（固体力学专业论文）FRP与混凝土粘结性能及其本构关系研究.pdf

学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 签名：丞丝雾日期：2 丝：厶步 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签 名：至蝣导师签名：靼 日期：型哆 摘要 近十几年来，随着材料工业的发展，碳纤维增强复合材料( f r p ) 在加固修复钢筋混凝土 结构上的应用迅猛发展起来。f r p 用于结构加同具有比强度高、便于施工、耐久性好等优点， 然而，f l i p 加同结构容易发生剥离破坏的缺点成为制约其更广泛应用的主要因素之一。而且， 许多土木工程结构( 如桥梁、海洋平台和工业厂房等) 在其服役期中所承受的并非静力荷载， 而是上千万次的动力循环荷载，从而导致结构在低于静载强度下发生疲劳破损和失效，这也 对f r p 加固混凝土结构的疲劳耐久性能和寿命提出了更高的要求。 f r p 与混凝土间的粘结性能是实现f r p 与混凝土间荷载传递和共同工作的重要前提， 在土木工程结构加固中，f r p 的加固效果主要取决于它们之间的粘结性能。本文设计了f p d ： 与混凝土界面粘结单剪试验，利用2 0 个试件，通过改变f r p 布的粘结长度、厚度、混凝土 强度，以及循环荷载加载频率等参数进行了较系统的静载和疲劳动载试验。 通过静载试验，我们观察了各种不同试件粘结界面的受力变形过程和破坏形态，总结了 f r p 的应变变化规律，比较了不同参数，如混凝土强度，f p , p 粘结长度和厚度等对试件初 始剥离荷载和极限承载力的影响，研究分析了f r p 布加固混凝土界面的粘结性能。结合相 关的理论模型模拟研究，并将试验结果同模型模拟结果进行对比分析，建立相应的界面粘结 一滑移本构模型。 根据静载试验的结果，我们设计了循环荷载的加载方案。将静载与动载两方面的试验结 果进行对比，研究分析了f r p 布加固混凝土界面的疲劳性能。试验结果显示，对于试件的 疲劳寿命来说，相对于极限承载力，将循环荷载大小同初始剥离荷载相比较，能得出更为一 致的规律。至于影响粘结界面疲劳性能的参数，f r _ p 粘贴长度、厚度，混凝土强度等因素， 主要还是通过提高界面承载力来影响疲劳寿命的，如果循环荷载上限比例一定时，它们的疲 劳性能基本差不多。只有循环荷载的加载频率这一参数，对疲劳寿命有一定的影响，频率越 高，试件寿命越低。最后，通过对循环加载过程中疲劳裂纹的长度，及其裂纹扩展速率进行 研究，我们将裂纹扩展分三个阶段，第一三阶段扩展较快，但在疲劳寿命中占时间较短，而 第二阶段裂纹扩展速率较低，且维持时间较长，并以此为根据，绘制了粘结界面疲劳寿命曲 线。 通过本文的研究，我们了解f r p 与混凝土之间的粘结性能，以及f r p 与混凝土粘结界 面在循环荷载下疲劳破坏的模式和机理，分析不同参数对其界面损伤的影响，并建立相应的 理论计算模型。 本文研究工作的开展有助于f r p 加固混凝土技术的推广应用，并进一步完善我国f r p 加固混凝土结构的技术规范，为工程实际提供理论指导。 关键词：纤维增强复合材料( f r p ) ，粘结性能，单剪试验，循环荷载，剥离破坏，界面应 力，粘结滑移本构关系，疲劳 a b s t r a c t d u r i n gt h er e c e n td e c a d e s w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a li n d u s t r y , t h ea p p l i c a t i o no ff r p ( 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 ) i ns t r e n g t h e n i n gr cs t r u c t u r e sh a sd e v e l o p e ds w i f t l y f l 冲 h a sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hi n t e n s i t y ，e a s eo fc o n s t r u c t i o n ，9 0 0 dd u r a b i l i t y ，e t c h o w e v e r , t h e p e r f o r m a n c em a ya l w a y sb ec o m p r o m i s e db yt h ed i s a d v a n t a g eo fd e b o n d i n g m o r e o v e r , m a n y c i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ( s u c ha sb r i d g e s ，o f f s h o r ep l a t f o r m sa n di n d u s t r i a lp l a n t s ，e t c ) ，i nt h e i r s e r v i c ep e r i o d ，a r en o tb o r n eb yas t a t i cl o a d ，b u tb yd y n a m i cc y c l i cl o a d sf o rt e n so fm i l l i o n so f t i m e s ，r e s u l t i n gi nt h es t r u c t u r eo c c u r r e n c eo ff a t i g u ed a m a g ea n df a i l u r eu n d e ra l o a dl o w e rt h a n t h en o r m a ls t a t i cl o a d , w h i c hb r i n g sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ef a t i g u ed u r a b i l i t ya n dl o n g e v i t yo f f r p - r e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r e s t h eb o n dp e r f o r m a n c eb e t w e e nf l 冲a n dc o n c r e t ei st h ek e yp r e r e q u i s i t ef o rt h e i rl o a dt r a n s f e r a n d w o r k i n gt o g e t h e r i nt h es t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g , f r pr e i n f o r c e m e n t e f f e c td e p e n d sm a i n l yo nt h eb o n d i n gp r o p e r t i e sb e t w e e nt h e m s i n g l es h e a re x p e r i m e n t so fb o n d p e r f o r m a n c eb e t w e e nf r pa n dc o n c r e t ea r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r b yu s i n g2 0t e s ts p e c i m e n s a s y s t e m a t i cs t a t i ca n df a t i g u ed y n a m i cl o a dt e s t sh a v eb e e nc o m p l e t e du n d e rc h a n g e df r pb o n d l e n g t h , t h i c k n e s s ，c o n c r e t es t r e n g t h ，a n dc y c l i cl o a df r e q u e n c i e s t h r o u g hs t a t i cl o a dt e s t s ，d e f o r m a t i o np r o c e s s e sa n df a i l u r em o d e so fb o n d e di n t e r f a c eo f d i f f e r e n ts p e c i m e n sh a v eb e e no b s e r v e d s t r a i nv a r i a t i o nl a w s o ff r ph a v e b e e ns u m m e du p b o n dp e r f o r m a n c eo ff r pa n dc o n c r e t ei n t e r f a c eh a sb e e na n a l y z e db yc o m p a r i n gt h ei m p a c to f d i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s u c ha sc o n c r e t es t r e n g t h ，b o n d i n gl a y e r sa n dt h et h i c k n e s so ff r p ，o nt h e i n i t i a lp e e ll o a da n du l t i m a t el o a d a f t e rt h es t u d yo f t h e o r e t i c a lm o d e ls i m u l a t i o na n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei n t e r f a c e b o n d - s l i pm o d e li se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt h er e s u l t so f s t a t i cl o a dt e s t s ，t h el o a dp r o g r a mo f c y c l i cl o a dh a sb e e nd e s i g n e d b yc o m p a r i n gs t a t i ca n dd y n a m i cl o a dt e s tr e s u l t s t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h ef r pa n d c o n c r e t ei n t e r f a c eh a sb e e ns t u d i e da n da n a l y s e d f o rt h ef a t i g u el i f eo fs p e c i m e n s ，c o m p a r e dw i t h t h eu l t i m a t el o a d ，t h es i z eo f c y c l i cl o a dc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so f t h ei n i t i a ls p i n - o f f l o a dc a n l e a dt om o r ec o n s i s t e n tp a t t e r n s e v e r a lf a c t o r s ，s u c ha sf r p p a s t el e n g t h , t h i c k n e s s ，c o n c r e t e s t r e n g t ha n ds oo n , c a ni n f l u e n c et h ef a t i g u el i f em a i n l yb yi n c r e a s i n gt h ei n t e r f a c es t r e n g t h i ft h e r a t i oo f t h em a x i m u mv a l u eo f c y c l i cl o a di sc o n s t a n t ，t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c ei ss i m i l a r o n l yt h e f r e q u e n c yo f c y c l i cl o a dh a si m p a c to nt h ef a t i g u el i f e t h eh i g h e rt h ef r e q u e n c y ，t h el o w e rt h el i f e f i n a l l y ，t h r o u g ht h es t u d yo ff a t i g u ec r a c kl e n g t ha b o u tt h ec y c l i cl o a dp r o c e s s ，c r a c kg r o w t hr a t e h a sb e e nl e a r n e d a n do nt h i sb a s i s ，t h ef a t i g u el i f ec u r v eo fb o n d e di n t e r f a c eh a sb e e nd r a w n t h r o u g ht h i sr e s e a r c h , t h eb o n dp e r f o r m a n c eb e t w e e nf l 心a n dc o n c r e t ea n dt h em o d ea n dt h e m e c h a n i s mo ff a t i g u ed a m a g eo ff r pa n dc o n c r e t eb o n d e di n t e r f a c eu n d e rt h ec y c l i cl o a dh a v e b e e ns t u d i e d t h ei m p a c to fi n t e r f a c i a ld a m a g ea b o u td i f f e r e n tp a r a m e t e r sh a sb e e na n a l y z e d t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lh a sa l s ob e e ne s t a b l i s h e d t l l i ss t u d yw i l lh e l pt h ep r o m o t i o no f f r p - r e i n f o r c e dc o n c r e t et e c h n o l o g y , i m p r o v et h e r e l e v a n tt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa n d p r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( f r p ) ，b o n dp e r f o r m a n c e ，s i n g l es h e a re x p e r i m e n t a l ，c y c l i c l o a d ，d e b o n df a i l u r e ，i n t e r f a c i a ls t r e s s ，b o n d s l i pc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，f a t i g u e i i 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 i i i i l 1 1 混凝土结构加固的技术背景及现有的加固技术l 1 1 1 混凝土结构加固的技术背景1 1 1 2 现有的混凝土结构加固技术2 1 2f r p 在混凝土结构加固中的应用3 1 2 1f r p 简介3 1 2 2f r p 在混凝土结构加固中的应用5 1 3f r p 粘结性能研究现状8 1 3 1 粘结机理8 1 3 2 粘结性能研究现状概述9 l - 3 3 粘贴性能的影响因素。1 1 1 3 4 研究中存在的问题。l l 1 4 本文主要研究内容及其研究意义1 3 第二章静载下f r p 一混凝土粘结性能试验研究1 4 2 1 试验目的和试验方法1 4 2 2 试验方案设计和构件制作1 4 2 2 1 试验试件材料准备。14 2 2 2 构件设计与制作。1 5 2 2 3 试验装置。l7 2 2 4 加载方案一l8 2 2 5 量测方案。l8 2 3 试验结果1 9 2 3 1 试件受力变形过程和破坏形态1 9 2 3 2 粘结强度2 2 2 3 3f r p 布应变分析2 5 2 4 本章小结2 9 第三章静载试验的理论模型分析 3 1 理论模型计算分析3 0 3 2 理论模型模拟分析。3 3 3 2 1 模型模拟与试验的比较一3 3 3 2 2 相关参数的选取及分析。3 5 3 2 3f r p 厚度的影响分析3 7 3 2 4f r p 长度的影响分析3 8 l 3 3 本章小结。4 0 第四章动载下f r p 一混凝土粘结性能试验研究4 1 4 1 试验目的和试验方法4 l 4 2 动载试验方案设计。4l 4 2 1 试件制作与分类。4 1 4 2 2 试验装置和加载方案。4 2 4 3 试验结果4 2 4 3 1 试件受力变形过程和破坏形态。4 2 4 3 2 疲劳动载试验与未破坏试件的静载试验结果对比4 8 4 3 3 相关参数对粘结疲劳性能的影响。5 0 4 3 4 疲劳寿命曲线。5 2 4 3 5f r p 布应变分析5 3 4 3 6 裂纹扩展速率计算与分析。5 7 4 4 本章小结6 2 第五章结论与展望 5 1 结论6 3 5 2 展望6 4 致谢 参考文献 i v 6 5 6 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土结构加固的技术背景及现有的加固技术 1 1 1 混凝土结构加固的技术背景 混凝土由于其生产成本低，具有耐久性好、防火、适应性强、应用方便等优点，而成为 近代应用最广泛的建筑材料。而且，在今后相当长的时间内，混凝土仍将是应用最广、用量 最大的建筑材料【1 1 。 建国以来，特别是改革开放以后，随着经济的迅猛发展，我国建筑业也有了飞速的发展。 同时，随着混凝土结构在基本理论和设计方法等方面研究的不断的深入，混凝土建筑物的结 构设计和施工水平也有了很大的提高。近年来，人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的 要求也不断提高，越来越多的新型结构体系随之发展起来，尤其是高层建筑的兴起更给予工 程师们以广阔的设计空间。由于混凝土在建筑中使用的普遍性，在新型混凝土房屋不断增加 的同时，对现有混凝土结构的维护和补强加固也引起了工程界的广泛重视。 我们知道，任何建筑物都有一定的设计基准使用期，我国取为5 0 7 0 年，而我国在建 国后建造的大量房屋有许多己接近此年限了，相当比例的房屋己经进入了中老年期，不少房 屋己是危房、破房，其治理早己到了刻不容缓的地步，所以不少的地方城市建设己进入了从 新区开发转为新区开发和旧房治理相结合的轨道。同时，有很多因素，如物理老化、化学腐 蚀、社会需求的变化、设计标准的提高等，它们会缩短现有建筑结构的使用寿命。我国还是 一个自然灾害非常频繁的国家：地震、风灾、水灾、火灾，均会造成严重损失，尤其对建筑 物造成严重的损害。而钢筋混凝土在广泛应用于各个领域的同时也暴露了一些新的问题，如 钢筋的锈蚀，混凝土开裂，缩短了钢筋混凝土的使用寿命。另外，由于设计施工中存在的缺 陷，也可能引起混凝土结构的开裂和锈蚀，出现抗震性能不良，承载力不足等诸多影响安全 和使用功能的问题，再加上近年来车辆逐步大型化，交通量增大，使结构负载量大多超过原 有设计标准，钢筋混凝土严重受损1 2 & 4 1 。 总之，不论是对新建筑物工程事故的处理，还是对己用建筑物进行加固；不论是为抗御 灾害所需进行的加固，还是为灾后所需进行的修复；不论是为了适应新的使用要求而对建筑 物实施的改造，还是对建筑物进入中老年期进行正常的处理，都需要对建筑物进行检查，以 期对建筑可靠性做出科学的评估，都需要对建筑物实施准确的管理维护和改造、加固，以保 证建筑物的安全和正常使用。 总结发达国家的发展经验，这些国家的建设大体上都经历了三个阶段，即大规模新建、 新建与维修改造并举和重点转向建筑的维修改造。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。例如： 英国早在1 9 7 5 - - , 1 9 8 0 年间新建工程数量和费用就开始减少，建筑维修改造的项目却逐年增 加：日本政府也组织进行了提高建筑物使用寿命的技术开发项目，以防为主，以建筑立法、 设计、施工和改造维修四个方面入手，来解决建筑物的寿命问题，并制定了一系列法令和标 准，如住宅区改造法、 土木建筑物更换标准等；在美国，新建筑业开始萧条，而维 修改造业兴旺发展，据美国劳工部对热门行业的预测，旧房维修改造业将是最受欢迎的九类 行业之一例。因此，根据上述经验的总结，同时结合我国现阶段国民经济以及建筑业的发展 状况，我们可以看出，我国正处于新建与维修并重的阶段，因此对混凝土结构加固技术的研 究不但非常必要而且十分迫切。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 现有的混凝土结构加固技术 混凝土结构的维修加固任务繁重，形成了巨大的维修市场。随着科学技术和经济的快速 发展，人们对建筑物补强加固的研究的投入不断地增多，获得科研成果也越来越多。针对工 程中混凝土结构承载力不足，结构形式及施工条件不同，工程上采用了各种不同的加固补强 方法。目前，工程上常用的钢筋混凝土结构补强方法主要有以下几种p 6 ，7 j ： ( 1 ) 加大截面加固法 加大截面加固法是采用钢筋混凝土或钢筋网砂浆层，来增大原混凝土结构截面面积，达 到提高构件承载力的目的。加固时可根据构件的工作条件、受力性质和构造特点，采用单面 和多面加固。加大截面法的优点是工艺简单，适用面广，可广泛用于一般梁、板、柱、墙等 混凝土结构的加固；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影响， 截面增大对结构外观及房屋净空也有一定影响。加固效果与原结构在加固时的应力水平、结 合面构造处理、施工工艺、材料性能以及加固时是否卸载等有关。 ( 2 ) 外包钢加固法 用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固，也是种使用 面较广的传统加固方法。该方法用于加固柱子可以通过约束力，在基本不增大构件截面尺寸 的情况下较多地提高其承载能力，增大延性和刚度。该法虽然受力较可靠，但会增加构件自 重、施工难度大、加大构件截面，还容易受到化学腐蚀，耐久性不好。 ( 3 ) 预应力加固法 预应力加固法采用外加预应力拉杆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 构能较好地共同工作，结构的总体承载力可显著提高。预应力加固法具有加固、卸载、改变 结构内力的三重效果。 ( 4 ) 粘贴钢板加固法 粘钢加固法的技术原理比较简单，这种技术则是利用结构胶，将钢板粘贴到混凝土表面， 形成混凝土胶钢板这样一种复合体系。粘贴钢板加固技术已不是一种新的加固技 术。它之所以被广泛地利用是由于高质量树脂的发展，使其具有简单而快捷的施工特性。这 种方法对结构外观形状的影响较小。外粘钢板加固是对钢筋混凝土结构内部钢筋强度不足的 一种补偿。通过粘贴钢板，减小钢筋应力使其达到允许强度值。 ( 5 ) 玻璃钢加固法 外贴玻璃钢加同法原理与粘贴钢板加固基本相同。玻璃钢是一种复合材料，它具有与混 凝土的线膨胀系数相近、比强度高、优良的电磁绝缘性等特点，可分别在梁底面和侧面粘贴 玻璃钢来增强钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪能力，并且能改善梁的变形性能。 ( 6 ) 喷射混凝土技术加固法 喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气和动力，将一定比例配合的拌合料，通过管 道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土具有较高的力学性 能和良好的耐久性，特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的粘结强度，可以在结合面上传递 拉应力和剪应力。 ( 7 ) 置换加固法 将原先在梁或偏心受压柱中，用置换法可以达到局部直接补强的效果。对混凝土强度等 级达不到设计要求的构件，首先按照弯矩图确定其最危险截面，然后在这些截面的受压区用 高一强度等级的新混凝土置换旧混凝土，其中要注意切剖面要切成平整的直角，最后用喷射 混凝土灌满。 2 第一章绪论 ( 8 ) 增设支点加固法 增设支点加固法是用增多支撑点来减小结构计算跨度，达到减小结构内力和提高其承载 能力的加固方法。增设支点加固法简单可靠，但是使用空间会受到一定影响。适用于梁、板、 桁架、网架等水平结构的加固。 ( 9 ) 托梁拔柱子加固法 在不拆除或少拆除上部结构的情况下，拆除、更换和接长柱子的加固方法。包括屋架拔 柱、托梁拆墙及托梁拔柱三种。该方法适用于使用功能改变、改变平面布局、增大空间的旧 房改造加固。 对于上述加固方法，国内外的很多科研机构都己进行了大量的研究工作，并且大都已应 用于实际工程。然而，这些加固方法都有一定的缺陷。为此，工程界需要新兴的、科技含量 高的加固技术。近年来，世界各国学者对采用碳纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 或f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，简称f r p ) 代替钢材的外贴f r p 片材( 包括布和板) 加同技术进 行了大量研究，现己应用于许多土木建筑加固修复中，成为土木工程应用的一个热点【8 , 9 , 1 0 】。 该加固技术是利用树脂类胶结材料将纤维织物粘贴于混凝土表面，以提高构件的承载能 力，从而达到对结构构件补强加固的目的。该方法具有显著的优点，即高强高效，施工便捷， 工效高，没有湿作业，具有极强的耐腐蚀性和耐久性，适用于加固各种形式的构件，加固后 不增加结构的自重等，适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶 劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于桥梁、各类 民用建筑、海洋和近海工程、地下工程等结构中【3 1 1 l2 1 。 1 2f r p 在混凝土结构加固中的应用 1 2 1f r p 简介 l 、f r p 材料的分类及基本参数 f r p 是以非金属纤维( 如碳纤维c f r p 、芳纶纤维a f r p 或玻璃纤维g f r p 等) 作增强 材料，以树脂( 如环氧树脂、乙烯基醋树脂或聚醋树脂等) 作基体材料的复合材料，具有耐 腐蚀能力强的显著特征，可以有效地解决钢筋锈蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性问题，同时 它还具有轻质高强、抗疲劳能力强、电磁感应低等优点。由于碳纤维c f r p 具有最优越的物 理化学及力学性能，因此随着c f r p 布制造工艺的成熟及成本的不断下降，它己成为结构加 固中最常用的一种f r p 片材l 引，本文就主要针对碳纤维展开讨论。 目前，用于加固混凝土结构的碳纤维种类较多，按形状主要有片材、棒材、型材、短纤 维等几种形式。片材有布状和板状两种形式，一般通过环氧树脂类粘结剂贴于混凝土受拉区 表面，是用于结构加固修复最多的一种材料形式。其中布状材料的使用最普遍，但板状材料 的利用率比较高。棒材可以代替钢筋用于己建和新建的结构中，或者用作土层锚杆、岩石锚 杆，从而替代钢筋应用于恶劣环境中而不被腐蚀，也可代替钢绞线施加预应力，制作先张法 或后张法预应力混凝土结构，经过张拉的棒材还可对混凝土结构进行体内和体外预应力增强 式加固。型材主要通过聚合物灰浆将其粘结在已有结构上，然后通过锚固方法将其固定在结 构上进行加固，很少用于实际工程中。短纤维是通过和混凝土共同搅拌形成纤维混凝土，从 而对新建结构进行加固。 碳纤维按力学性能分为三种，第一种是高模量型，拉伸模量很高，可达到3 8 0 - - 一6 4 0 g p a ， 其伸长率很低，变化范围在o 3 o 5 之间。第二种是高强型，拉伸强度在2 4 0 0 - - 一3 1 0 0 m p a 之间，有的可达4 0 0 0 m p a 以上。第三种是中等模量型，拉伸模量在2 3 5 - - - 3 1 5 g p a 之间，伸 长率在1 5 - 2 o z 间。 3 东南大学硕士学位论文 在使用碳纤维进行混凝土结构加固中，使用最多的就是布状碳纤维片材。其实f r p 用 于土木工程，首先是从f r p 筋开始的。但是，自从瑞士联邦材料实验室( e m p a ) 开创性地 采用外部粘贴碳纤维板对结构进行加固的研究工作，并在日本得到了极大的发展后，f r p 片材的研究和应用超出了f r p 筋材，引起了更多的关注，不但在日本、美国、加拿大、欧 洲及我国等国家和地区获得了广泛的应用，而且被全世界更多国家所关注。本文就是主要针 对布状碳纤维片材在混凝土结构加固中的一些基础问题进行研究的。 2 、f r p 的疲劳性能 单向连续纤维复合材料一般具有非常好的疲劳抗力和线性应力应变关系【1 3 l 。图1 1 显示 了碳纤维材料的典型s n 曲线。对碳纤维来说，已有研究证明胶结材料的组成比纤维的类 型对疲劳性能的影响更大。当四种不同的碳纤维放在同一种胶结材料中时，各自的疲劳性能 没有明显的差别。然而，使用不同环氧树脂胶结材料的同一种纤维对疲劳s _ n 曲线的斜率 是有影响的。 坩 乱 o 图1 1 碳纤维材料的s _ n 曲线 与其他工程材料相比，复合材料显示了更优越的疲劳性能。对结晶结构的材料来说，疲 劳裂纹开始于结构缺陷和裂纹扩展，随着载荷的循环形成了一条裂纹。而单向复合材料中单 一的纤维相对来说很少有缺陷，任何形式的裂纹都不能通过胶结材料，这个特性使得单向复 合材料具有良好的疲劳性能【1 4 1 。 f r p 的疲劳特性随着作用的应力的不同而不同。研究表明高模量的f r p 材料的轴向应 力疲劳性能较好，而在剪应力条件下疲劳强度的损失则非常严重。从图1 1 所示的单向碳纤 维材料的应力一寿命( s - n ) 曲线中，可以看出f r p 的耐久性极限和实验所得的最低静态 强度相差不多，这样就产生了在s _ n 曲线前段几乎水平的状态，只在后段略有下降。由此 看出，f p , p 与大多数普通结构材料不同，它的疲劳强度近似等于静态强度。 影响f r p 疲劳强度的因素有很多，图1 2 显示了循环加载时作用在样本上的反向应力的 影响。反向应力载荷作用下，板材的疲劳特性与其受压特性有关，而受压性能要明显弱于受 拉性能。另外，板中各薄层的叠放方法也会影响疲劳强度。总之，f r p 的受拉疲劳强度几乎 等于其单向抗拉强度。因此，f r p 是一种具有高疲劳强度和高模量的材料。 4 第一章绪论 镰习：蜃大应力1 2 0 0 材拍t 嗍2 ) 1 0 0 0 8 e 4 2 1 f f 矿1 0 旷1 矿 o l 旷1 0 1 0 7 图1 2 反向应变下f r p 疲劳试验s - n 曲线 1 2 2f r p 在混凝土结构加固中的应用 1 、加固机理【2 3 1 利用碳纤维布进行加固可按使用目的分为三种：第一是抗弯加固，是沿构件主轴方向粘 贴碳纤维布，提高构件的抗弯承载能力；第二是抗剪加固，沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤 维布，由碳纤维和箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力，是对构件的整个区段的加固 补强；第三种是延性加固，主要用于抗震加固，沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维布，以改 善加固部位的延性，提高构件的延性系数，一般加固构件端部约断面高度的两倍区段范围内。 用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其强度一般为建筑钢材的十倍左 右。但是，碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低 的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推， 各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大 大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作， 因此粘结荆对碳纤维布的加固起着关键作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保 碳纤维与结构共同工作，从而达到加固的目的。另外，由于粘结树脂本身的特性保证其在构 件受荷过程中能有效的传递剪应力，使得碳纤维能较好地发挥强度高的特点，这在构件受荷 后期尤其是钢筋屈服后碳纤维可发挥较大的承载作用。通过合理的设计，可使碳纤维充分体 现出材料的优异性能。 粘结碳纤维布用的粘结材料按施工工艺分为底层涂料c f p ( c a f b o nf i b e rp r i m e r ) 、整 平材料c f e ( c a r b o nf i b e re p 0 巧) 和浸溃树脂( c 打b o nf i b e rr e s i n ) 三种材料。底层涂料 用于渗透进水泥表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；整平材料用以填充整个表面空 隙并形成平整表面以便使用片材；浸演树脂用以浸渍片材在混凝土表面原位形成层板。作为 建筑结构复合材料用的室温树脂主要有不饱和聚酷、乙烯酷、和环氧树脂。其中环氧树脂性 能优于其它两种，固化收缩率低，抗湿气渗透性能好，和不同的纤维都能很好地粘结，是目 前使用最多的树脂基体，它的粘度为3 0 1 5 0 c p s ，触变系数为3 0 8 0 。 2 、技术特点f 2 ，3 ，4 】 碳纤维加固混凝土结构与其他加固方法相比具有明显的优点，主要表现为： 5 东南大学硕士学位论文 a 、高强高效碳纤维具有优异的物理力学性能，碳纤维的抗拉强度是普通钢材的十倍 左右，碳纤维的弹性模量相当于钢材的1 1 2 4 倍，因此可充分利用其高强、高弹模的特点 来提高结构的承载力和刚度，改善结构的受力性能，达到高效加固的目的。 我们将标准型碳纤维的代表性纤维轴向力学性能参数与h r b 4 0 0 钢筋作比较，如下表 卜l 所示： 表1 1 碳纤维片材代表性纤维轴向力学性能参数与h r b 4 0 0 钢筋的比较 比重 抗拉强度弹性模量热胀系数延伸率比强度 耐腐蚀性 ( g p a )( g p a )( 1 0 - 6 )( ) ( g p a ) 碳纤维标准型 1 7 53 52 3 5o 4 11 52 0 0 优 h r b 4 0 0 钢筋 7 80 4 22 0 61 21 80 0 5 差 由上表可见，碳纤维材料的比强度( 拉伸强度比重) 为钢材的4 0 倍，碳纤维的比模量 ( 拉伸模量比重) 为钢材的5 倍，高强轻质性能十分突出。 b 、碳纤维质量轻每平方米仅为o 2 0 3 k g ，基本不增加原来结构的自重，厚度仅为 0 1 o 2 m m ，基本上不增加构件的高度。而粘贴一层钢板的厚度为3 - 6 m m ，每层每平米重 2 3 6 一- 4 7 2 k g ，是碳纤维重量1 0 0 - - 1 5 0 倍。因此使用质量轻，厚度薄的碳纤维布加固构件， 在寸土寸金的经济社会中是相当有必要的。 c 、施工便捷施工工效高，不需大型施工机械，占用施工土地少，施工质量易于保证。 并且施工的工期短，不到粘钢法的1 2 。 d 、碳纤维的适用面广粘钢法施工时需提前将钢板切割成型，如果遇到不规则的构件， 尺寸将很难与实际结构相吻合。而碳纤维则可以按实际所需要的尺寸进行现场裁剪，可用于 曲面等不规则形状的结构构件的加固。碳纤维由于质轻柔软，容易粘贴于结构面上，它的有 效粘接面积可以达到9 5 以上，局部出现气泡可用针管注胶修复，不需要其他的附加固定 措施。而钢板由于自身刚度较大，有效粘接面积少，还需要用夹具夹紧等到胶固化。 e 、碳纤维耐腐蚀性好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钢筋混凝土结构具有良好的耐腐蚀性和耐久性，使用年限长，不需要 后期维护，解决了其他方法所遇到的化学腐蚀问题。 由于f r p 具有以上及其他优点，其在加固结构中有广泛的应用前景。当然，f r p 也有 一些不容忽视的缺点： a 、f r p 是一种线弹性脆性材料，没有类似钢筋一样的屈服点，在其达到极限抗拉强度 之前基本上是弹性状态，延伸率较小，因此延性较差。这种脆性特征在许多情况下会导致结 构的脆性破坏，因此现有设计理论中基于延性材料的设计方法不太适用。 b 、f r p 耐高温性能较差，在高温作用下其力学性能会迅速退化，加固后的结构很难达 到防火的要求，在建筑工程中需进行防火设计。 c 、f r p 属于科技含量高的材料，其价格也相对比较昂贵，制约了它的应用，但随着f r p 材料的进一步应用，以及其在施工中的高效性，可以预见，其价格将不断下降，经济性也将 得到不断地提高。 3 、工程应用及研究 目前，f r p 在结构工程中的应用及相关研究的热潮可追溯到上世纪8 0 年代早期i l 引。1 9 8 1 年，瑞典的m e i e r 首次采用粘贴c f r p 片材加固了e b a c h 桥。日本在1 9 9 5 年阪神地震i i6 j 后， 采用f r p 布对高速公路桥墩柱震害快速加固，使交通运输很快得到恢复，赢得了时间，同 时也奠定了f r p 材料在土木工程领域应用的基础，受到工程界的广泛重视。在最近十几年 间，这一领域开始迅猛发展，f r p 开始大量应用到实际工程中，尤其在结构加固方面。日本、 美国、加拿大以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家都相继进行 了大量纤维复合材料加固补强混凝土结构的研究和开发，并在此基础上已编制形成了自己国 6 第一章绪论 家的行业标准和规范，如美国混凝土协会( a c i ) 的“外贴f r p 加固混凝土结构的设计和施 工指南( 2 0 0 0 5 ) ”；“f r p 筋混凝土设计与施工指南a c l 4 4 0 - o l ( 2 0 0 1 ) ”：“预应力 f r p 混凝土结构设计规则d t f h 6 1 9 6 c - 0 0 0 1 9 ”：日本土木工程协会( j s c e ) 的“连续纤 维片