（水工结构工程专业论文）芳纶纤维加固机理与关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 芳纶纤维增强塑料( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c ，简称a f r p ) 加固修 复混凝土结构是自8 0 年代未9 0 年代初在发达国家兴起的一项新技术，由于 它良好的抗腐蚀性、较高的抗拉强度、良好的无磁性和抗疲劳性能以及绝缘 性，最近几年在我国的一些混凝土结构中得到了应用。 本文根据芳纶纤维补强加固钢筋混凝土梁的静载试验结果，验证了平截 面假定对于计算加固构件j 下截面承载力仍然适用，分析了加固试件的刚度变 化规律和破坏形态及其原因，分析了各种影响因素对钢筋混凝土梁极限承载 力和刚度的影l i 虮总结了芳纶纤维补强加固钢筋混凝土受弯构件早期破坏形 态的过程和特点。通过纤维的应变曲线拟合和平衡条件推导得出了粘结界面 剪应力及其分布曲线，从分布曲线中看出，芳纶纤维与钢筋混凝土梁粘结界 面的剪应力的分布在纤维截断点处存在较高的应力集中，随着离截断点距离 的增大剪应力分布逐渐趋于均匀，粘结锚固长度不足和过高的应力集中是造 成a f r p 加固钢筋混凝土构件早期破坏的主要原因。采用“齿”状块体力学计 算模型和混凝土裂缝理论分析了a f r p 加固钢筋混凝土受弯构件时需要的有 效锚固长度，并通过简化修f 得出了a f r p 加固钢筋混凝土受弯构件最小锚周 长度的计算公式，提出了a f r p 的容许应变值和避免a f r p 早期破坏应采用的 措施，可供a f r p 加固工程设计和施工参考。 根据芳纶纤维补强加固钢筋混凝土梁的疲劳试验结果，总结了加固构件 在重复荷载作用下的破坏形态，分析了加固钢筋混凝土梁的荷载位移曲线， 通过线性拟合定性的分析了加固构件的刚度衰减规律，并且总结了引起刚度 衰减的主要因素。根据混凝土和钢筋的应变滞回曲线，分析了纤维的粘贴层 数对构件疲劳性能的影响，通过数据分析得出混凝土和钢筋的残余应变是造 成构件刚度衰减的一个主要因素，验证了芳纶纤维加固混凝土构件承受疲劳 荷载的可靠性。 本文按照现行混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中普通钢筋混凝 土梁承载力的计算方法，对加固梁的极限承载力的计算方法进行了分析，同 时对纤维的粘贴面积进行了理论计算，提出了纤维粘贴的最小面积、最大面 积及界限面积的分析方法。利用弹性梁理论和部分组合截面假定，推导出了 摘要 芳纶纤维与钢筋混凝土构件之间的界面粘结剪应力和粘结正应力的解析解， 并且根据两点加载方式的应力边界条件，分析得出了两点加载情况下的粘结 剪应力和正应力的解析解，利用m a t l a b 分析软件对此解析解进行了图形绘 制，得出了芳纶纤维与钢筋混凝土构件之间的晃面粘结剪应力和粘结正应力 的分布规律，与试验结果和文献资料进行了比较，分析结果及变化规律基本 一致。 关键词芳纶纤维；加固；粘结应力；疲劳试验；滞回曲线；残余应变； 2 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ho n t h es t r e n g t h e n l n gt e c h n o l o g yf o r r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi nf l e x u r ew i t he x t e r n a l l y b o n d e da r a m l df i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c f a f r p ) a b s t r a c t s t r e n g t h e n i n ge x i s t i n gr 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 sw i t he x t e r n a l l yb o n d e d a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( a f r p ) h a sb e e nan e wt e c h n o l o g yt h a ts p r u n g u pi nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e ss i n c et h ee n do f19 8 0 s t h eu s eo f a f r pi nt h e r e i n f o r c e m e n t so fc o n c r e t es t r u c t u r e sh a si n c r e a s e dr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r si n o u rc o u n t r yd u et oi t se x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h i g ht e n s i l es t r e n g t h ，a n d g o o dn o n m a g n e t i z a t i o na n d i n s u l a t i o np r o p e r t i e s b a s e do nt h es t a t i ct e s tr e s u l t so fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e a m ss t r e n g t h e n e d w i t h e x t e r n a l l y b o n d e da r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( a f r p ) ，t h i s p a p e r c o n c l u d e st h a tt h ep l a n es e c t i o nc o n s u m p t i o ni ss t i l ls u i t a b l ef o rt h ea n a l y t i c a l c a l c u l a t i o no ft h er cb e a ms 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 da f e d l , i n c l u d e s t h ef a i l u r em o d e l sa n dt h ef a c t o r st h a tl e a dt ot h i st y p eo ff a i l u r ei nt h et e s t a c c o r d i n gt o t h ec u r v eb e t w e e nl o a da n dd e f l e c t i o n ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er i g i d i t yo ft h es t r e n g t h e n e db e a m sa n dt h el o a d ；t h i s s t u d yc o n c e n t r a t e so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a n yf a c t o r s ，s u c ha st h ea f r p t h i c k n e s sa n ds t e e lr a t i o ，a n dt h eu l t i m a t es t r e n g t ha sw e l la st h er i g i d i t yo ft h e s t r e n g t h e n e db e a m s t h i sp a p e ra l s or e p o r t st h er e s u l t so fa l l e x p e r i m e n t a lp r o g r a md e s i g n e dt o s t u d y t h ei n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ec u r t a i l m e n to f t h er cb e a m s s t r e n g t h e n e d i nf l e x u r ew i t he x t e m a l l yb o n d e da f r p s p e c i f i c a l l y , t h i ss t u d y l o o k e da tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea f r pt h i c k n e s sa n dt h ei n t e r f a c i a ls h e a r s t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h e p l a t ec u r t a i l m e n t ，s u m m a r i z e dt h ep r e m a t u r ef a i l u r e f o r mc h a r a c t e r i s t i ca n d p r o c e s so f r e i n f o r c e dc o n c r e t em e m b e r ss t r e n g t h e n e dw i t h e x t e r n a l l yb o n d e da f r p , t h ei n t e r f a c i a l s h e a rs t r e s si sm a x i m u ma tt h ea f r p c u t - o f rp o i n ta n ds t a r t st o d e c a ya s t h ed i s t a n c ef r o mt h ec u t - o f rp o i n txi s i n c r e a s e d ，a n dt h ei n s u f f i c i e n c ya n dt h eh i g hi n t e r r a c i a ls h e a r s t r e s sc o n c e n t r a t i o n 1 a b s t r a c t i nt h ep l a t ec o n t a i n m e n tr e g i o na r et h em a i nc a u s e s l e a d i n gt o t h ef a i l u r eo f r e i n f o r c e dc o n c r e t em e m b e r s s t r e n g t h e n e d w i t h e x t e r n a l l y b o n d e df l i p a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no f i n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s s ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e d t h ee f f e c t i v ea n c h o r a g el e n g t ho ff r pw i t ht h em e c h a n i c sm o d e lo ft o o t hb l o c k a n dc r a c k t h e o r yo fc o n c r e t e ，w o r k e do u tt h e c a l c u l a t i n g f o r m u l ao fl e a s t a n c h o r a g el e n g t ho f f r pf o rs t r e n g t h e n i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mw i t hf u r t h e r s i m p l i f i e dc o r r e c t i o n ，a n df i n a l l yp u tf o r w a r dt ot h em e a s u r e st a k e nt oa v o i dt h e p r e m a t u r ef a i l u r eo ff r p , w h i c hp r o v i d et h e o r yb a s i sf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o f s t r e n g t h e n j n g w i t he x t e r n a l l yb o n d e df r p b a s e do nt h ef a t i g u et e s tr e s u l to fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s t r e n g t h e n e dw i t h a f r p - t h i sp a p e rc o n c l u d e dt h ef a i l u r em o d e lo ft h eb e a m su n d e rt h er e c y c l i n g l o a d ，p r o v i d e dt h ec u r v eb e t w e e nd e f l e c t i o na n dl o a do ft h eb e a m s ，f o u n dt h e r e g u l a r i t yo fs t i f f n e s sr e d u c t i o na c c o r d i n gt ot h el i n e a rf i to ft h ec u r v eb e t w e e n d e f l e c t i o na n dl o a do ft h eb e a m s ，a n da n a l y z e dt h er e a s o n st h a tl e a dt ot h e s t i f f n e s sr e d u c t i o no ft h es t r e n g t h e n e db e a m s o nt h eb a s eo ft h es t r a i n c y c l i n g c u r v eo ft h es t e e la n dc o n c r e t e ，t h i s p a p e ra n a l y z e dt h ee f f e c to fl a y e ro nt h e f a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h eb e a m ，r e a c h e dac o n c l u s i o nt h a tt h er e s i d u es t r a i no f t h ec o n c r e t ea n ds t e e li sam a i nf a c t o rt h a tl e a dt ot h es t i f f n e s sr e d u c t i o no ft h e m e m b e r s ，a n dp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h i st e c h n o l o g yu s e dt or e s i s tt h ef a t i g u e 1 0 a d o nt h eb a s eo ft h ea n a l y t i c a lm e t h o d si nt h en e w s p e c i f i c a t i o no f r e i n f o r c e d c o n c r e t ef l e x u r e m e m b e r s ，t h i sp a p e rp r o p o s e s a n a n a l y t i c a l m e t h o do ft h e u l t i m a t e s t r e n g t h o fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s u e n g t h e n e d w i t h e x t e r n a l l y - b o n d e da f r p a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r dt ot h e m i n i m a r n ，m a x i m u m ，b o u n da r e a a sw e l la st h et o l e r a n c es t r a i no fa f r p a c c o r d i n gt oe l a s t i ct h e o r ya n dt h ec o n s u m p t i o no fp a r t i a lc o m b i n a t i o ns e c t i o n ， t h i sp a p e rp r o v i d e st h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h eb o n d i n gs h e a rs t r e s sa n dn o r m a l s t r e s sb e t w e e nt h ec o n c r e t es u r f a c ea n da f r p ；i n a d d i t i o n ，w i t ht h ea p p l i c a t i o no f b o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rg i v e st h ei n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s sa n dn o r m a ls t r e s s 2 山东大学硕士学位论文 f o rt w o p o i n tl o a d s ，a n dp l o t st h ed i s t r i b u t i o nc u r v eo fi n t e r f a c i a ls h e a rs t r e s sa n d n o r m a ls t r e s sw i t ht h eu s eo fs o f t w a r e - m a t l a b ； f i n a l l y , ac o m p a r i s o ni sm a d e b e t w e e nt h ea n a l y t i c a lc u r v ea n dt h et e s tr e s u l t sa sw e l la st h en u m e r i c a l r e s u l t si n t h er e f e r e n c e ，w h i c ht e s t i f i e st h e r a t i o n a l i t yo f t h ea n a l y t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：a f r p ；s t r e n g t h e n i n g ；b o n d i n gs t r e s s ；f a t i g u et e s t ；c y c l i n gc u r v e ； r e s i d u es t r a i n ； 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 丛监! 冬日期： 矗扛t 、圬 关于学位论文使用授权的声明 本人完全j ，解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堡遮! 奎导师签名：皂；i 蚤笔日期：塑坠笈 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景及研究的目的和意义 混凝土结构广泛地应用在水利t 程、工业与民用建筑工程、道路桥涵、 海港码头、供水工程、地下工程等工程项目中。我国许多早期的混凝土结构 物大多超过了设计基准期( 5 0 年) ，进入了中年或老年阶段，而一些新建混 凝土结构，随着使用期的增长，运行条件的变动，自然环境的影响以及原设 计和施工中存在的问题，也已普遍出现工程老化病害问题，有的已经威胁到 结构的安全性，有的已经降低了其适用性，更多的则存在耐久性问题。存在 问题的各种混凝土结构全部拆除重建是不现实的，而充分利用结构现有全部 承载力对这些结构进行可靠的修复加固补强是比较现实和经济的手段。 钢筋混凝土结构加固包含两方面的意思：一是对己损坏钢筋混凝土结构 的加固，使其恢复原有结构的抗力或超过原有结构的抗力；二是对完好钢筋 混凝土结构的加固，使其提高结构抗力】。 一般来说，在下列情况下需要对建筑物进行鉴定与加固i z j ： l 、使用不当、年久失修、结构有损坏，不能满足目 j 使用要求或安全度 不足时，需要进行鉴定与加固。 2 、设计或施工中发生差错引起工程质量事故时，对原结构要进行鉴定与 加固。这种情况在新建工程和已建成投入使用的工程中都可能遇到。 3 、由于灾害性事件( 如地震、台风或火灾等) 的影响引起结构产生丌裂或 破坏时，需要对原结构进行鉴定与加固。 4 、当对建筑物进行改建、扩建或加层时，需要对原结构进行鉴定与加固。 5 、对一些重要的历史性、纪念性建筑进行维修或保护时，要对原结构进 行鉴定与加固。 6 、在对建筑物进行装修中需要对结构构件布置有重大改变而影响原结构 受力体系时，应对结构进行鉴定与加固。 我国对混凝士结构物的修复加固方法中，较多地采用了一些常规的加固 方法，如：体外预应力加固法，加大截面加固法、增补受拉钢筋加固法、改 变受力体系加固法、外包或内衬钢板加固法、喷射混凝土加固法、还有粘贴 钢板加固法等等。 第1 章绪论 这些常规的加固方法在某些情况下，结构经加固以后酬久性差、施 ：质 量差，修复以后结构不美观，难以达到工程要求，因此迫切需要开发新的技 术解决这些问题。近几年来，随着新材料的丌发和利用，碳纤维( c 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 ，简称c f r p ) 、芳纶纤维( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ， 简称a f r p ) 、玻璃纤维( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，简称g f r p ) 等纤 维材料开始应用于结构补强加固领域，兴起了纤维增强塑料( f r p ) 加固混 凝土结构技术。 芳纶纤维增强塑料是纤维增强塑料中的一科t ，该项技术是用树脂类粘结 材料将芳纶纤维斫j 粘贴于混凝土构件表面，借助芳纶纤维良好的抗拉强度以 增强构件承载能力及刚度，从而使结构及构件得到加固补强。具有高强高效、 质量易保证、施工便捷、耐腐蚀及耐久性能、绝缘性能极佳等优点。 1 2 钢筋混凝土结构常用的加固方法比较 现将对目前常用的几种加固方法及各种方法的特点及适用范围【4 1 分别介 绍如下： 1 、加大截面加固法 加大截面加固法，也称为外包混凝土加匿i 法，是采用同一种材料一钢筋 混凝土来增大混凝土结构或构件的截面积，提高其承载能力，满足j 下常使用 要求的一种加固方法，它是增大构件的截面和配筋，用以提高构件的强度、 刚度、稳定性和抗裂性，也可用来修补裂缝等，这种加固法适用范围较广， 呵广泛用于一般板、梁、柱、基础、墙、屋架等混凝土结构的加固。 加大截面加固法缺点是现场湿作业工作量大，养护期较长，对生产和生 活有一定的影响，截面增大对结构外观和房屋净空也有一定影响。加大截面 法的加固效果与原结构在加固时的应力水平、结合面的构造处理、施工工艺、 材料性能、以及加固时是否卸荷等因素直接相关。 2 、外包钢加固法 外包钢加固法是以型钢( 一般为角钢) 外包于构件四角( 或两角) 的加固方 法。外包钢构件可以完全替代或部分替代原构件工作，达到加固的目的。在 我国，外包钢加固法也是一种适用面较广的传统加固方法，优点是施工简便， 现场工作量较少，受力较为可靠。主要用来加固钢筋混凝土柱和砖柱，也常 2 山东大学硕士学位论文 用来加固钢筋混凝土梁和桁架弦、腹杆。适用丁，在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。 外包钢加固分湿式和干式两种形式。湿式外包钢加固，外包型钢与构件 之间是采用乳胶水泥粘贴或环氧树脂化学灌浆等方法粘贴，以使型钢架与原 构件能整体工作共同受力。干式外包钢加固，型钢与原构件之白j 无任何粘结， 有时虽填有水泥砂浆，但不能确保结合面剪力和拉力的有效的传递，外包钢 架与原构件不能整体工作，彼此只能单独受力。与湿式外包钢相比，干式外 包钢加吲施工更为方便，但承载能力提高不如湿式外包钢有效。 3 、增设支点加固法 增设支点加固法是用增多支承点来减小结构计算跨度，达到减小结构内 力和提高承载能力的加固方法。其优点是简单可靠，缺点是使用空间会受一 定影响。该方法适用于梁、板、桁架、网架等水平结构的加固。 4 、外加预应力加固法 预应力加固法是采用夕i - d h 顸应力钢拉杆( 分水平拉卡t 、下撑式拉杆和组台 式拉杆三种) 或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点是通过预应 力手段强迫后加部分一拉杆或撑杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构 应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除， 因此，后加部分与原结构能较好的共同工作，结构的整体承载能力可显著提 高。预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，适用于大跨 结构加固以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的较高应力应变状 态下的大型结构加固，以及要求提高承载力、刚度和抗裂性及加固后占空问 小的混凝土承重结构加固。 此法不宜用于处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。 s 、粘贴钢板加固法 该方法是用建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝土受弯构件表面，用以提 高结构承载能力的一种加固方法。该方法施工所占空间小，加固施工周期短， 消耗材料少，粘结加固部位、范围与强度可视设计构造需要而定。该加固法 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 。c ，相对湿度 3 第1 章绪论 不大于7 0 及无化学腐蚀的使用环境中。 6 、其它加固法 如托梁拔柱技术、增设支撑体系和剪力墙等，以增加结构的整体刚度比 值，调整原结构内力，改善结构和构件的受力情况，提高结构抵抗水平力的 能力以及裂缝修补和处理等。 7 、方法比较 加i 州方法主要特点 适j 4 j 范同 传统加l 刊方法，以同种材料增人构什截 面面积，提高结构承载能力。缺点是现 梁、板、牲、墙等一 加火截面法场湿作业1 = 作越人，养护捌较k ，对生 般结构 产硐l 生活有一定的影响，截面增人对结 构外观和房屋净空也有一定影响 截面尺寸和外观影响很小，承载能力提 人型结构及 外包钢加i 矧法高较火，施l ：简便，现场t 作域较小， 人跨结构 受力较为可靠。 止常环境下的一般 国际上较先进加州方法，简单、快速， 牿钢加同法受弯、受拉构件及中 对生产和生活影响较小 轻级。r 作制吊乍梁 卸荷、加州及改变结构受力三者台二为 人跨结构及 预应力加嘲法一的加 古l 方法，承载能力、抗裂性及刚 人型结构 度可同时提高。 增设支撑点，减小结构跨度和| ! | 力，相 增设支点加i i i i | 法府提高结构转体承载能力。缺点是使川梁、板及桁架等 空间会受一定影响 改变使川功能及增 不拆或少拆上部结构情况r ，拆除、更 托梁拔柱技术人室内空间的旧房 换、接跃 = 子的加同方法。 改造 增设支撑体系及增强结构抗水平荷载能力和侧向刚度 抗侧力加卉| 剪力墙加吲法及稳定性。 4 山东大学硕士学位论文 与房脬周边、纵向、横向、竖向增设拉 增设拉接连系装配式结构抗连续 接连系，增强结构整体稳定性，防j r 偶 加j 蚓法刨塌及抗震加脚 然事故f 发生连续倒塌。 恢复成部分恢复结构网裂缝所丧火的 裂缝修补技术 各种混凝十结构 承载能力、耐久性、防水性及美观等。 1 3 纤维增强塑料( f r p ) 加固技术的研究现状 1 3 1 国外的研究现状川6 】【7 1 1 8 】 纤维增强塑料( f r p ) 加固修复混凝土结构是自8 0 年代末9 0 年代初在 发达国家兴起的一项新技术，该项技术最早产生于德国和瑞士，现在日本、 韩国、美国和欧洲等国家已经相当普及。r 本在编制有关f r p 规程规范方面 起步最早，有关规范规程最完备。从1 9 9 8 年j r - ，r 本建设省就发起了题为 “建设事业中的新素材、新材料利用技术的丌发”的为期5 年的大型综合研 究项目，并于1 9 9 5 年总结出了建筑领域的连续纤维加固混凝土诸性质和没 计法。1 9 8 9 年，f 1 本土木学会( j s c e ) 建立了连续纤维增强委员会，召丌了 “混凝土结构部件中f r p 加固材料的应用”学术研讨会，随后发行了混凝 土结构部件的f r p 应用的设计、施工指南( 草案) 。在北美大陆，出于苦于钢 筋混凝土结构的盐害，对f r p 的关注越来越多。美国混凝土协会( a c i ) 委员 会( a c l 4 4 0 ) ，负责丌展纤维增强材料加固混凝土与砌体结构的研究，并于1 9 9 3 年在加拿大温哥华召丌了第一届钢筋混凝土结构的f r p 增强的国际会议，此 后，对f r p 的关注扩大到欧洲，1 9 9 5 年在比利时的g h e n t 召丌了第二届钢筋 混凝土结构的f r p 增强的国际会议，1 9 9 7 年在同本北海道的札幌召丌了第三 届钢筋混凝土结构的f r p 增强的国际会议，1 9 9 9 年和2 0 0 1 年分别在美国的 b a l t i m o r e 和英国的剑桥召丌了第四届和第五届钢筋混凝土结构的f r p 增强 的国际会议。由此可见对于纤维增强塑料加固技术在国际上已经引起了，“泛 的重视。对于加固理论的研究，国外学者针对碳纤维和玻璃纤维已经进行了 非常深入地研究，f r p 加固钢筋混凝士结构的研究在国外已达到了相当水平， 主要是以碳纤维和玻璃纤维为主，而针对芳纶纤维的研究还相对较少，而且 这种材料的应用也相对较少。 f r p 加固技术在国外工程领域中的应用也已相当普及。据报道，舅匪i 王 s 第1 章绪论 1 9 7 0 年前后开始开发研究玻璃纤维( g f r p ) ，并于1 9 8 0 年首次运用于道路 和桥梁工程中。美国、同本是继德国之后较早投入研究f r p 的国家之一，从 1 9 8 7 年开始到1 9 9 6 年的1 0 年间使用f r p 补强加固的工程逐年增加，资料表 明，f r p 加固技术在国外己得到了大力推广与应用，据统计，到1 9 9 7 年止， 世界上己有1 5 0 0 多座混凝土结构应用浚技术加固。 芳纶纤维在国外土木工程中的应用，早期是采用芳纶纤维筋代替钢筋建 造桥梁【9 j o 如1 9 9 0 年和1 9 9 1 年r 本建造的t a b r a sg o l fc l u b 桥、b i r d i e 桥和 s u m i t o m o 桥就采用了a f r p 筋代替钢筋，工程实践表明，采用a f r p 筋桥梁 的材料造价一般高于采用钢筋的方案，但静者一般可节约劳动力和大量后期 维护费用。 由于a f r p 抗腐蚀性能良好，近些年在海洋结构和近海结构中丌始出现 采用芳纶纤维作预应力束i l ，例如闩本n i i h a m a 市s u m i t o m o 化工有限公司 兴建的一座海港码头，采用了预应力混凝土面板，其中一跨采用芳纶纤维作 预应力束( 跨度9 m ) 。资料表明，近几年来芳纶纤维在国外尤其在闩本的桥梁、 隧道、工业与民用建筑结构中得到了广泛的推广与应用。 1 3 2 国内研究现状1 1 1 1 1 2 1 我国在土木工程中丌始使用纤维增强塑料也较早，几乎和国外同步，起 初是集中在对碳纤维的研究与应用上，但山于诸多原因发展较慢，起步较晚， 只足在最近六、七年内对碳纤维和玻璃纤维材料的研究才有了较大发展，许 多科研部门( 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究 院和四川省建筑科学研究院) 和高等院校( 清华大学、同济大学、天津大学、 大连理工大学等) 都对碳纤维、玻璃纤维材料及其加固性能进行了很多研究， 取得了大量的科研成果。既发表了不少科研论文，又完成了许多工程项目， 并且生产了自己的碳纤维、玻璃纤维材料和配套树脂。另外，我国的碳纤 维片材加固修复混凝土结构技术规程( 征求意见稿) 也已编制完成。 对于芳纶纤维的应用研究，目前相关文献还较少，与碳纤维、玻璃纤维 相比，应用芳纶纤维进行加固的工程实例也屈指可数。目盼，韩小雷等对芳 纶纤维增强塑料预应力高强混凝土梁弯曲特性及延性进行了探讨，给出了以 芳纶纤维增强复合塑料a f r p 作为预应力筋的高强混凝土梁的弯曲特性及延 6 山东大学硕士学位论文 i i i i i i i i 性的试验结果，并提出用一个综合考虑强度与能量等因素的总体因子作为定 义a f r p 预应力混凝土梁的延性指标。 从试验研究的内容来看，都是集中在碳纤维和玻璃纤维加固混凝土构件 或结构的静载试验研究上，针对芳纶纤维进行加固的静载试验和疲劳试验研 究的还没有文献报导。同时，出于国内研究人员在该领域的研究尚处于起步 阶段，规模小，不系统，在很多方面的研究还相对滞后，特别是提出的一些 加固设计方法不是基1 ：现行混凝土结构设计规范( o b5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 进行分 析的。综合国内已有的对粘贴碳纤维和玻璃纤维加固设计的计算方法，其共 同的缺陷在于没有准确界定钢筋混凝土加固构件j f 截面承载能力极限状态、 界限破坏状态、界限加固量以及最小锚固长度等问题，从而导致所提出的计 算方法不尽合理或与工程实际不符。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 静载试验研究内容 本文通过静载试验，找出采用a f r p 抗弯加固时影响梁抗弯加固效果的各 种影响因素，导出比较接近工程实际的计算公式，分析粘结界面的正应力和 剪应力集中及分布情况。具体总结为以下几个方面： i 、研究基于难常使用极限状态粘贴层数对加固梁币截面极限承载能力、 抗弯刚度及破坏形念的影响。 2 、研究各组对比试验中在相同加载工况下，相同控制测点的应变、挠度 以及主要裂缝的变化规律。 3 、通过分析加固梁的静载试验数据找到纤维与混凝土粘结界面的剪应力 及j f 应力分布规律及加固梁的破坏机理。 4 、利用弹性理论和部分组合截面假定，对芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的 粘结界丽正应力和剪应力进行解析分析，并将解析解的分柿曲线与试验曲线 进行比较。 5 、选用力学计算模型，对芳纶纤维的最小锚固长度进行理论分析。 0 、完善a f r p 加固钢筋混凝土梁i f 截面抗弯加固设计公式，提出对不同 情况下芳纶纤维容许应变的取值修正方法。 1 4 2 疲劳试验研究内容 7 第1 章绪论 本文通过粘贴a f r p 加固混凝土梁的疲劳试验，研究它们在疲劳试验过程 中荷载和跨中挠度的变化规律，分析影响梁疲劳性能的各种影响因素，验证 a f r p 加固此类结构的可靠性。包括以下几个方面研究： 1 、基于正常使用极限状态混凝土强度对a f r p 加固梁疲劳性能的影响。 2 、基于正常使用极限状态粘贴层数对a f r p 加固梁疲劳性能的影响。 3 、验证a f r p 对承受疲劳荷载混凝土构件加固的可靠性。 8 山东大学硕士学位论文 第2 章芳纶纤维增强塑料加固方法简介 2 1 材料简介 2 1 1 芳纶纤维 1 、芳纶纤维材料 芳纶纤维( a r a m i d ) 是美国杜邦公司1 9 7 4 年丌始商业化生产的一种全芳香族 聚酰氨纤维，具有高强度、高弹性及良好的俐热性，可用于各种领域。在日本， 1 9 9 1 年东丽杜邦公司k e v l a r 工厂( 爱知县东海市) 开始生产。 a r a m i d 主要成分是对苯二甲酰对苯二铵聚合物( p p t a ) ，其中既含脂肪族主 链又含芳香族主链，所以具有牢固的分子结构，酬热、耐药品性好。a r a m i d 是 由直径为1 2 微米左右的单丝汇聚在一起形成的多纤维状结构。 a r a m i d 纤维仰是芳纶纤维单向或双向排列形成的一种片材，如图2 - 1 所示， 该片材质轻、柔软、酣久、绝缘、耐腐蚀，具有修补补强材料所应有的特性，特 别适合于耐疲劳性能要求高的构件，而且操作简单，施工安全。 图2 - 1 芳纶纤维布 2 、a r a m i d 纤维的材料特性 ( 1 ) 强度高：抗拉强度是钢板的5 倍以上。 但) 比重小：比重约是钢板的五分之一。 ( 3 ) 柔软性：等同于合成纤维，像句一样柔软。 ( 4 ) 非导电性：电阻率8 8 1 0 “，绝缘性好。 ( 5 ) 耐久性：良好的耐久性、耐水性、耐热性、耐腐蚀性。 2 1 2 树脂 9 第2 章芳纶纤维增强塑料加固方法简介 a f r p 加固补强方法所用的树脂材料包括底胶、整平树脂和浸渍树脂。 底胶涂布在结构体表面，确保混凝土与纤维布及浸渍树脂之间有高度的粘结 力。浸渍树脂的作用是将纤维布浸透，与底胶粘结，同时使纤维布硬化。底胶和 浸渍树脂同为常温硬化型，可根据施工条件( 温度、硬化时自j 、混凝土表面状况 等) 来选择最佳种类。 2 1 3 外层涂料 采用芳纶纤维布加固混凝土构件完成以后，需要在纤维枷表面涂装外层涂 料，其目的为： ( 1 ) 遮断紫外线，防止浸渍树脂及纤维布老化； ( 2 ) 防止偶然荷载造成损伤； ( 3 ) 提高耐火性能； ( 4 ) 增强美观性。 2 , 1 4 纤维增强塑料简介 所谓纤维增强塑料( 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 ) ，是将高分子纤维 布浸渍耐碱性的树脂中使其硬化，最后形成由纤维和环氧树脂组成的复合材料。 芳纶纤维聚合物( a r m n i df i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称a f r p ) 作为f r p 系列中 的一种，与其它两种纤维相比，在材料特性和力学性能方面也有其自身的特点， 常见的几种纤维的力学性能见表2 - 1 ，相应的f r p 的力学性能见表2 - 2 1 9 1 。本课 题将结合芳纶纤维( a f r p ) 来研究这种新型材料在既有混凝土结构物抗弯补强加 表2 1纤维f i b e r 的力学性能 1 0 山东大学硕士学位论文 表2 - 2f r p 复合材料的力学性能 固中的应用。 芳纶纤维聚合物强度高( 2 8 4 0 m p a ) ，自重轻( 1 4 5 9 c m 3 ) ，耐腐蚀性好 施工工艺简便快捷，可以大大提高被加固构件的抗弯、抗剪性能，增强构件的延 性和刚度。与现在研究较热的碳纤维聚合物( 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 r p ) 、玻璃纤维聚合物( g i a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 简称g f r p ) 相 比，a f r p 具有难导电( 8 8 1 0 “) 、畹纣疲劳性能高、比强度高等优点。同时它与混 凝土的线膨胀系数接近【i o l ，故与混凝土结构协同工作性能良好。所以研究推广应 用a f r p 进行混凝土结构加固，会取得明显的经济效益和社会效益。 2 2a f r p 加固方法及特点 2 2 1a f r p 加固方法简介 芳纶纤维补强加固技术是用树脂类粘结材料将芳纶纤维靠粘贴于混凝土构 件表面，借助芳纶纤维良好的抗拉强度以增强构件承载能力及刚度，从而使结构 及构件得到加固补强。在实际施工过程中，芳纶纤维既可以单层粘贴也可以多层 粘贴，还可以缠绕，对于各种不同类型的节点、不规则的部位，都可以用纤维加 固处理。在实际运用中，可粘贴在梁的顶面或底板上，用以提高梁的挠曲强度和 刚度；也可以年贴在梁的腹板上，用以提高其抗剪强度；还可以将其缠绕在节点 以满足抗震设计的要求。具有高强高效、质量易保证、施工便捷、耐腐蚀及耐久 性能、绝缘性能极佳等优点；加固修补以后几乎不增加原结构的自重及尺寸； 同时纤维布是一种任意曲折的纤维布材料，施工不受加固长度的影响，适应面广， l l 第2 章芳纶纤维增强塑料加固方法简介 芳纶纤维布还可任意裁剪，适用于各种结构类型和部位的加固修补。 2 2 2 加固方法的优点 1 、材料的搬运安置无需重型机械 即使材料运输通道受限或场地条件恶劣也无妨，在狭小作! 业空间内也可施 工。 2 、作业工种少 施工作业不必多工种，无需专业技术人员，只需少数人，可以高效施工。 3 、与形状变化混凝土结构的粘和性好 对有曲线、断面变化的复杂形状的建筑物的补强容易进行，比较适合形状和 断面不规则的结构补强。 4 、完工后结构增加荷载