（市政工程专业论文）荷载和干湿交替耦合作用下CFRP加固预裂RC梁耐久性试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，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 r ，简称c f i 心) 因具有 高强轻质、良好的抗疲劳性能和耐久性能而在土木工程结构加固中应用日益广泛，然而 c f r p 加固钢筋混凝土结构除了荷载作用外还可能会暴露于化学环境、干湿循环、海水 环境、冻融循环或其它各种恶劣环境中，加固结构会面临耐久性降低而无法正常使用的 问题。由于在实际工程中采用c f r p 加固的混凝土构件加固前大都受过损伤，因此可以 通过荷载和恶劣环境耦合作用于c f r p 加固的预裂构件来模拟实际工程中加固结构性能 退化过程，分析荷载和恶劣环境耦合作用对c f r p 加固构件的影响程度和劣化机理，获 取有效的c f r p 加固结构耐久性数据，为c f r p 加固结构耐久性设计提供依据。 本文结合国家自然科学基金项目“荷载和恶劣环境耦合作用下f r p 增强混凝土结构 耐久性研究 ( 5 0 6 0 8 0 1 3 ) ，对荷载和干湿交替耦合作用的8 根c f r p 加固预裂钢筋混凝 土梁进行耐久性试验研究，试验参数考虑了持载水平( 3 0 、6 0 ) 和干湿交替次数( 9 0 次、 1 8 0 次) 。通过试验和理论研究得出以下几个方面的结论： ( 1 ) 海水渗透到c f r p 与混凝土粘结层中，干湿交替作用下引起粘结性能的退化； 由于海水干湿交替对粘结性能的影响，荷载作用下c f r p 增加了局部剥离的可能性；由 于粘结层对混凝土表面保护作用的减弱和荷载作用下裂缝的扩展，海水会加速渗透到加 固梁内部，使加固梁性能退化加剧。荷载和恶劣环境耦合作用加速了加固梁的老化进程。 ( 2 ) 荷载和干湿交替耦合作用的加固梁跨中截面混凝土应变分布仍符合平截面假 定；加固梁纵筋屈服之前的c f r p 应变、极限应变随着干湿交替次数和持载水平的增加 呈降低趋势，其中l 1 8 0 6 0 与l 0 0 相比c f r p 极限应变下降了1 9 1 ：钢筋应变随 着持载水平的增加呈降低趋势。 ( 3 ) 加固梁开裂荷载随着干湿交替次数增加而增大，受持载水平的影响较小， l 1 8 0 6 0 与l 0 0 相比增大2 5 5 1 极限荷载和极限挠度随着干湿交替次数和持载水 平的增加均呈降低趋势，l 1 8 0 6 0 与l 0 0 相比分别下降6 6 、1 0 8 2 ：加固梁裂 缝间距和最大裂缝宽度随着持载水平的增加呈降低趋势，受干湿交替次数的影响较小。 ( 4 ) c f r p 抗弯加固构件抗弯剥离破坏不但与裂缝张开的界面粘结应力有关，还与剪 力引起的界面粘结应力有关，裂缝张开导致的界面滑移是受弯剥离破坏的主要原因；在 混凝土开裂前，若剥离区两端具有可靠的端锚固，则局部剥离几乎不影响加固构件的受 力性能；混凝土开裂后，裂缝区的局部剥离对构件的受力性能影响较大，主要表现在对 裂缝的抑制能力下降，不利于改善试验梁的刚度。 关键词：c f r p ；耐久性；r c 梁；干湿交替；荷载 荷载和干湿交替耦合作用下c f r p 加固预裂r c 梁耐久性试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd u r a b i l i t yo fp r e c r a c k e dr cb e a m s s t r e n g t h e n e dw i t hc f r pu n d e rl o a da n dd r y - w e tc o n d i t i o n s a b s t r a c t a t p r e s e n t , c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) i se x t e n s i v e l yu s e di n s t r e n g t h e n i n gs t r u c t u r e si nc i v i le n g i n e e r i n gr e i n f o r c e m e n tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g h s t r e n g t h , l i g h tq u a l i t y , g o o dw o r k a b i l i t y , g o o dd u r a b i l i t ya n ds oo n e x c e p tb u r d e n i n gl o a d r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r pa r es t i l le x p o s u r e di nc h e m i s t r y e n v i r o n m e n t , d r y - w e tc o n d i d o n s ，s e a w a t e re n v i r o n m e n t ，f r e e z ea n dt h a wc y c l e s ，a n do t h e r s a g g r e s s i v ee n v i r o n m e n t s ot h es t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r ps o m e t i m e sc a n tn o r m a l l y w o r kb e c a u s eo fd u r a b i l i t yd e c r e a s e i np r a c t i c a lp r o j e c t , r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sa r e u s u a l l yd a m a g e db e f o r c es t r e n g t h e n m e n t s op r e c r a c k e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e s t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e dw i t hc f r pu n d e rl o a da n da g g r e s s i v ee n v i r o n m e n tc a ns i m u l a t et h es t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e dw i t hc f r pi np r a c t i c a lp r o j e c t , w h i c hc a nb eu s e df o rs t u d y i n gt h es t r e n g t h e n i n g s t r u c t u r e sd u r a b i l i t yd e c r e a s em e c h a n i s ma n dp r o v i d i n gi n f o r m a t i o nt ot h ed e s i g no f s t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r p b a s e do nt h en s f c “d u r a b i l i t yr e s e a r c ho fc o n e r e t es t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e db vf r p u n d e rl o a d i n ga n da g g r e s s i v ee n v i r o n m e n t s ( 5 0 6 0 8 013 ) ，t h i sp a p e re x p e r i m e n t a ls t u d yo n d u r a b i l i t yo fe i g h tp r e c r a c k e dr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r pu n d e rl o a da n dd r y - w e t c o n d i t i o n s ，l o a dl e v e lw a sd e s i g n e dt o3 0 a n d6 0 ，a n dd r y - w e tc o n d i t i o n sw a sd e s i g n e dt o 9 0t i m e sa n d18 0t i m e s m a n yc o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e df r o me x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d y ( 1 ) t h eb o n di n t e r f a c eo fc f r pa n dc o n c r e t ei ss o a k e db ys e a w a t e ra n dw e a k e n e du n d e r d r y - w e tc o n d i t i o n s c f r pi se a s i e rd e b o n d i n gu n d e rl o a db e c a u s es e a w a t e rd r y - w e t c o n d i t i o n sd e c r e a s et h ec a p a b i l i t yo ft h eb o n dl a y e r s e a w a t e ra c u t e l ys o i a kt ot h ei n s i d eo f s p e c i m e na n dd e c r e a s et h ec a p a b i l i t yo ft h eb o n dl a y e r ，b e c a u s et h ep r o t e c t i o nc a p a b i l i t yo f 血eb o n dl a y e ri sd e c r e a s e da n dt h ec r a c ke x p a n du n d e rl o a d t h ec a p a b i l i t yo fs p e c i m e ni s a c u t e l yd e g e n e r a t e du n d e rl o a da n dd r y - w e tc o n d i t i o n s ( 2 ) t h em i d s p a nc r o s ss e c t i o ns t r a i no fr cb e a m su n d e ri o a da n dd r y - w e tc o n d i t i o n ss t i l l f i l l f i it h ep l a n eh y p o 血e s i s b e f o r et l l es t e e lb a ry i e l d t h es t r a i no fc f r pa n du t m o s ts t r a i n a r ed e c l i n i n gw i t hi n c r e a s eo fl o a dl e v e la n dd r y - w e tc o n d i t i o n st i m e s l 18 0 6 0 sc f r p u t m o s ts t r a i nd e c l i n e s19 1 c o m p a r i n gw i t hl - 0 - 0 s t h es t e e lb a rs t r a i ni sd e c l i n i n gw i t h i n c r e a s eo fl o a dl e v e l 一i i 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) t h ec r a c kl o a di sd e c l i n i n gw i t hi n c r e a s eo fd r y - w e tc o n d i t i o n st i m e s b u ti sl e s s a f f e c t e db yt h el o a d1 e v e l l - 18 0 6 0 sc r a c kl o a dr a i s e s2 5 5 c o m p a r i n gw i t l ll o 一0 s t h e u t m o s tl o a da n dt h eu t m o s td e f l e c t i o na r ed e c l i n i n gw i t hi n c r e a s eo fl o a dl e v e la n dd r y w e t c o n d i t i o n st i m e s l 18 0 6 0 ss e p a r a t e l yd e c l i n e s6 6 a n d10 8 2 c o m p a r i n g 、历n 1l 0 0 s t h ec r a c ks p a c eb e t w e e na n dm a x i m a lc r a c kw i d t ha r ed e c l i n i n gw i t hi n c r e a s eo ft h e1 0 a d 1 e v e l b u ti sl e g sa f f e c t e db yd r y - w e tc o n d i t i o n st i m e s ( 4 ) i cd e b o n d i n go fs t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r pr e l a t et ob o n d i n gs t r e s sc a u s e d b yc r a c ks p r e a d i n ga n ds h e a r i n gf o r c e t h eb o n d i n gs l i pc a u s e db yc r a c ks p r e a d i n gi st h e m a i nr e a s o no fi cd e b o n d i n g b e f o r et h ec o n c r e t ei sc r a c k e d ，p a r td e b o n d i n gh a r d l ya f f e c tt h e c a r r y i n g c a p a c i t yo fs p e c i m e n , c o n t r a r i w i s e ，p a r td e b o n d i n gn e a rt h ec r a c kd e c r e a s et h e c a r r y i n gc a p a c i t yo fs p e c i m e na f t e rt h ec o n c r e t ei sc r a c k e d ，w h i c hb r i n g so nt h ef u n c t i o no f c r a c kr e s t r a i n i n gd e c l i n i n ga n ds p e c i m e ns t i f f n e s si n c r e a s e db yc f i 冲d e c l i n i n g k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ：d u r a b i l i t y ；r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s ； d r y - w e tc o n d i t i o n s ；l o a d i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盔缝土遵叁整塑盘纽e 继隆重煎熬幽丝亟塑虢 作者签名： 牮丞丕日期：与啦年l 月l 日 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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 雀亟盈 导师签名：巧露粒 日期： 丕! 丕年三月2 l 日 日期：2 翌2 翌年j 2 月堡日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 o f r p 加固混凝土结构技术的优点及发展过程 众所周知，从第二次世界大战结束至今的5 0 年间，建筑业大致经历了三个不同的 发展时期，即大规模新建、新建与维修改造并举和重点转向旧建筑的维修与现代化改造。 近几十年来，由于旧建筑的工程事故不断发生，各经济发达国家正逐渐把建设的重点转 移到旧建筑的维修、改造和加固方面。据a s c e 估计，从1 9 9 9 至2 0 0 3 年美国仅用于修 复混凝土基础设施的费用将达到1 3 0 0 0 亿美元，约占国民生产总值的4 ；英国在1 9 8 0 年建筑物维修改造工程占英国建筑工程总量的三分之一；瑞典建筑业8 0 年代首要的任 务是对已有建筑物进行更新改造，1 9 8 3 年用于维修改造的投资占总投资的5 0 。而在 我国，现有的6 0 多亿平方米房屋建筑面积中，约2 3 亿平方米需要分期分批地进行结构 鉴定和加固，近1 0 亿平方米急需加固【1 。 传统的混凝土结构加固方法包括增大截面与配筋加固法、体外预应力加固法、粘贴 钢板加固法、改变结构受力体系加固法、增设主梁加固法、锚喷混凝土加固法、增加横 向联系加固法等都需要大型的机械、较多的人工和较大的施工空间，且施工耗时，抗腐 蚀性差，有的还会同时使体积和负荷增加较多，不仅一次性造价不菲，若考虑后期维护 费用，耗资会更大。因此，土木工程界一直在致力于研究开发新的加固修复材料与技术。 一般来说，加固改造的材料强度要高于已有结构的材料强度，因此一些新的高性能 材料的应用在工程加固改造中日益广泛，如纤维增强复合材料( 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 ) 、纤维增强混凝土等。由于具有诸多优点，近年来纤维增强复合材料( f r p ) 被 广泛用于对钢筋混凝土结构、钢结构或其他构件和结构进行修复、加固，具有巨大的社 会需求和研究价值，产生了良好的社会经济效益f 2 ，3 】。 1 1 1 碳纤维复合材料( c f r p ) 的优点 对于复合材料，国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n , i s o ) 作出了以下的定义 4 】：复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l ) 是由两种或两种以上物理和化学 性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。复合材料的各相材料在复合后保持着各 自性质的相对独立性。这种复合并非简单的加和，其意义在于在材料整体性质上有着非 常重要的改进。复合材料的基本思想，就是各组分之间“取长补短”、“协同作用”， 故而可以克服和弥补单一材料的缺点，产生单一材料所不具有的新性能。在连续纤维复 合材料中，连续纤维是作为分散相的增强材料，而作为连续相的聚合物树脂起到纤维间 横向传力并保护纤维的作用。 荷载和干湿交替耦合作用下c f r p 加固预裂r c 梁耐久性试验研究 目前工程中使用的复合材料，按照增强纤维的种类分为碳纤维复合材料( c a r b o n f i b e rr e i n f o r e e dp o l y m e r ，简称c f r p ) 、玻璃纤维复合材料( g l a s sf i b e rr e i n f o r e e dp o l y m e r 简称g f r p ) 、芳纶纤维复合材料( a r a m i df i b e rr e i n f o r e e dp o l y m e r 简称a f r p ) ，各种纤维 材料的主要特性如表1 所示。在这几种纤维中，由于碳纤维复合材料( c f r p ) 具有许多突 出的优点，所以对碳纤维复合材料的研究和应用是最为广泛。国内外将这三种统称为纤 维增强聚合物复合材料，并用f i 冲来表示【确】。 表1 1f r p 的力学性能 t a b 1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff r p 与其它加固材料相比，碳纤维增强复合材料( c f r p ) 具有以下主要优点【7 】： 轻质高强： 不增加结构自重及结构尺寸； 耐疲劳性能好，使用寿命长； 吸能减振，对震动有有益的衰减功能； 热膨胀系数小，在常温下甚至为负值，尺寸稳定性较好； 导电性较好，体电阻率约为1 0 。3 q c m ； 具有反射和吸收电磁波的功能： 在惰性气体中热稳定性高，在化学环境下不发生腐蚀。碳纤维材料( c f r p ) 具有很强 的抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力，特别是在海水环境中不会腐蚀。 与生物相容性好，长期工作不会分解出小分子或有毒物质； 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 工作性好，施工的适应性强。纤维布能随意裁剪，直接在结构表面粘贴，工序简单， 无需模板和大型吊装设备，对施工场地要求较低，可在传统技术无法施工的有限作 业空间内操作，具有进度快、工期短，还可在正常营运条件下施工，避免停产造成 的损失。此外，在5 0 c 以上的温度环境下均可施工。 可多层粘贴。通过调整粘贴纤维布的层数，可任意设定纵向受拉钢筋或预应力钢筋 配置方向的纤维用量。同时，也可以在两个方向对结构进行补强加固。 可约束混凝土中的裂缝开展。对构件的裂缝有约束作用，可防止修补后的混凝土再 次出现胀裂。 可以通过适当的纤维含量及成型方法，得到预期的材料特性和各种形状的结构。 1 1 2c f r p 加固混凝土结构技术的发展过程 c f r p 是6 0 年代以来随航天工业等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的 新材料，7 0 、8 0 年代期间，主要用于航天航空等高技术领域。自从瑞士m e i e r 教授于 1 9 8 1 年首次成功粘贴c f r p 片材加固e b a c h t n 9 】大桥以来，c f r p 材料因其良好的结构性 能和耐久性能而逐渐转向民用领域，尤其是在土木工程中的应用得到迅速发展。1 9 9 5 年，日本采用c f r p 对阪神地震后高速公路桥墩柱的快速加固，为交通运输的迅速恢复 赢得了时间，从而进一步奠定了c f r p 材料在土木工程领域应用的基础，并引起工程界 的广泛重视。 日本在f r p 的研究、开发和应用中一直占据领先地位。2 0 世纪7 0 年代日本就进行 了f r p 的应用开发。1 9 8 8 年，日本建设省率先发起了一个为期五年的大型综合研究项 目建设事业中的新素材、新材料利用技术的开发，其中f r p 加固结构技术可以说是 其中最为成功的一个。1 9 8 9 年，日本土木工程学会( j s c e ) 设立了连续纤维增强混凝土 委员会，并于1 9 9 2 年召开了混凝土结构中f r p 加固材料的应用学术研讨会。1 9 9 3 年日本建筑研究院( a u ) 颁布了世界上第一本关于f r p 加固的设计指南( 即f i 冲加固混 凝土结构设计指南) ，1 9 9 5 年总结出建筑领域的连续纤维加固混凝土结构诸性质和 设计法，但大量的研究工作还局限于室内试验研究，实际工程的加固实例很少。1 9 9 5 年1 月日本阪神大地震之后，随着人们对大量老化结构存在缺陷认识的不断深入，f r p 加固技术受到了广泛重视，加之1 9 9 6 年正式颁布的连续纤维材料补强加固混凝土结 构物的设计及施工规程等国家级规程及各相关协会和机构相继推出的各自行业标准， 进一步促使这一新型加固技术在实际工程中得以大规模的应用，以致短时间内f r p 用量 剧增，c f r p 片材的年使用量从1 9 9 3 年的6 吨增加到1 9 9 6 年的1 2 5 吨，到1 9 9 7 年已迅 荷载和干湿交替耦合作用下c f r p 加固预裂r c 粱耐久性试验研究 速增至2 5 0 吨 1 0 】。同时，加固对象也由初期的柱型结构的抗震加固转为房屋、桥梁的梁 板结构的补强加固，并已有了指导性的桥梁加固施工、设计规澍1 1 】。 在美国，关于f r p 加固混凝土结构技术的研究同样非常活跃。美国混凝土协会( a c i ) 成立了f i 冲专业委员会( a c l 4 4 0 f ) ，并于1 9 9 3 年在加拿大温哥华召开了第一届f i 冲增 强钢筋混凝土结构技术国际会议( f r p r c s 1 ) 。同时，随着国家科学基金( n s f ) 对f i 冲片 材加固技术研究项目的资助，取得了非常丰富的研究成果，并有大量的工程实例见诸报 道。其研究应用成果在a c l 4 4 0 f 上做了总结，目前已形成指导加固设计施工的指南【1 引， 并已结合混凝土桥梁设计规范进行了必要的研究【i 3 1 。 2 0 世纪7 0 年代，德国斯图加特大学就开始对f r p ( 重点是g f r p 预应力筋) 进行研究， s t r a b a g 和b a y e r 合作开发的g f r p 预应力筋和锚固系统于1 9 7 8 年在德国和奥地利桥梁 中得到了成功的应用，并于1 9 8 6 年建成了世界上第一座后张法预应力f r p 悬索桥。瑞 士联邦材料实验室( e m p a ) 从1 9 8 2 年开始就致力于f i 冲加固混凝土结构的试验研究，并 首次在加固工程予以应用。1 9 9 1 年德国、荷兰合作研究为期五年的“b r j t e e u 删” 项目，1 9 9 3 年英国、荷兰、瑞典、法国、挪威合作研究为期四年的“e u r o c r e t e 项 目，1 9 9 5 年在比利时召开的第二届国际会议( f r p r c s 2 ) ，都标志着f i 心加固技术在 欧洲得到了广泛的研究和应用。1 9 9 7 年1 2 月，来自瑞士、奥地利、意大利、比利时、 希腊、法国和德国等欧洲九国1 1 个科研队伍斥巨资启动的高性能纤维复合材料加固 混凝土结构设计指南( c o n f i b e r c r e t en e t w o r k ) 项目，经过四年的共同努力而完成，进 一步促进了该技术在欧洲的应用【1 4 1 。 f r p 加固技术自2 0 世纪9 0 年代后期引入我国以来，已在结构工程领域引起广泛关 注和浓厚兴趣，以清华大学、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心为代表的高等 院校和科研院所对f r p 加固混凝土结构进行了较为系统的试验研究和理论分析，并建立 了相应的设计方法和工艺流程。中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会于2 0 0 0 年6 月成立了“纤维增强塑料( f i 心) 及其工程应用专业委员会 ，并定期召开有关纤维 增强塑料补强加固工程结构的学术交流会。另外，中国工程建设标准化协会于2 0 0 3 年 颁布的碳纤维片材加固混凝土结构技术规程( c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 ) 技术标准，进一步促进 了该技术在我国的健康、快速发展。据不完全统计，2 0 0 1 年，我国对f r p 的需求量为 1 5 万开，2 0 0 2 年为2 5 万m 2 ，2 0 0 3 年就达到4 0 万酣，其后每年均维持在6 0 万m 2 以上用 量的水平【14 1 。 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 2c f r p 加固混凝土结构技术研究状况 1 2 1o f r p 加固构件抗弯性能的研究现状 国外对粘贴c f r p 加固抗弯加固构件的抗弯性能研究起步较早，成果也较多，其中 早期的研究成果主要以完整梁的抗弯加固受力性能为主 1 5 - 3 1 】。研究方法多采用加固钢筋 混凝土小梁室内试验，通过与参考梁的对比，分析粘贴碳纤维布对加固钢筋混凝土试验 梁抗弯强度、跨中挠度、受拉钢筋应变、裂缝宽度与形态以及破坏模式的影响，从而对 粘贴加固效果做出合理的评价。国内现有的研究成果大都采用了上述研究方澍3 2 。9 1 。主 要研究成果m 】： ( 1 ) 混凝土结构的受拉区粘贴c f r i ： ，可以有效地提高其承载能力，抑制裂缝过宽地 扩展； ( 2 ) 随着碳纤维布粘贴层数的增加，加固梁的破坏形式由碳纤维布的拉断转化为受 压区混凝土的压溃或界面剥离破坏； ( 3 ) 在梁的受拉区粘贴碳纤维布可显著提高梁的承载能力；在不达到超筋限制并确 保粘结锚固可靠的前提下，提高幅度与粘贴层数及配筋率有关； ( 4 ) 粘贴碳纤维布可提高加固梁在加载后期的抗弯刚度，但对弹性受力阶段的刚度 改善效果不明显，抗弯刚度的提高幅度与碳纤维布的粘贴层数有关； ( 5 ) 粘贴碳纤维布可有效抑制加载后期的裂缝，但对提高开裂弯矩以及改善早期开 裂的效果并不显著； ， ( 6 ) 在加载小于6 0 7 0 极限荷载的情况下，加固梁的复合截面仍能很好地满足平截 面假定。开裂后，碳纤维布与混凝土复合截面一般不再满足严格意义上的平截面假定； ( 7 ) 达极限状态时，即使发生碳纤维布的拉断破坏，碳纤维布的实测拉应变仍远小 于碳纤维片材的极限拉应变，即粘贴于加固粱上的碳纤维布( 板) 存在一个综合强度的问 题； ( 8 ) 在没有可靠锚固措施的情况下，多数加固梁发生了碳纤维布的剥离，加固梁的 破坏模式具有明显的脆性特征，发生剥离破坏加固梁的极限承载能力甚至低于未加固的 参考梁； ( 9 ) 附加的端部锚固及局部加强措施( 如碳纤维布u 型箍条或压条) 可有效防止碳纤 维布的剥离，明显提高破坏时的跨中挠度和截面曲率，确保加固梁发生延性破坏： 粘贴等量碳纤维布加固梁的极限承载能力几乎不受粘贴加固过程中持载程度的 影响，但持载加固对抑制加固梁裂缝扩展及提高刚度是不利的。 荷载和干湿交替耦合作用下c f r p 加固预裂r c 梁耐久性试验研究 由于实际工程中，混凝土桥梁加固时一般处于负载状态( 即二次受力状态) ，只有当 被加固的结构再次受力时，粘贴的c f r p 片材才开始受力，因此，c f r p 的应力和应变 始终滞后于原结构的应力和应变。如不考虑二次受力带来的应变滞后影响，将会过高估 计加固结构的实际承载能力【4 卜4 3 1 。近几年来，不少学者进行了负载状态下c f r p 加固梁 的受力性能实验研究和理论分析，并建立了考虑二次受力的抗弯承载力计算方法【仲5 1 】、 滞后应变及跨中挠度简化计算公式【5 2 1 。 对于带缝工作的钢筋混凝土桥梁，裂缝区的钢筋因长期处于高应力状态而发生徐 变，荷载卸除后裂缝也不会全部闭合，即存在一定宽度的残余裂缝。根据己有的文献 5 3 - 5 8 】，加固预裂梁与加固完整梁的受力性能是不同的，而国内外对预裂梁的研究成果比 较少，且没有对试验梁在加固前后基于正常使用状态下的受力性能进行有效的对比性研 究，因此难以解释实际情况下c f r p 对钢筋混凝土梁的加固效果。 m a r c oa r d u i n i ( 1 9 9 7 年) 研究了粘贴碳纤维布加固预裂梁的受力性能，试验包括1 8 个试件，其中9 根模拟了加固板( 板长1 5 m ，高宽比小于1 2 ) 的受力性能，9 根模拟了梁 ( 梁长2 4 m ，高宽比大于2 ) 的受力性能。针对每一组试件，研究者对参考梁( 板) 、加固 完整梁( 板) 、加固预裂梁( 板) 的变形、应变水平、极限荷载等进行了对比。研究结果证 实了粘贴碳纤维布加固预裂梁是可行的，并且初始裂缝的存在不影响加固效果【5 7 】。 m o h s o n 、s h a h a w y 等人( 2 0 0 1 年) 研究了持载加固问题，试验包括8 根长为6 0 9 6 m 、 高为0 4 4 m 的t 型截面梁，考察了预加载程度( 分别预加载至6 5 、8 5 、11 7 屈服荷载) 以及不同加固方式( 对t 型梁采取两种粘贴方式，一种为腹板全包，一种为梁底粘贴) 对 加固梁受力性能的影响，取得了令人满意的效果。由于研究者采用了较大尺寸的试验梁， 所得结论具有一定的参考价值【5 6 1 。试验结果表明：不同的持载程度只影响加固梁的屈服 弯矩，却不影响加固梁的极限承载能力；在不同使用荷载作用下，腹板全包粘贴型式要 优于梁底粘贴型式，梁底粘贴碳纤维布的加固型式更易于发生早期破坏；腹板全包可有 效防止沿纵向受力钢筋位置的早期剥离破坏，一定程度上说明附加锚固措施的重要性。 以上结论证实了粘贴碳纤维布加固技术可对受力状态下的混凝土结构进行有效的修复。 1 2 2 o f r p 加固抗弯构件界面剥离机理的研究现状 确保粘贴c f p 、p 加固效果的关键问题是c f r p 与混凝土界面具有可靠有效的界面粘 结，因此，界面剥离和c f k p 与混凝土的粘结强度有直接的关系。根据已有文献现有的 研究可分为针对界面粘结强度以及界面剥离应力分析的研究两大方面。c f p 。p 混凝土界 面粘结强度包括抗剪粘结强度和抗拉粘结强度两种，通过比较粘贴c f r j 抗弯加固构件 大连理工大学硕士学位论文 界面应力与粘结强度的大小，确定粘贴c f r p 的受力状态，结合粘贴碳纤维片的抗弯加 固试验研究结果与加固试件的破坏模式，从而对加固粱的可靠性给出评价。 t a l j s t e nb j o r n ( 1 9 9 7 年) 进行了c f r p 混凝土块的单剪试验以及基于单剪试验的界面 应力分析，重点研究了粘结层数、粘结长度等因素对锚固长度的影响，提出了有效锚固 长度的概念，研究者推导出了直剪试验中碳纤维片与混凝土界面各点剪应力公式，经与 实测值比较，可用于预测中等荷载水平作用下的界面应力 5 9 1 。 c h e r tj f 及t g t e n 根据断裂力学理论和现有的大量的试验数据提出了粘结强度 计算公式( 陈滕公式) ，与试验结果吻合良好【6 0 】，也有学者从断裂力学角度研究了碳纤 维布粘贴加固构件的断裂性能 6 。姚谏、滕锦光( 2 0 0 2 年) 通过类似的单剪试验研究对陈 一滕抗剪强度公式的有效性和局限性进行了研究【6 2 1 。 杨勇新等人( 2 0 0 1 年) 在完成了2 0 8 个试件的正拉、推剪、拉剪及弯拉等四种受力状 态粘结性能试验的基础上，得出了不同类型的粘结强度计算公式，并分析了粘结面积与 剥离破坏的关系【6 3 州。 一些学者应用相应的力学理论对界面应力进行分析，提出抗弯加固梁的界面应力计 算方法，并给出了解析解或简化计算公式。 s t s m i t h ，t g 。t e n g 等( 2 0 0 0 年) 基于线弹性理论推导了加固梁粘贴界面各点应 力公式，给出了不同荷载状况下的解析解【6 5 1 。k t l a u 等人亦对该问题做了理论研究， 并根据界面应力分布提出了设计中应注意的问题 6 6 。此外，y ej q ( 2 0 0 1 年) 1 6 7 也就抗 弯加固梁的片端应力进行了分析，并给出了相应的解析公式。 上述研究都是针对完整梁并基于线弹性理论进行研究的，而实际工程中的梁不可避 免地会产生不同程度的开裂，而混凝土一旦开裂，上述界面应力计算公式就失去了假定 前提，这大大限制了所提公式的应用范围。基于这一工程实际，y a n gj j a n 等人( 2 0 0 2 年) 【6 8 】 分析了具有裂缝的抗弯加固梁的界面应力。 以上公式在推导过程中均做了某些假定，将重点放在了片端的剥离机理分析上，无 法解决实际加固预裂梁的剥离应力计算问题，具有较大的局限性。目前关于带裂缝加固 梁的跨中剥离问题的理论研究还很少见。现有的抗弯加固试验结果证实；在锚固长度足 够长和锚固措施可靠的情况下，发生于纯弯段的弯曲裂缝处的界面剥离是发生早期破坏 的主要原因【6 弘7 0 】。因此，必须不再局限于片端应力集中导致的剥离问题，全面的考虑始 于弯曲段的剥离问题，找到一种合理的方法来分析开裂梁的界面应力分布规律。 s e b a s t i a nw m 【_ 7 1 】等人针对加固梁跨中局部剥离破坏机理进行了试验研究。破坏时， 跨中区域c f r p 的剥离始于弯曲裂缝且纤维片上沾有6 m m 的混凝土层。研究发现，当 荷载和干湿交替耦合作用下c f r p 加固预裂r c 梁耐久性试验研究 c f r p 较薄且剪跨较大时，加固梁更易发生跨中区域的早期剥离破坏，研究者提出了防 止跨中剥离的措施及注意事项。 1 3 c f r p 加固混凝土结构耐久性研究状况 混凝土结构耐久性的研究始于2 0 世纪4 0 年代，从2 0 世纪6 0 年代，混凝土结构耐 久性的问题就已成为国内外土木工程界研究的重要领域。虽然f r p 材料本身在各种环境 条件下有良好的耐腐蚀性，可以抵抗建筑物常遇到的酸、碱、盐及大气腐蚀作用，具有 较好的耐疲劳性能，但是f r p 加固混凝土结构的耐久性依赖于单个材料、材料间粘结和 构件的耐久性能，包括f r p 自身材料的耐久性、粘合剂的耐久性能、混凝土的耐久性、 f r p 与混凝土粘结的耐久性、f r p 加固混凝土构件耐久性。f r p 加固混凝土结构可能会 暴露于化学腐蚀、干湿循环、海水环境、冻融循环或其它各种恶劣环境中，其整体耐久 性能还面临着许多问题，如g f r p 加固混凝土在碱性环境容易受到腐蚀而制约了它的应 用。 国外对外贴f r p 加固混凝土结构耐久性的研究开始于上世纪9 0 年代前后，目前己 有许多相关国际会议在世界各地召开，比如，从1 9 9 3 迄今连续召开七届的f r p 加固钢 筋混凝土结构( 简称f r p r c s ) i 虱际会议等。国内对f r p 用于加固混凝土结构耐久性能的 研究开始得较晚，近年来连续召开了7 届f r p 用于加固混凝土结构的学术交流会议，但 论文集中关于f r p 加固混凝土结构耐久性的文献只有3 篇7 2 4 4 】。目前，f r p 及其混凝 土结构耐久性的研究己经成为人们关注的重点，研究内容涉及f r p 耐久性、f r p 与混 凝土粘结耐久性( 包括树脂耐久性) 、f r p 筋、布、板、管加固混凝土构件耐久性的研究 篁垒垒【7 5 7 7 寸1 t o 1 3 1 c f r p 耐久性研究 f r p 常用的粘结剂主要为热固性环氧树脂。自2 0 世纪9 0 年代以来，国内外许多学 者对环境作用下f r p 片材及粘结剂的力学性能进行了试验研究，取得了一定的成果。 g a r d e n 7 8 】在1 9 9 7 年进行的碳纤维片材和玻璃纤维片材试验，经过温度循环和湿度 暴露后，c f r p 的弹性模量、抗拉强度、极限应变不但没有降低，反而有相应的增加， 这可能是由于树脂的后固化造成的。g f r p 在经过温度循环后，弹性模量和抗拉强度没 有下降，但延性降低，有脆化的趋势。在潮湿的环境下，g f r p 的抗拉强度有明显的降 低。环氧树脂在相同条件下的试验结果表明，环氧树脂在试验的温度条件下，强度和模 量都有相应的提高，但对于湿度比较敏感，经过一定时间的暴露，抗拉强度和模量都有 显著降低，其中模量最多降低3 7 ，强度下降5 0 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 j h u l a t t 等【7 9 】研究了c f r p 、g f r p 在不同环境下的耐久一 生( 2 0 0 2 年) ，研究环境包括 三种不同温度( 2 2 0 c ，4 5 0 c ，6 0 0 c ) 作用、2 2 0 c 下水溶液或饱和盐溶液干湿作用、2 0 0 0 h 的 紫外线加速老化作用。所用材料是c f r p 、0 9 0 0 和+ 4 5 0 方向编织的e 玻璃纤维，所用 环氧树脂基体的固化温度是6 5 0 c ，玻璃体转换温度是7 5 d c 。试验结果表明，( i ) 在6 0 0 c 下，这三种材料的力学性能都降低了。在4 5 0 c 下，c f r p 和0 9 0 0g f r p 的性能稍有提 高或没有变化，但+ 4 5 0 g f r p 的弹模和强度都在逐渐减小。( 2 ) 水和盐溶液中的干湿循 环对复合材料的弹模没有明显的负作用。c f r p 和0 9 0 0 g f r p 在自来水干湿循环作用下 强度降低，但在盐溶液干湿循环作用下是提高的。两种溶液下的干湿循环对+ - 4 5 0 g f r p 没有产生负面影响。( 3 ) 2 0 0 0 h 的紫外线辐射对试件的力学性能没有负作用。g f r p 的弹 模稍有降低，但c f r p 的弹模却是稍有提高。基体材料有明显的褪色，特别是g f r p 。 任慧韬等( 2 】研究了c f r p 在水环境、冻融循环、湿热老化、碱环境下的耐久性能( 2 0 0 3 年) 。试验研究