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碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的试验研究与数值模拟 摘要 外贴碳纤维片材加固技术是近年来新兴的工程结构加固方法。碳纤维 复合材料以其高强、轻质、施工方便等优点，在工程结构补强加固学术研 究和工程应用方面颇受关注。分析碳纤维加固梁的受力特征，是加固工程 的首要问题。加固结构存在二次受力问题，即c f r p 应变滞后现象。为此， 论文在计算加固梁的极限承载力时，引入了c f r p 强度发挥系数的概念， 并在确定加固梁极限弯矩的基础上，提出了一种考虑二次受力情况下确定 碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯极限承载力的设计方法。本文通过试验分 析二次受力加固梁对加固效果的影响。并利用有限元结构分析软件 a n s y s ，对碳纤维布加固钢混凝土梁的抗弯性能进行了数值模拟分析。数 值模拟的结果与试验结果比较吻合，表明本文提出的数值模拟研究的理论 及方法是正确的，可以用于工程设计计算和作为模型试验的参考。 关键词：碳纤维片材加固钢筋混凝土梁二次受力数值模拟 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc o n c r e t e b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s a b s t r a c t e x t e r n a l l yb o n d i n gc a l b o nf i b e l r e i n f o r c e dp l a s t i d c r p a , ) p l a t e so rs h e e t si sa n e wp r o c e d u r ei ns l r u c t u r a lr e t r o f i t t i n ge n g i n e e r i n g , 硼地r e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no fc f r pi nt h es t r e n g t h e n i n ga n dr e p a i ro fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi s c u r r e n t l y 翻猢a sap r o m i s i n gm e t h o d m a i n l yd u et oi t sh i g hr a t i oo fs t r e n g t ha n d w e i g h t , a n de a s eo ff a b r i c a t i o na n di n s t a l l a l i o n i ti si m p o r t a n tt oa n a l y z et h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r p r e i n f o r c e ds t r u c t u r e sd e m o n s t r a t et h es e c o n d a r yl o a d i n gp h e n o m a n o nt h a tp r o d u c e s t h es t r a t ah y s t e r e s i so fc f r p t h e r e f o r et h ec o n c e p to fe f f e c t i v ec f r ps t r e n g t h c o e f i c i e n ti si n t r o d u c e df o rc a l c u l a t i o no f f l e x u r a lc a p a c i t yo f s t r e n g t h e n e db e a m s o n t h eb a s i so fd e t e r m i n a t i o no fl i m i tb e n d i n gm o m e n t ，am e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h e u l t i m a t ef l e x u r a lc a p a c i t yo f r cb e a ms t r e n g t h e n e dw i t l lc f r pi sp r o p o s e dw h e nt l l e e f f e c to f s e c o n d a r yl o a di sc o n s i d e r e d t h ef l e x u r a lb e h a v i o ro f r cb e a ms t r e n g t h e n e d w i t hc f r pa l ea n a l y z e du t i l i z i n gf m i t ee l e m e n tp r o g r a mn a m e da n s y s n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr c s q l l t ss h o wi ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n to n e s i tm e a n st h a tt h e a n a l y z i n gm e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e l a l er e a s o n a b l e ，w h i c hc a nb er e f e r r e df o r c o n s t r u c t i o nd e s i g na n dm o d e le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c f r p ，s t r e n g t h e n i n g , r cb e a m ，r e f o r c i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 插图清单 图1 - 1 材料应力应变关系3 图2 1 材料的应力应交关系1 l 图2 - 2 梁截面的等效果矩形应力图1 2 图2 3 卸载后剩余弯矩作用下截面的应力和应变1 3 图2 - 4 碳纤维加固钢筋混凝土矩形梁破坏时截面的平均应变1 5 图2 - 5 碳纤维加固钢筋混凝土矩形梁计算应力图1 6 图2 - 6 加固梁极限弯矩与碳纤维厚度的关系1 9 图2 7 碳纤维加固混凝土结构斜截面受力分析2 3 图3 一l 试验梁配筋图2 7 图3 2 梁粘贴碳纤维外观图2 8 图3 - 3 外贴碳纤维示意图2 9 图3 4 试验梁测点、加载点位置图3 0 图3 - 5 试验梁测点、加载点实图3 0 图3 - 6t d s - 3 0 3 3 1 图3 7 位移计3 1 图3 8 千斤顶及传感器3 1 图3 9b 0 粱应变图，3 3 图3 1 0b 1 梁应变图3 3 图3 - 1 lb 2 梁应变图3 3 图3 1 2 试验梁的跨中挠度比较图3 4 图3 一1 3 梁b 1 破坏时裂缝图3 5 图4 1 材料的应力一应变曲线3 9 图4 _ 2 混凝土梁有限元模型4 0 图4 3 混凝土梁内钢筋有限元模型4 1 图4 4 碳纤维布有限元模型4 1 图4 5b 0 梁y o nm i s e 8 应力云图4 2 图4 6b 1 梁v o nm i s e s 应力云图4 2 图4 7b 2 梁v o nm i s e s 应力云图4 2 图4 - 8b 0 梁模型应变图4 3 图4 9b 1 梁模型应变图4 3 图4 一1 0b 2 梁模型应变图4 3 图4 一1 1b o 梁模型挠度图4 4 图4 - 1 2 图4 1 3 图4 - 1 4 图4 - 1 5 图4 1 6 图4 - 1 7 b 1 梁模型挠度图4 4 b 2 梁模型挠度图4 4 试验梁模型的跨中挠度比较图4 5 b o 梁模型裂缝图4 5 b 1 梁模型裂缝图4 6 b 2 梁模型裂缝图4 6 表格清单 表i - 1 日本产碳纤维材料等级和特性2 表卜2 国产碳纤维材料等级和特性3 表卜3 树脂的材料性能( 单位：m p a ) 4 表3 - 1 钢筋材料实测表2 7 表3 2 混凝土强度实测表2 8 表3 3 碳纤维布性能指标2 8 表3 - 4 胶粘剂性能指标一2 8 表3 5 试验梁的极限承载力的试验值和破坏形式3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知。除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的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谢 意。 学位敝储签字辙签钼期：0 7 年6 月j 旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 避王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：。一7 年6 月 电话：j 3 “6 了22 9 6 上 邮编： 日 北祆 守阳 名 年 签 ， 者文 炳 沦 日 位 字 学 签 致谢 本论文是在尊敬的导师完海鹰教授和蔡敏教授的悉心指导和热心帮 助下完成的，在硕士学习和论文工作期间，完老师严谨的治学态度和平易 近人的作风让我受益非浅，使我在知识上、能力上和思维上都有了长足的 进步和发展。 借此机会对思师在学习上和生活上等方面给予的支持和帮助表示最 衷心的感谢。 同时，还要感谢在我研究生阶段教导过我的合肥工业大学土建学院王 建国等各位老师，感谢你们三年来对我学业上的悉心指导，你们的教诲为 本文的研究提供了理论基础。 还要感谢结构试验室的周安等老师以及曹靖博士和刘昆硕士对本次 试验的支持和帮助。 我的父母和兄长对我的学业给予了极大的全力支持，正是由于他们的 理解和关爱使得我这么多年专心读书，终于完成学业。 最后感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友。 作者姓名：郭裴 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 概述 现有的很多桥梁、隧道、建筑物以及其它基础设施由于历年的老化或由于 施工质量、地震、战争等多方面的原因受损，亟待加固和修复。现代化基础设 施的建设和发展规模与过去相比有了很大的变化，随着社会需求的变化，设计 标准的更新，性能和技术要求越来越高，现在对结构物的安全性能越加重视， 对己建的结构物在未达到其使用寿命以前如何提高其安全保证能力成了一项 重要任务实际上，存在着很多不确定的原因使得现存的结构物( 如桥梁和大 楼等) 或其部分构件出现了强度不够的问题，这有可能是由于机械损伤、结构 物部件功能的变化、地基不均匀沉降引起的附加应力以及预应力张拉过程中出 现张拉损失过多等原因造成的，这些结构物都需要加固。 近些年来，随着人们对建筑物补强加固研究课题投入的增多，相应的研究 成果也越来越多目前，工程中常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有： 加大截面加固法、外包钢法、玻璃钢加固法、喷射混凝土法、增设支点加固法、 粘结钢加固法、预应力加固技术或在桥梁结构中还有改变桥梁横向分布系数法 等。对于上述加固方法，国内外的很多科研机构都已进行了大量的研究工作， 并且大都己应用于实际工程，这在很多文献中都有记载。然而，这些加固方法 都有一定的缺陷，除了施工都比较复杂之外，有些方法，如粘钢法，在加固后 还需要定期的养护，还会增加构件自重，结点不易处理。因此需要一种施工简 便而有效的加固技术来对钢筋混凝土结构进行加固。 近年来，纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。随着 材料技术的发展，现在己开发出了多种高科技纤维材料，上面提到的玻璃钢( 玻 璃纤维增强材料) 就是其中一种。在所有的这些纤维材料中，碳纤维增强材料 ( c a r b o nf i b e tr e i n f o r c e dp 1 a s t i c ，下文简称c f r p ) 相比于其它纤维材料是迄 今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟，也是用量最大的一种高科技材 料。由于碳纤维材料的轻质、耐腐、高强及施工便利，在加固领域得到了大量 应用。 随着碳纤维加固技术的不断发展，国内外众多学者对c f r p 加固混凝土结构 进行了大量试验。但是有关的研究大都认为，加固是在零加载状态下进行的， 不考虑结构的二次受力，因而过高估计了构件承载力。然而实际加固时，零加载 条件是难以实现的，我们不可能做到全部卸载。即使能够做到全部卸载，所造成 的附加费用也是极其庞大的，因而总的加固费用将会增加。因此，实际的加固 分析属于二次加载问题。另一方面，混凝土结构之所以需要加固，是因为已经 产生了一定程度的劣化、开裂或者产生了过大的挠度，这一因素也必须在加固 中加以考虑。但目前有关这一方面的研究很少，对加载过程中的各种影响因素 也缺乏考虑。因此对这一问题展开深入研究具有重要的现实意义和理论价值。 下面将对碳纤维加固的特点及承载力研究现状作简要概述。 1 2 外贴碳纤维复合增强材料的加固特点 碳纤维增强材料( c f r p ) 加固修复混凝土结构技术是一项新兴的结构加固 技术，它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面，而达到对结 构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。下面分别介绍碳纤维材料和树脂 类胶结材料的材料性能以及碳纤维加固技术的特点“。3 1 。 1 - 2 1 碳纤维材料的材料性能 c f r p 材料最早应用于航空、航天等高科技领域，后来逐渐发展到船舶、汽 车等方面，最近几年，开始应用到建筑领域。碳纤维加固技术主要选用p a n 基 碳纤维材料粘贴在结构构件的表面，以达到加固补强结构的效果。其类型主要 有两种：一种是高强度型，另一种是高弹模型。高强度型碳纤维的抗拉强度比 钢筋大1 0 倍，弹性模量几乎与钢筋相当。高弹模型碳纤维抗拉强度比钢筋大6 8 倍，而弹性模量比钢筋大1 8 2 6 倍。表1 是日本产的碳纤维材料性能技术指 标，表2 是国产碳纤维材料性能技术指标，图l 是市场上几种常用碳纤维材料的 应力一应变关系曲线。 表1 - 1 日本产碳纤维材料等级和特性 类型碳纤维材料 纤维高抗拉碳纤维 高弹模碳纤维 等级 f t s - c 1 - 2 0f t s - c 1 - 3 0f t s c 5 3 0f t s c 6 3 0f t s - c 7 - 3 0 纤维重量 2 0 03 0 03 0 03 0 03 0 0 ( g c m 2 ) 纤维密度 1 81 81 8 22 12 1 7 ( g c m 2 ) 设计厚度 ( m m ) o 1 1 1o 1 6 7o 1 6 50 1 4 31 0 4 3 设计抗拉强 度( h p a ) 3 5 5 0 3 5 5 0 3 0 0 02 5 0 02 0 0 0 设计抗拉弹 2 3 5 x 1 0 52 3 5 x 1 0 53 8 x 1 0 55 0 x 1 0 55 5 x 1 0 5 模( m p a ) 1 2 2 环氧树脂的材料性能 外贴碳纤维加固技术的成功应用主要依赖于粘结剂的性能，而在碳纤维片 材加固体系中所用粘结剂多为环氧类。环氧树脂是指分子中含有两个或两个以 上环氧基团的有机高分子化合物，由于分子结构中含有活泼的环氧基团，故能 与多种类别的固化剂发生交联反应而成不溶、不熔的网状结构体型高聚物。 2 环氧树脂具有较优异的物理化学性能，主要表现在以上几个方面： ( 1 ) 化学结构方面，除有活泼的环氧基团外，还有氢基和醚基，因而粘结 力强： ( 2 ) 固化时无挥发物逸出，孔隙率低，化学稳定性高，耐腐蚀，固化收缩 率较小，一般 1 9 找平材料 3 4 0 9 0 2 o 浸渍树脂 2 9 0 3 9 0 9 8 1 2 4 碳纤维加固混凝土结构的技术特点 碳纤维有很多种类，其中p a n 基碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的 粘结性、耐热性及抗腐蚀性等特点，非常适用于土木工程领域。用于建筑结构 补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑用钢材的几倍，弹性模量与建筑钢 材在同一水平上并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。碳纤维材料的这 些特点，为建筑结构的补强与加固提供了技术支持。 与原有的加固方法比较，碳纤维加固技术具有明显的技术优势，主要体现 在： ( 1 ) 高强高效碳纤维材料具有优异的物理力学性能，其极限抗拉强度 是普通钢材屈服强度的十几倍左右，弹性模量与钢材相近，且具有很好的疲劳 强度。在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高弹模的 特点来提高结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固的目 的。 ( 2 ) 耐腐蚀性能及耐久性碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等 化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐 腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题。 ( 3 ) 不增加构件的自重及体积碳纤维布质量轻且厚度薄，经加固修补 后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空 间，这在“寸土寸金”的经济社会中无疑是重要的。 ( 4 ) 适用面广由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意地裁剪， 所以这种加固技术可广泛地应用于各种加固结构类型、各种结构形状和结构中 的各种部位，且不改变结构形状及不影响结构外观。同时，对于其他加固方法 4 无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板，以及隧道、大型 简体及壳体结构工程等，碳纤维加固技术都能顺利地解决 ( 5 ) 便于施工将碳纤维材料用于加固混凝土结构，在施工现场不需要 大型的施工机械，占用施工场地少，而且没有湿作业，因而工效很高。 l - 3 c f r p 加固性能的研究及应用状况 1 3 1 破坏形态 用张贴在混凝土受拉面的c f r p 片材加固钢筋混凝土结构后，由于多种材料 的各种复合效果比较复杂，除剪切破坏以外，可能发生下列破坏形式： 1 、c f r p 在弯矩最大截面处达到极限抗拉强度而断裂： 2 、钢筋屈服导致混凝土压坏： 3 、纵筋屈服前，压区混凝土达到极限应变，混凝土压碎： 4 、由于受剪斜裂缝的出现，使碳纤维在该裂缝处剥离，并由于该裂缝的 发展，使碳纤维剥离一直延伸至端部，造成破坏： 5 、由于碳纤维端部的应力集中，使该处混凝土出现裂缝，从而使混凝土 在纵筋位置处发生保护层的拉剪破坏： 6 、由于碳纤维与混凝土的粘结强度不足发生的锚固破坏 其中，对于破坏状态( 1 ) 和( 2 ) ，试件破坏时，纤维增强塑料发挥了强度， 且纵筋己经屈服，极限位移较大，在加固设计中应优先选用：对于破坏状态( 3 ) 试件破坏时，纵筋没有屈服，混凝土已经压碎了，相当于超筋梁的破坏状态， 在加固设计中应避免其发生：对于破坏状态( 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) ，试件破坏时碳纤维及 混凝土材料没有发挥出其极限承载强度，材料的利用率低，在加固设计中宜采 取附加锚固措施以避免其发生，为叙述方便，下文对破坏状态( 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) 简 称为早期破坏。 1 3 2 c f r p 加固梁的受弯加固研究n 刮 当不发生早期破坏时，碳纤维对受弯加固梁具有显著的效果，可有效提高 屈服荷载( 屈服荷载是指钢筋屈服时的荷载) 及极限荷载：加固梁没有明显的屈 服台阶，纵筋屈服后碳纤维可继续受荷，构件仍有较大刚度：试件破坏前有足 够的变形，延性较好：低配筋的梁加固效果较好：c f r p 加固后梁的裂缝形态变密 变细，破坏时裂缝宽度比未加固梁要小得多。 由于碳纤维加固梁破坏时有其自身的特点，只要碳纤维拉断或混凝土压碎 发生其一试件就破坏了，没有碳纤维达到抗拉强度后混凝土压区继续发展直至 压碎的过程。因此不同混凝土强度、纵筋配筋率及碳纤维用量的试验梁的加固 效果有其自身特点：( 1 ) 对于混凝土强度，当破坏状态为混凝土被压碎时，随着 混凝土强度的提高，极限弯矩稍有增加，当破坏状态为碳纤维被拉断时，混凝 土强度的变化对极限弯矩的影响很小。( 2 ) 对于纵筋配筋率，不同配筋率时碳 5 纤维加固梁比原梁的极限荷载提高比例的基准是不同的，当纵筋配筋率较高 时，加固梁的提高比例较低。( 3 ) 对于碳纤维的用量对于试验梁的极限荷载影 响较大，随着碳纤维用量的提高，加固梁的极限荷载增加，但是增加量与碳纤 维用量的增加不成比例。 对于受弯构件承载力的计算，国内外很多研究人员经过大量的试验和分 析，提出的方法主要采用下列假定： ( 1 ) 平截面假定 ( 2 ) 纵筋和混凝土之间没有滑移：不考虑混凝土的抗拉强度 ( 3 ) 碳纤维和混凝土之间无粘结破坏 ( 4 ) 梁的各部分材料的本构关系由标准单轴试验确定。 由于碳纤维强度指标是由材料试验中标准试件的强度确定的，实际结构中 碳纤维的施工条件、受力状态等与标准试件不同，因此在碳纤维加固结构中应 考虑降低碳纤维的作用，比如：吴钢晦1 建议碳纤维折减系数为o 5 o 8 ：屈文俊 “1 等建议碳纤维设计抗拉强度为极限抗拉强度的o 8 倍：a c l 4 4 0 建议碳纤维材 料的设计强度值应考虑环境折减系数，在封闭空间取为0 9 5 ，在不封闭空间及 恶劣环境下取0 8 5 ；碳纤维片材加固修复钢筋混凝土结构技术规程，提出了 碳纤维片材的允许拉应力不应大于碳纤维片材极限应变的2 3 和0 0 1 两者的较 小值。这些参考钢筋混凝土结构的计算方法具有概念清晰、简单易行的特点， 但对于几何形状和材料较复杂的结构则计算结果不精确，而且对于粘贴多层碳 纤维加固梁的折减系数还需要迸一步深入研究，不具有普遍性。 1 3 3 c f r p 加固梁的抗剪加固研究 目前，对于用c f r p 片材进行抗剪加固后的构件，各类规范标准通常考虑的 剪切破坏模式一般有0 1 ： 1 、c f r p 先出现界面裂纹而被拉断 2 、c f r p 拉断和混凝土压缩破坏同时发生 3 、压区混凝土达到极限应变，混凝土压碎 4 、界面剥离之前，c f r p 片材由于量太小而早早出现拉断现象等四种破坏 形式。 对于纤维抗剪加固承载力的试验，最早是由麻省理工大学b e r s e t 教授负责 进行的，他认为纤维材料对梁的抗剪性能的作用与箍筋相类似，作用的大小取 决于试验中纤维材料所能达到的最大应交。随后进行这方面的研究的是日本的 u j i 教授，使用的是碳纤维材料，在他的计算模型中，纤维类材料对抗剪承载 力的贡献是取决于纤维与混凝土的粘结面。这个粘结面在粘结剂被剪坏的瞬 问，将承担平均的剪应力，该应力值的大小由试验确定，但碳纤维材料对梁抗 剪承载力的最大贡献则由碳纤维的抗拉强度决定。此外，国外这方面的研究成 6 果越来越多，综合起来而言有以下几方面：( 1 ) 碳纤维对混凝土梁的加固效果与 箍筋相似：( 2 ) 4 5 0 c 1 3 5 0 c 纤维排列加固效果优于9 0 0 c 纤维排列加固效果：( 3 ) 纤 维类材料对钢筋混凝土材料的抗剪加固效果明显，其作用的大小取决于材料的 实际应变。 我国是在1 9 9 7 年正式开始对碳纤维增强材材料( c f r p ) 加固修复土木建筑 结构进行研究的，主要研究成果有：( 1 ) 通过对不同粘贴方式的碳纤维强度发挥 系数的比较，可以得出u 型粘贴优于侧边粘贴为提高侧边条带粘贴与u 型条带 的锚固性能，建议采用锚栓锚固及在u 型条上部纵向碳纤维并列锚固：( 2 ) 影响 碳纤维抗剪加固效果的参数有：配箍率、碳纤维布的厚度、粘贴方式、剪跨比、 加固梁本身的荷载情况、不同的粘结剂等等：( 3 ) 提出了计算碳纤维抗剪承载力 的简化计算公式由以上研究成果可知：为了更加有效地利用碳纤维强度，受 剪加固时碳纤维应尽可能环包。但在实际加固工程中，碳纤维往往无法环包混 凝土梁，因此需要有效地端部附加锚固措施以达到与碳纤维环包时相同的效 果。 1 3 4 对其他性能的研究 1 、对延性的研究 用碳纤维加固钢筋混凝土柱，可以显著改变其延性，由于碳纤维层数越多， 其发挥效率越低，所以碳纤维的层数对延性的增加影响不大。而在碳纤维加固 钢筋混凝土梁时，在适筋范围内，受压钢筋的存在，截面的延性会增加，而增 加受压钢筋用量会显著增大截面的延性；受拉钢筋的配筋率越小，截面延性越 大：在界限破坏时，截面延性最好。由于c f r p 为完全弹性材料，与钢筋共同作 用会减弱钢筋塑性变形对提高构件延性的作用。随着c f r p 的用量，截面延性降 低，因此对于c f r p 片材加固时，也需要视具体情况而定。 2 、对抗疲劳能力的研究 对于重复荷载、移动荷载等，我们需要考虑结构的抗疲劳能力。c f r p 加固 增强结构的抗疲劳能力的评价一般要针对弯曲疲劳破坏和剪切疲劳破坏这两 种破坏形式进行。评价时除了要计算原有结构的抗疲劳能力外，还要考虑c f r p 加固部分的疲劳断裂能力，以及c f r p 和混凝土界面的粘结疲劳破坏能力。一般 在抗弯能力的评价时，通常的钢筋混凝土抗弯疲劳理论可以用来评价原有结构 的抗疲劳能力，c f r p 自身的抗疲劳能力也可以通过材料试验来解决。主要问题 在于界面粘结疲劳破坏，很少的一些试验结果指出，在重复、移动荷载作用下， 界面的粘结能力有下降的倾向，需要加以考虑，但下降系数的确定还需要一定 的数据积累。 对结构的剪切疲劳能力的评价比抗弯疲劳能力评价更困难。道路、桥面板 等板结构，经常由于裂纹的产生、裂缝的贯通、配筋方向板的连续性降低，而 7 最终导致结构复杂性的冲剪破坏。现有的研究结果表明，r c 桥面板下张贴c f r p 片材，可大大提高其疲劳寿命，因为c f r p 片材对混凝土中裂纹开闭起约束作用， 在板厚方向对裂缝起到了抑止作用，并降低了弯曲变形的钢筋应力。 冲压型剪切疲劳破坏的评价需要考虑被加固结构加固后自身的抗疲劳能 力、c f r p 片材的抗疲劳断裂能力以及界面粘结抗剥离破坏的能力，由于通常 c f r p 应力不很高，故c f r p 疲劳断裂可以除外。在发生c f r p 混凝土界面粘结剥离 之前，加固效果一般与c f r p 片材的拉伸刚性( 即其截面积乘以弹性模量) 密切相 关，故可以由此来进行初步的加固设计 3 、裂缝宽度的研究 通常由于片材粘结张贴加固，结构的裂缝分散性能降明显增强。此外由于 抗弯加固效果，钢筋的应力也会明显下降。因此，裂缝宽度将大幅下降。研究 结果表明，对于无初始裂缝或一定宽度以下的初始裂缝的结构，用一定量的 c f r p 加固后，其裂缝分散能力大大提高。钢筋屈服前在同样的钢筋应力水平下， c f r p 加固构件的裂缝宽度只是无c f r p 加固构件的3 0 - 7 0 因此，在运用通常 的钢筋混凝土理论计算裂缝宽度时，除了把c f r p 加固量折算成钢筋比后加算到 钢筋比外，还要考虑到裂缝间隔的影响，对其乘上一个0 3 o 7 的降低系数。 但是对于恒载支配下结构的情况，如果加固前裂缝发展己经相当严重，c f r p 加固后的裂缝分散效果可能不大，故不宜考虑上述的降低系数。 1 4 本文主要研究内容 在实际工程中，结构加固由于无法卸荷或只能部分卸荷，一般情况下是在 结构承受不同荷载情况下进行加固，也就是说在结构加固以前已经受力( 第一 次受力) ，这种情况下的加固属于二次受力加固。有很多的情况都需要考虑二 次受力，结构功能的改变需要增加荷载，旧房屋不能满足新规范的要求，结构 的老化，暴露在严酷环境中结构承载力降低，结构的抗震加固以及结构局部损 伤时的加固都是在考虑二次受力情况下的加固。用c f r p 加固钢筋混凝土梁，提 高正截面的承载力，目前研究大都集中在一次受力方面，对二次受力研究较少。 因此，本文将对c f r p 加固钢筋混凝土梁性能做进一步研究。本文研究的主要内 容包括： 1 一次受力加固后梁正截面抗弯承载力提高程度。 2 不卸载加固，分析其正截面抗弯承载力提高程度。 3 梁的破坏形态。 4 对试验梁进行有限元( a n s y s ) 分析。 第二章碳纤维片材加固混凝土结构的理论分析 2 1 加固结构的受力特征 对既有结构进行加固，其受力性能与一般未经加固的普通结构有较大的差 异1 0 “1 。 首先，加固结构属于二次受力结构。加固前原结构已受力( 即第一次受力) ， 已具有一定的应力应变水平，新加固部分尚未能立即分担荷载，只有在新增加 荷载( 即第二次受力) 下，才开始受力因此，新加固部分的应变始终滞后于原 结构的累计应力应变，原结构的应变始终高于新加固部分。原结构达到极限状 态时，新加部分可能尚未达到极限状态，其抗力得不到充分利用，起不到应有 的加固效果。 其次，新加部分与原结构整体共同受力问题主要取决于加固时原结构卸载 的程度和结合面的构造处理措施。加固前进行卸载，可使新加部分应变滞后现 象减轻乃至消除，结构破坏时，新旧两部分就可各自进入极限状态，从而提高 结构整体承载力。卸载可以是直接卸载，也可以是间接卸载。直接卸载，是全 部或部分地直接搬走作用于原结构上的可卸荷载。问接卸载是用反向力施加于 原结构，以抵消或降低原有作用效应，如顶升卸载等新旧两部分的整体工作 问愿还取决于结合面能否有效地传递和承担有关应力，而且变形不能过大。结 合面传递的主要是剪力。 由于加固结构有以上特点，决定了其计算方法与普通混凝土结构不同。 2 2 碳纤维加固钢筋混凝土粱的破坏特征 外贴碳纤维加固后，钢筋混凝土梁弯曲破坏的主要形式有以下四种1 。 ( 1 ) 受压区混凝土被压坏。 ( 2 ) 碳纤维拉断破坏。碳纤维拉断通常发生在加固后类似少筋梁的截面 上。 ( 3 ) 混凝土一胶结面脱胶。当粘结胶太弱或使用不当时，会发生混凝土 一胶结面脱胶破坏。 ( 4 ) 混凝土保护层剥离破坏。当结构胶太强时，会发生混凝土保护层剥 离破坏。 由于后两种破坏呈现明显的脆性，在设计时通常采用螺栓锚固或在端部和 剪弯区缠绕碳纤维来延缓和避免这种破坏，以确保构件的延性，本论文对此两 种破坏形式不作讨论，设计时可采取锚固措施来避免。考虑前两种破坏，由于 破坏前碳纤维的应力应变曲线是线弹性的，所以，前两种破坏也呈现一定的脆 性。因此，从提高构件延性出发，以钢筋屈服、混凝土压碎、碳纤维等于屈服 强度为界限破坏，考虑应力应变滞后，推导不同卸载条件下，外贴碳纤维加固 9 钢筋混凝土梁正截面承载力计算公式。 2 3 碳纤维片材加固钢筋混凝土粱正截面抗弯承载力计算 2 3 1 基本假设 为了推导不同卸载条件下碳纤维加固钢筋混凝土粱正截面抗弯承载力的 计算公式，作出如下假定： ( 1 ) 平截面假定“3 1 碳纤维加固钢筋混凝土梁的平均应变符合平截面假定。 我国规范小组在研究报告中指出：构件最后丧失承载能力都是表现为混凝土被 压碎，而压碎又是发生在一个较大的区域，并且对于极限承载能力分析来说有 实际意义的是平均截面的变形情况，而不是某个截面的变形情况，因此在计算 分析时，可采用平截面假定进行简化计算。 ( 2 ) 钢筋与混凝土充分粘结，无相对滑移，变形协调。 ( 3 ) 碳纤维与钢筋混凝土梁充分粘结，无相对滑移，变形协调，因此在 以后的公式推导和数值模拟分析中忽略粘结胶的影响。 ( 4 ) 假定构件的卸载是弹性卸载，卸载后的混凝土受压区应力一应变关 系仍满足r u s c h 曲线的上升段( 考虑在实际工程中，正常使用条件下的钢筋混凝 土梁远未达到极限状态，故忽略卸载后的塑性残余应变影响) 。同时，忽略混 凝土中的抗拉强度。 ( 5 ) 假定构件的锚固相当牢固，构件的破坏形式仅为受压区混凝土压坏 或碳纤维拉断。 ( 6 ) 混凝土的应力一应变关系曲线采用混凝土结构设计规范“ 规定， 图2 1 ( f 1 ) 为混凝土的应力一应变关系曲线。 哺刳一( 珊 当o x i 时， 一，勺 勺参考图2 - 5 ，忽略c f r p 的厚度 。f ，c f r p 板的应变白用气表示为： e ：f 生生翻 )d(2-28 ，2 函i “ j 根据水平力平衡得： ，l m b x = fp a | 七媾j 一8 4 0 e 4 a 目 2 - 2 9 ) 对受拉钢筋形心取矩，得： m 。= l b x ( h o - 0 5 j ) + ( 白一) 易如伽一) ( 2 3 0 ) 由式( 2 - 2 8 ) 和式( 2 - 2 9 ) 求出x ，将x 代入式( 2 - 3 0 ) 式中即可求出极 限弯矩。 ( 2 ) 当破坏模式是碳纤维拉断时 此时，工 - 勺对混凝土压区中点取矩，得： m 。= 4 - 0 5 工) + 缘a o ( h - o 5 x ) ( 2 - 3 1 ) 式中，五f u 一一碳纤维的极限抗拉强度； 1 6 rihl王 h ( 3 ) 当破坏模式是界限破坏时 此时，工= ，勺= 矗，乞