea f f e c t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特 l , l j j t l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：燃日期：掣 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程结构加固概述 混凝土结构建筑物在人类生产生活中扮演着重要的角色，是人类社会发展 过程中不可缺少的物质基础，是推动国民经济和社会发展的重要保障。长期以 来，人们通常认为混凝土是一种特有的耐久性材料，用混凝土建造的建筑物或 构筑物具有使用寿命长和无需维护的特点。但是，以现代设计基准期推算，现 有的混凝土工程结构许多已处于维修改造的高峰时期。2 0 世纪6 0 年代诞生的 混凝土结构加固技术，由于建筑业和现代科学技术迅猛发展，促使这门新兴学 科发展速度异常，近几十年来已初具规模。特别是我国近二十年来，在混凝土 结构抗震加固、旧房改造及工程事故处理方面，也进行了大量的工程实践和科 学研究，积累了较丰富的经验。 1 1 1 工程结构加固的意义 一般钢筋混凝土结构的设计龄期为5 0 年，随着时间的推移，已建工程会不 断损坏和老化，其承载力、刚度、延性和稳定性不断下降，这是一个不可改变 的客观规律。综观历史，世界经济发达国家在建筑业的发展上大体经历了三个 阶段：即从大规模新建阶段，新建与维修并举阶段，到重点转向旧建筑物的维 修、改造和加固阶段。同样，随着经济建设的发展，我国对已有工业与民用建 筑进行鉴定和加固的要求也e l 益迫切。据资料统计，目前我国约有5 0 的建筑 已进入中老年期，即近2 5 亿平方米的建筑物有可能出现工程质量事故问题，需 要鉴定、维修和加副1 1 另改建比新建可大大节约投资和缩短工期，收回投资 的速度比新建厂房快，正是由于以上原因使得维修改造业迅速发展起来。近年 来，建筑结构的维修和加固业己经成为我国建筑行业一个新热点。 由上可见，建筑物的鉴定与加固工作，不仅量大面广，而且意义深远。正 是在蓬勃发展的加固技术、加固工程的设计与施工以及加固理论研究的基础上， 逐渐形成了结构工程的- - f 3 分支学科即混凝土结构加固学。从国外建筑工程发 上海大学硕士学位论文 展的经验并结合我国的实际现状，可以肯定其应用前景将是十分广阔的，并且 将会获得极高的社会效益和经济效益，对我国的现代化建设及发展具有重大的 现实意义。 1 1 2 混凝土结构常用的加固方法 1 1 2 1 直接加固法 混凝土结构加固方法可分为：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加 固法、改变结构传力途径加固法、受弯构件外部粘贴加固法以及其他加固方法 等等) 【刎，每种加固方法各有其特点和适应范围，应根据具体条件加以选择。 1 加大截面加固法 采用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，可广泛用于混凝土结构的梁、板、柱等构件和一般构 筑物的加固。但截面尺寸加大，有时受使用上限制。 2 夕 包钢加固法 即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) ，适用 于使用上不允许增大混凝土截面尺寸，而又需要大幅度地提高承载力的混凝土 结构的加固。当采用化学灌浆外包钢加固时，型钢表面温度不应高于6 0 ；当 环境具有腐蚀性介质时，应有可靠的防护措施。 3 预应力加固法 即采用外加预应力的钢拉杆( 分水平式拉杆、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，适用于要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固 后占空间小的混凝土承重结构。此法不宜用处于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。 4 改变结构传力途径加固法【4 l 主要可分为两种： a ) 增设支点法该法是以减少结构的计算跨度和变形，提高其承载力的加 固方法。按支承结构的受力性质又分为刚性支点和弹性支点两种刚性支点法 是通过支承构件的轴心受压将荷载直接传给基础或其它承重结构的一种加固方 2 上海大学硕士学位论文 法。弹性支点是以支承结构的受弯或桁架作用来间接传递荷载的一种加固方法。 增设支点法适用于房屋净空不受限制的大跨度结构的加固。 b ) 托梁拔柱法。该法是在不拆或少拆上部结构的情况下拆除、更换、接长 柱子的一种加固方法。按其施工方法的不同又分为有支撑托梁拔柱和无支撑托 梁拔柱及双托梁反牛腿托梁柱等方案。适用于要求房屋使用功能改变、增大空 问的老厂改造的结构加固，其中双托梁反牛腿托梁拔柱，则适用于保留上柱的 型钢的加固。 5 受弯构件外部粘贴钢板、碳纤维或其它抗拉强度较高的材料的加固方法 1 5 , 6 1 。此法是用建筑结构胶将钢板等材料粘贴在钢筋混凝土受弯构件的表面，具 有良好的共同工作性能，它所占空间小，加固施工周期短、消耗材料少，其加 固部位、范围与强度可视设计构造需要而定，是近几年来新发展的加固技术， 本加固法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 ，相 对湿度不大于7 0 及无化学腐蚀的使用环境中。 6 其它加固法 如增设支撑体系和剪力墙等，以增加结构的整体刚度，改变构件的刚度比 值，调整原结构内力，改善结构件的受力状况，提高结构抗力水平的能力，以 及裂缝修补的处理等，对于上述几种以外的加固方法，只要行之有效，经验证 是成熟的加固方法，也可采用。 1 1 2 2 间接加固法嘲 间接加固法指的是通过各种途径减少外界作用，从而提高结构的安全可靠 度。间接加固法主要有下面几种： 1 改变用途法 在工业与民用建筑中，如原来为学校的中心机房，楼面使用荷载4 6 k n m 2 ， 后发现结构损伤或其他原因，导致可靠度较低，为此将此楼重新改为办公楼， 楼面使用荷载可降低到2 0 k n m 2 ，从而保证了大楼使用的可靠度。 2 隔振法 在抗震工程或其它动力工程中，常常采用隔振技术来阻止或减少对结构的 作用，从而保证结构的可靠度。基底隔振是常用的广义加固方法，该法在建筑 3 上海大学硕士学位论文 物上部结构与它的基础之间设置一个隔振层。当地面运动速度超过了规定值， 上部结构与基础之间产生滑移，即地面运动不能传递或不能全部传递至上部结 构，减少了下部结构的运动，也就是减少了地震作用，从而确保了建筑物在强 烈地震作用下的可靠性，也就间接起到了加固的目的。 3 结构主动控制和被动控制 主动控制是将结构的位移、速度等物理量反馈于特定的控制机构，当位移、 速度超过某一规定的允许值时，控制机构释放控制力，以阻止振动反应的扩大。 为了释放控制力，就必须从外界人为输入能量。在理论上虽然推导出了线性最 优控制法、有界状态控制法和瞬时最优控制法等输入方法，但目前应用难度较 大：被动控制法包括t m d 控制法( 调谐质量阻尼控制法) ，其工作原理是当结构强 烈振动时，导致放在建筑物项部的t m d 质量块和结构之间发生相对运动，即t m d 形成的反向惯性力作用在结构上，以大致控制结构振动的目的。该技术难点由 于工程技术的应用难度较大，目前较少采用。 1 2 外贴板材加固技术的特点及研究现状 1 2 1 外贴板材加固技术的特点 所谓外贴板材加固技术是指，在受弯构件外部受拉或受压面粘贴钢板或 f r p 板( 如c f r p 、g f r p 、a f r p 等复合材料) 的加固方法。在此，我们通称 为外贴板材加固技术。其加固原理在于：加固使用的板材通过环氧粘合剂粘于 混凝土结构外表面产生三相材料混凝土胶板材的复合系统。 这种复合系统的关键在于其复合介质结构胶的性能。结构胶介质作用 的发挥有赖于胶体传递应力的能力，而这种能力反过来又取决于胶体于混凝土 和胶体与钢板的粘结及界面剪应力，以及胶体的刚度、柔度和粘性。当结构胶 能够得以保证时，外贴板材加固技术即为一种有效的加固方法。它克服了常用 传统的加固方法，在强度、刚度和稳定性方面，对时间、空间及材料等方面的 要求，在工程实践中表明其主要有以下的优点。 ( 1 ) 技术先进，性能良好 4 上海大学硕上学位论文 将板材粘贴于被加固的钢筋混凝土梁受力部位表面，不仅能保证混凝土与 板材作为一个新的整体，共同受力，而且能最充分地发挥板材的强度，封闭粘 贴部位加固构件的裂缝，约束混凝土变形，有效地提高加固构件的刚度与抗裂 性，根据设计需要粘贴板材，能有效地发挥外贴板材构件的抗弯、抗剪、抗压 的性能，受力均匀，不会在混凝土中产生应力集中。 ( 2 ) 不影响结构外观及使用空间 外贴板材一般为2 m m - - 6 m m 厚，基本不影响被加固结构的外观，施工所采 用的支顶和锚栓加压粘贴占用空间很小，一般不影响原使用空间。 ， ( 3 ) 加固施工周期短 外贴板材加固法的整个施工流程所需的时间约1 之天左右，比别的加固法 大大节省了施工时间。 ( 4 ) 材料消耗小且工艺简便 板材只需按计算的需要量粘贴于构件的加固部位，并和原构件共同受力， 材料消耗量比传统加固方法显著减少，且其施工工序只包括清理和修补构件表 面、拌胶粘贴、加压固化等。工艺简便且易达到操作要求。 ( 5 ) f r p 加固还有高强比、耐热、耐腐等性能 f r p 轻而薄，但其高强度、高弹性模量的特点用于钢筋混凝土结构的补强 加固中可提高结构的承载力，改善构件的受力性能。大量工程实践证明，粘贴 f r p 加固修补混凝土的结构可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构 物的腐蚀，因此加固后不需进行防锈维护，且能对内部混凝土结构进行保护。 但是，外贴板材加固技术在实际工程中不可避免的也存在一些缺点【1 1 。使用 粘贴钢板加固时，当钢板因厚度的增加而导致重量较大时，由下往上地粘贴于 构件的底部有一定的施工困难，而且扁平的钢板易于裁剪却难以成形以适应复 杂的外形施工，对被加固构件的形状有一定的限制；钢板与混凝土之问的粘结 耐久性无法得以确定保证，当其用于钢筋混凝土梁的加固时，在加载到破坏的 各个阶段的复合作用无法得到保证。 使用h 冲加固时，由于常表现为各向异性，纤维方向的强度及弹性模量较 高，而垂直纤维方向的强度及弹性模量较低，纤维方向的抗拉强度比抗压强度 5 上海大学硕士学位论文 高近3 0 ，且其各向异性的特点使得结构在受力上有不同于传统结构材料的现 象，如拉伸翘曲现象，故在进行f r p 结构设计时需对两个方向设计：f r p 的剪 切强度、层间剪切强度仅为抗拉强度的5 2 0 ，这使得f r p 构件的连接成 为问题。另外，f r p 强度有较大的离散性，而与混凝土相比，f r p 的防火性能 较差。 外贴板材进行受弯加固的研究已有近五十年的历史了。在2 0 世纪9 0 年代 以前的研究主要集中在粘贴钢板进行受弯加固方面1 9 - - 1 2 , 2 6 - 2 9 1 ，这些研究成果对 后来出现的粘贴f i 心板进行受弯加固的研究具有一定相关性川。目前已有的粘 贴f r p 板进行受弯加固的研究大多是在过去十六、七年内完成的【1 3 2 0 , 3 0 - 3 6 , 5 “。 1 2 2 外贴板材加固技术的国外研究现状 在2 0 世纪6 0 年代中期，粘钢加固技术最先出现在南非和法国。当时，研 究人员采用环氧树脂将钢板粘贴在混凝土梁受拉面上，以提高其抗弯承载力， 取得了较好的效果。进入七十年代，随着各种性能优良的建筑结构胶相继问世， 该技术被应用于各类建筑工程的加固。而2 0 世纪8 0 年代中期，瑞士联邦材料 实验室( e m p a ) 的m e i e r 开创了f r p 的粘结应用的试验研究的先河1 7 1 。目前， 这种加固技术逐渐在世界许多国家推广，并广泛应用于建筑工程、交通工程、 水利工程和军事设施等的加固和维护。其大量的试验、理论和计算研究主要涉 及以下的几个方面：板材用量、胶层厚度及材性选择、板材的剥离问题、加固 后结构的刚度及延性等方面。 ( 1 ) 板材的用量、胶层厚度和材性选择 m a c d 咖l d 【9 1 及s w 锄，1 0 1 等在研究中认为：粘钢板能使极限强度得到较大 增长，且钢板越厚，强度值增长越大，但梁的破坏形式由钢板的屈服转为钢板 的剥离脱落。为了得到极限承载力增长最大并产生塑性破坏的最佳组合，厚宽 比限制为b t 5 0 。s w a m y 、j o n e s 1 1 - 1 2 1 在试验中发现粘有6 m m 厚的钢板的梁会 过早地破坏( 内部钢筋剪断、胶层开裂、钢筋和钢板均为屈服) 仅达到理论抗弯 强度的7 0 ，且梁还表现为突发的脆性破坏，故钢板的厚度一般应控制在6 m m 以内。s w a m y 发现，胶层越薄梁裂缝开始出现时的荷载越高，但随着钢板厚度 6 上海大学硕士学位论文 的增加，增长幅度减小。 ( 2 ) 板材的剥离问题 在外贴板材加固中，板材的剥落是由梁端部界面应力和剥离应力过高而引 起的。对于板材的剥离问题的研究方法有：试验研究和理论研究。 试验研究可以分为以下几个类型：a ) 直拉试验【1 3 1 ；b ) 单剪或双剪试验【1 4 l ； c ) 外贴片材加固的试验梁。 i疆壤土 l ( a ) l 癌壤士_ l c o )( c ) 图l 1 直拉，单剪，双剪试验 图1 1 a 所示为直拉试验。该试验是通过外贴板材上的小铁块儿直接拉拔粘结 在混凝土表面上的板材以获得粘结强度。该试验由于粘结面过小，没有考虑弯曲 和剪切的影响，因此很难直接评估粘结强度。 单剪或双剪试验是将板材粘结在混凝土棱柱体单面或双面上( 图1 1 b 、1 1 c ) ， 通过拉拔混凝土棱柱体或板材以获得粘结强度。双剪试验的缺点是存在力的偏心 问题，无论单剪还是双剪试验都同样没有考虑弯曲和剪切的影响。如果粘结长度 过短，通常造成板材剥离破坏；如果粘结长度过长，板材将断裂，均没有达到混凝 土剥离破坏的效果。 外贴板材加固的试验梁是在板材截断处间隔一定的距离粘贴电阻应变片测 量板材端部的应变，根据板材水平方向力的平衡可求出粘结剪应力的分布。该试 验的优点是综合考虑了弯曲和剪切的影响，受力符合实际情况。 对于剥离问题的理论研究，国外的一些学者进行了力学分析并得到了应力 解。这些分析可归纳为三类：1 基于弹性理论的解【1 5 1 6 l ； 2 基于线弹性断裂力 学的解【17 ，1 8 】；3 半理论半经验的解【1 9 捌。 基于弹性理论的解中比较有代表性的是r o b e r t s 的解【堋。r o b e r t s 将分析方 法分为三个阶段，最后的解由叠加得到。r o b e r t s 认为当最大粘结剪应力在 7 上海大学硕士学位论文 3 m p a 5 m p a 之问时将发生剥离破坏。 m a l e k 1 6 】等分析了外贴板材端部和梁弯曲裂缝处的应力，并与有限元法、试 验结果做了比较。m a l e k 给出了剥离弯矩和剥离破坏准则，但m a l e k 的方法相当麻 烦，需要计算开裂和不开裂梁的截面惯性矩，不容易手算。 c h r i s t o p h e r 1 7 】基于断裂力学理论，分析了裂缝处外贴板材的销拴作用，给 出了裂缝处粘结剪应力的分布，指出大尺寸试件、胶体过薄、外贴板材刚度大、 粘结面积小易发生剥离破坏 r a b i n o v i t c h 1 8 】提出了一种高阶封闭解的形式，分析了不同的外贴板材端部 胶体溢出的形状、f r p 端部不同的形状及端部锚固条带的影响，指出增加端部外 贴板材条带的宽度，减少端部f r p 条带的厚度可减小端部应力；应当避免将端部 的多余胶体除掉；端部锚固可以有效地降低端部应力，避免剥离破坏的发生 r a o o f 【1 9 l 等分析了外贴板材加固的钢筋混凝土梁最大和最小裂缝间距，将裂 缝间的混凝土保护层作为分析对象，简化为在粘结剪应力作用下的悬臂梁，给出 了剥离弯矩的计算方法。 m a h m o u d l 2 0 等统计的外贴板材加固的部分试验梁，将一些理论分析的结果与 试验结果做了比较。在r o b e r t s 给出的公式基础上，统计并回归了公式中的部分 参数，给出了剥离荷载的计算方法。 这些解中，以弹性理论为基础的解由于把钢筋混凝土梁考虑为一种均质线弹 性材料而与试验结果产生了差异。用线弹性断裂力学得到的解太复杂不易计算。 半理论半经验的解则需要统计试验结果得到解。 ( 3 ) 外贴板材加固对构件的刚度及延性的影响 r a i t h b y , s w a m y t i o - 1 2 】的试验研究均表明，对钢筋混凝土梁采用外粘钢板加 固，在荷载作用下能显著提高其抗弯刚度，减少裂缝扩展和结构变形。但就结 构而言，粘钢加固的刚度效应在减少钢筋和钢板应变方面比减少挠度方面要大 得多，故粘钢法更多的是控制裂缝而不是挠度。用螺栓及胶粘钢板锚固的粘钢 加固梁表现出类似的延性，且加固后梁的延性与未加固梁的延性也较为接近。 ( 4 ) 温度对加固结构的影响 沙特工国大学的试验测试表明，在3 5 0 ( 2 时c f r p 材料仍有其正常温度下 8 上海大学硕士学位论文 载荷能力的3 5 ，抗拉弹性模量的4 0 。而a f r p 则分别为1 5 和4 0 。碳纤 维在5 0 0 1 2 高温下性能保持不变，在- 1 8 0 0 c 低温下仍具有良好的韧性，适用性 较广，但对于粘结胶，当温度超过6 0 c 时就开始软化，而温度超过8 0 ( 2 时强度 明显降低【2 l 】。 1 2 3 外贴板材加固技术的国内研究现状 基于我国的加固技术较晚，粘钢加固技术的研究与应用持续了数十年的时 间，由于粘钢在工程中的迅速发展应用，国内对粘结胶的研制开发也日趋成熟， 并在实际应用中也证明了其较好的材性。而纤维材料加固技术直到1 9 9 6 年才引 入我国的工程理论研究和实践中，因此在我国的发展较为缓慢。随着市场需求 的不断增长，我国各高校及科研单位的研究范围有一定的拓展，研究深度也不 断地增加。现将其取得的研究成果总结如下： 刘祖华、朱伯龙根据弹性梁理论和部分组合截面理论，对粘钢加固梁推 导出了钢板与混凝土之间粘结剪应力的解析解，还给出了钢板拉应力和加固梁 挠度的解析解。 万墨林、韩继云掣卅对混凝土加固结构受力特征及破坏机理进行了分析， 提出了加固结构与原普通结构在设计概念上的本质差异，提出了不同粘钢加固 法应遵循的原则，设计构造措施及施工要点。 同济大学颜德恒教授及其研究生【那1 通过理论计算和试验结果对比分析，探 讨了粘钢加固的受力机理，并对混凝土强度等级、侧板高度、厚度等参数对梁 强度和刚度的影响进行了分析，对粘钢加固的合理设计提出了一些建议。 翟爱良等i 冽对粘钢加固梁钢板的受力机理进行研究，试验结果分析得出在 混凝土开裂之前，钢板的受力基本一致，而混凝土开裂以后，钢板的应变在跨 中的较大。且增长速度较快；粘钢加固梁在距钢板端部5 0 1 5 0 m m 的长度范围内， 钢板内的应变分布极不均匀，有粘结应力集中现象。 曹双寅等p 0 】通过一系列的试验及理论分析指出影响c f r p 加固梁正截面效 果的主要因素是：纤维配置率。当纤维配置率相对较低时，承载力的增加随 纤维数量的增加很快，而纤维配置率继续提高时，承载能力的增强程度趋于缓 9 上海大学硕士学位论文 慢；钢筋配置率。原截面配筋率越低，加固效果越明显：混凝土强度。随 着钢筋和纤维配置率的增加，混凝土强度对截面承载力的影响逐渐增大。 叶列平、岳清瑞等1 3 1 l 对c f r p 加固后梁的正截面受弯破坏形态，极限状态 及设计要求进了讨论。指出了影响c f r p 受弯加固正截面承载力的影响因素。 正截面破坏形态主要分为以下五种：超筋破坏；适筋破坏i ，即c f r p 未到 达极限拉应变时，钢筋屈服且受压区混凝土压坏；适筋破坏i i ，即钢筋屈服 后c f r p 达到极限拉应变拉断，而此时受压区混凝土尚未压坏；保护层混凝 土剪切受拉剥离破坏；( 9 c f r p 与混凝土基层间粘结剥离破坏。 张继文，吕志涛，滕锦光等【3 2 】对用碳纤维或钢板加固的梁的粘结界面即胶 层界面用l u s a s 有限元软件进行应力分析，并总结了影响胶层应力的主要因 素有：胶层厚度、胶层弹性模量、外贴板厚度、外贴板弹性模量、外贴板至支 座距离等。 谭壮，叶列平等【3 3 l 通过对加固结构的剥离试验研究，并基于目前对f r p 与 混凝土之间剥离破坏的界面平均强度理论推导出剪应力的公式，得出加固材料 特性、尺寸及粘结层材性、尺寸及剪力传递长度的影响结论：增大f r p 的刚 度和厚度可以增加有效剪力传递长度无影响；减小粘结层的剪切模量或增大 其厚度，可以增加有效剪力传递长度专：增加支座到f r p 端部的距离，会增 加f r p 端部的剪力 黄羽立，叶列平【蚓通过分析碳纤维布与梁底混凝土的粘结应力研究碳纤维布 加固剥离破坏承载力的问题。根据碳纤维布加固r c 梁的试验研究结果，并采用 商业有限元程序m s c m a r c 建立有限元模型，进行了非线性计算分析。根据分析 和试验结果，引入了“有效锚固粘结长度”和“锚固粘结应力”的概念，给出了 极限荷载下锚固粘结应力的计算建议。 李松辉，赵国藩，王松根吲研究了粘贴碳纤维片加固完整梁及不同开裂程度 梁在不同受力阶段中的界面应力分布与剥离机理，指出了加固梁的开裂或裂缝扩 展是导致界面或粘贴基面混凝土剥离的主要原因。粘贴碳纤维片加固混凝土梁的 试验数据和破坏模式表明，在锚周措施可靠的情况下，界面粘贴失效或基面混凝 土剥离是加固混凝土梁的主要早期破坏形态 1 0 上海大学硕士学位论文 陆新征，滕锦光等l 蚓对f r p 加固钢筋混凝土梁基于微观尺度有限元分析， 对受弯剥离破坏的机理进行了研究，提出了一个受弯剥离的双重剥离破坏准则， 以及相应的界面粘结滑移关系，使得受弯剥离可以由基于普通弥散裂缝模型的 混凝土单元来加以模拟，并开发出了相应的f r p 混凝土界面单元模型。 郑萍，罗仁安等1 3 刀在最近的试验研究中发现，在常温下，c f r p 加固混凝土 试件的轴压静载试验都是以纤维布中部拉断而破坏，纤维布搭接接头处粘结良 好，证明试件在搭接处已经具有足够的粘结强度。加固试件在疲劳加载过程中， 内部包裹混凝土受疲劳振动产生热量，而碳纤维是良好的导热材料，试验后触 碰试件表面发现温度较高，导致c f r p 的粘接胶高温软化后难以承受较高的应 力，是c f r p 搭接接头处粘结滑移的主要原因。 1 3 本文的研究目的及内容 1 本文首先收集大量的工程结构加固背景材料，以及工程常见的混凝土结 构加固方法，总结国内外外贴板材加固混凝土梁的研究状况。然后在前人研究 基础之上，探究外贴板材加固混凝土梁的破坏机理，并给出外贴板材加固混凝 土梁在弯曲破坏和外贴板材板端剥离破坏的承载力的计算方法。 2 本文对外贴板材加固的混凝土梁进行分析，推导外贴板材端部的正应力、 剪应力和考虑滑移效应下的加固梁的变形计算公式，讨论各种影响因素变化对 外贴板端部应力的影响。 3 外贴板材加固混凝土结构的加固效果取决于外贴板材、结构胶层、混凝 土之间的连接是否可靠。本文对工程中常用结构胶粘结应力，进行温度影响试 验研究与分析。 4 本文应用上述理论，结合中国银行汉口分行( 原汉口大清银行) 大楼加 固工程实例，进行了加固设计理论分析与验证试验。 上海大学硕士学位论文 第二章外贴板材加固混凝土梁的破坏机理 随着外贴板材加固混凝土结构技术在工程实践中的推广和广泛应用，目前 在外贴板材进行受弯加固方面已经取得了相当丰富的研究成果。在大量的试验 基础上，研究得到多种外贴板材进行受弯加固的混凝土梁破坏模式。 2 1 弯曲破坏 当外贴板材加固端部锚固可靠时，加固梁达到受弯承载力极限状态取决于 外贴板材拉断或是受压区混凝土压碎弯曲破坏主要有以下两种破坏模式：a ) 外贴板材拉断( 如图2 1 a 示) ，b ) 混凝土压碎( 如图2 1 b 示) 。这于传统的钢 筋混凝土梁( 少筋梁、超筋梁) 受弯破坏模式相类似，仅仅是由于外贴板材通 常是由于f r p 材料的脆性而带来微小的差别，外贴板材拉断通常发生于纵向受 拉钢筋屈服之后，但当纵向钢筋位置距离混凝土受拉边缘较远时，也可能不会 屈服。 芦槲蛐 ( 义| 、 i 。= ：兮岳二j 。 a 外贴板材拉断 n 盟矿、 混凝土压碎j r ，i b 受压区混凝土压碎 图2 1 外贴板材加固混凝土梁弯曲破坏模式 上海大学硕士学位论文 文献【3 7 1 中粘贴f r p 板加固的四点弯曲简 支梁的试验中发现，试验没有过早的出现端部 剥离破坏，而是因为f r p 板拉断而破坏，与相 应的未加固梁相比，受弯承载力提高了7 6 ， 而延性却大大降低。图2 2 为文献【3 8 】试验中出 图2 2 外贴f r p 拉断例 现的因f r p 拉断而导致梁破坏的试验照片。而文献【3 9 1 中则提到，当f r p 的加 固量较大时，梁的破坏则主要由混凝土的压碎来控制，其延性也会大大降低。 2 2 剪切破坏 在总结过去的研究中，也发现外贴板材加固梁出现剪切破坏【3 9 t 柏】，如图2 3 所示。弯曲破坏和剪切破坏时普通钢筋混凝土梁破坏的两种主要模式。由于弯 曲破坏为延性破坏而剪切破坏为脆性破坏，因而作为强度控制的破坏模式，弯 曲破坏更为可取【刀在通常情况下，为了避免钢筋混凝土梁发生脆性的剪切破 坏，在梁设计时就按照“强剪弱弯”的原则，即一般是不会发生脆性的剪切破 坏，但是当梁进行了受弯加固后，其破坏模式就有可能转化为剪切破坏若发 生这种破坏，梁的受剪承载力与加固前几乎无变化。在这种情况下，应同时对 混凝土梁进行受剪加固，以确保弯曲破坏先于剪切破坏发生，而达到所需的抗 弯强度。 2 3 端部破坏 3 鲫张1 图2 3 外贴板材加固混凝土梁剪切破坏模式 通过外贴板材于梁的受拉面以提高混凝土梁的极限承载力并改善梁的受力 性能，大大依赖于外贴板材与混凝土梁之间的粘结应力在相邻几个连接层( 外贴 板材、粘胶层和梁下表面混凝土保护层) 的有效传递，即外贴板材与混凝土梁之 1 3 上海大学硕士学位论文 间需要有可靠的连接。而剥离的发生将导致加固梁在达到截面弯曲破坏极限承 载力之前过早破坏。板端剥离破坏方式包括混凝土保护层剥离破坏( 如图2 4 a ) 和外贴板材端部界面粘结破坏( 如图2 4 b ) 。梁所受荷载尚未达到极限承载力即 在外贴板材端部混凝土内形成裂缝，并迅速开展，导致构件先行失效，这是外 贴板材端剥离粘结破坏的显著特征。在外贴板材加固梁的试验中，最常遇到的 外贴板材端部剥离破坏方式是外贴板材端部混凝土保护层剥离，而粘胶层与混 凝土界面粘结失效剥离( 外贴板材端部界面粘结破坏方式) 的情况也时有发生， 通过观察构件破坏后裸露的剥离界面则可了解两种不同的剥离破坏方式之问的 差异。 在实际工程中，混凝土保护层剥离破坏与外贴板材端部界面粘结破坏常常 相伴发生，只是受不同因素的影响而已。如果混凝土强度偏低，粘胶剂质量可 靠，且施工质量有保证，则后一种破坏成分较少，此时的构件破坏一般称为混 凝土保护层剥落破坏；如果粘胶剂质量有问题，或未按正常施工工艺进行，当 发生外贴板材端部剥离破坏时，后一种破坏成分居多，则一般称为外贴板材端 部界面粘结破坏。 笏7 1，刁7f ( 1 、 a 混凝土保护层剥离b 端部界面粘结剥离 图2 4 外贴板材加固混凝土粱外贴板材端部剥离破坏模式 2 3 1 混凝土保护层剥离 混凝土保护层剥落破坏( 图2 4 a ) ，指剥离裂缝形成于外贴板材端部受拉区混 凝土保护层内，并在梁受拉主筋层面形成斜向和水平裂缝，进而向跨中开展，直 至破坏发生，一般情况下，这个过程相当短暂且无征兆，因此属于脆性破坏。虽 然它是由外贴板材端部的应力集中所引起的，但破坏发生处的位置离粘结面较 远，所以还不能算作严格意义上的粘结破坏。通常认为，混凝土保护层的破坏归 因于外贴板材端部附近裂缝的形成，而裂缝的形成则归因于外贴板材突然截断产 1 4 丑 上海大学硕士学位论文 生的界面剪切应力集中和法向应力集中。一旦 在外贴板材端部附近形成裂缝，裂缝就会延伸 到受拉主筋高度处，后沿着钢筋发生开裂，从 而发生混凝土保护层剥落破坏【4 1 】。m 2 5 为文献 图2 5 混凝土保护层剥离呻l 阳1 试验中出现的因混凝土保护层剥离而导致梁 破坏的试验照片。当荷载继续增加时，混凝土保护层沿着受拉钢筋的纵向不断向 梁跨中剥离。此时，纤维布端部的裂缝迅速开展并向梁的上部延伸，随即受压区 混凝土压碎而导致加固梁破坏l 蚓。 对于外贴板材加固的简支梁支座与外贴板材端部不重合。因此，从外贴板材 端部向板内很小的距离就会产生很大的应力改变，应力改变产生的局部剪切粘结 应力将由粘胶层传递到相邻的混凝土保护层，从而产生很高的水平剪应力集中。 另一方面，外贴板材自由端边界条件也意味着在外贴板材端部的曲率为零，而外 贴板材端部处梁内弯矩和曲率均并非为零，外贴板材要保持原状态，板就会向垂 直于梁轴线并远离梁的方向伸展。板的这种向外延伸，致使胶结层受到垂直方向 作用，此作用随之传递到混凝土保护层，进而产生很高的垂直法向应力集中。由 图2 6 可见在荷载作用下外贴板材端部处最大水 平剪应力集中与最大垂直法向应力集中并不重 合，但此距离相对于构件尺寸来说是相当小的， 因此，这里将板端效应引起的板端附近混凝土 保护层水平剪应力集中和垂直法向应力集中统 称为板端应力集中，这些共同存在的应力最终 引起斜向裂缝和相继发生的板端混凝土保护层 剥落1 4 2 1 。 2 3 2 外贴板材端部界面剥离 v d 们 。 图2 6 t - x 、s - x 关系曲线 另一种外贴板材端部粘结剥离破坏( 图2 4 b ) 表现为胶结层与混凝土界面粘 结失效。裂缝的发展始于板端，后向跨中开展，而且端处裂缝一经出现，将很 快贯穿整个粘结宽度，形成外贴板材从梁上剥离胶结层与混凝土界面粘结的 上海大学硕士学位论文 失效一方面导致外贴板材加固作用的失效，另一方面外贴板剥离时对构件造成 损伤，从而使加固复合梁的承载力骤减。受拉区混凝土内裂缝将在外贴板粘结 失效迅速发展的过程中迅速形成并开展，最终表现为少筋梁破坏形态，这种破 坏方式就是在试验中时常出现的外贴板材界面粘结剥离破坏【4 2 1 。此破坏方式与 外贴板材端部混凝土保护层剥落破坏方式有相同的起因，却有不同的表现形式， 相同的起因是指破坏的起因均为粘贴板突然截断在外贴板材端部处混凝土内产 生较高的界面水平剪切应力集中和垂直法向应力集中，不同的表现形式主要是 指破坏的界面有别。目前研究者一致认为，由于外贴板材端部区域界面的剪应 力和正应力较高，当超过界面相对薄弱层通常为混凝土强度时，会发生这 种端部粘结剥离破坏，破坏发生时剥落下来的板材上往往会粘附一薄层混凝土 嗍。板端界面粘结破坏方式常常发生在混凝土强度不太低、施工质量或粘胶剂 使用性能不可靠的情况下。 2 4 中部裂缝引起的界面剥离 剥离破坏有时还可能始于远离外贴板材端部的弯曲裂缝或弯剪混合裂缝 处，向一侧端部发展，如图2 7 所示。剥离通常发生在毗邻混凝土与胶结层粘 结界面的混凝土中，称为中部弯曲裂缝引起的界面剥离( 如图2 7 a ) 和中部弯 剪裂缝引起的界面剥离( 如图2 7 b ) 。中部裂缝引起的界面剥离破坏容易发生在 高跨比较小的梁中，与端部剥离破坏相比，其延性较好。 裂缝开展方向、 嬲、 裂缝、j 裂缝开展方向卜一尸i a 中部弯曲裂缝引起的界