（固体力学专业论文）CFRP加固钢筋混凝土梁破坏过程的数值分析.pdf

1，l ；，。靠lf； at h e s i si ns o l i dm e c h a n i c s t h en u m e r i c a l a n a l y s i so f d e s t r u c t i o np r o c e s s o fc f r pr e i n f o r c e ds t e e lc o n c r e t eb e a m b yh a oy u m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i uj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 1 、 ，。 0 的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。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 ：匕 思o 学位论文作者签名：击p h 蜩 日期：2 护d 百、i 厂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：奄限呱 签字日期： 之口d ，7 1 导师签名： 签字日期： 们t 7 、7 j l | l l - ， 东北大学硕士学位论文摘要 c f i 冲加固钢筋混凝土梁破坏过程的数值分析 摘要 因为材料老化及载荷增加等因素，许多钢筋混凝土结构存在着需要加固的问题。碳 纤维布( c a r b o nf 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 ) 因抗腐蚀、高强度等特性被认为是 当前最理想的修补材料，在建筑物表面粘贴碳纤维布已成为一种在国内外广泛使用的加 固方法，因此进行c f r p 加固钢筋混凝土梁破坏过程的数值分析具有比较重要的工程应 用价值。 本文首先简要介绍了f r p 加固钢筋混凝土梁的理论知识及应用现状，列举了加固钢 筋混凝土梁抗弯承载力分析模型，并根据加固规范计算了c f r p j 3 h 固梁受四点弯作 用时的许用载荷，得到了偏于保守的计算结果。 其次，采用s o l i d 6 5 单元的弥散裂纹模型，在不考虑纤维布与混凝土、钢筋与混凝 土之间滑移的情况下，分析了素混凝土梁、c f r p 加固的素混凝土梁、钢筋混凝土梁与 c f r p 加固钢筋混凝土梁的极限承载力和破坏过程。计算结果表明经c f r p 加固后，梁的 极限承载力可提高一倍，但是破坏过程与试验现象有一定差距。 最后，基于断裂力学原理，采用虚拟裂纹模型，考虑了纤维向与混凝土之| 白j 的脱粘 破坏、钢筋与混凝土之间的滑移破坏、混凝土的脆性断裂三种因素的综合影响，用非线 性弹簧单元c o m b i n 3 9 的刚度变化来模拟这三种破坏现象，由此得到了c f r p 加固钢筋 混凝土梁的破坏过程，并与试验结果进行了比较。文中讨论了网格密度、混凝土断裂能、 混凝土抗拉强度、混凝土与c f r p 巾 之间的界面粘结强度及混凝土微裂纹形成位移对加 固梁的极限承载力和破坏过程的影响，还对下一步研究工作提出了一些展望和设想。 关键词：c f r p ；非线性弹簧；钢筋混凝土；虚拟裂纹模型 i i 、 - l a bs t r a c t b e c a u s eo ft h ef a c t o r st h a tt h em a t e r i a la g i n ga n dt h el o a di n c r e a s e ，m a n ys t r u c t u r e so f r e i n f o r c e dc o n c r e t eh a v et h ep r o b l e mw h i c hn e e d st or e i n f o r c e c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e r ( c f r p ) w i t he x c e l l e n tr e s i s t a n c et oe r o s i o n ，h i g hi n t e n s i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c si s g e n e r a l l yc o n s i d e r e dt h em o s ti d e a lp a t c h i n gm a t e r i a l ，p a s t i n gc f r p t ob u i l d i n gs u r f a c eh a s b e c o m eaw i d e l yu s e dm e t h o do fr e i n f o r c e m e n ta th o m ea n da b r o a d t h e r e f o r ec a r r y i n go n t h en u m e r i c a la n a l y s i so fd e s t r u c t i o np r o c e s so fc f r pr e i n t b r c e ds t e e lc o n c r e t eb e a mh a s v e r yi m p o r t a n tp r o j e c ta p p l i c a t i o nv a l u e f i r s t l y , i nt h ea r t i c l et h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m sa n dt h e p r e s e n ta p p l ys i t u a t i o na r ei n t r o d u c e db r i e f l y , r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mf l e x u r a lc a p a c i t y a n a l y s i sm o d e li sa l s oc i t e d ，a n da c c o r d i n gt o ”r e i n f o r c e m e n ts t a n d a r d c a l c u l a t e dt h ea l l o w - a b l eb e a r i n gc a p a c i t yw h e nb e a m su n d e rf o u rs p o t sb e n d i n g ，o b t a i n e dt h ec o n s e r v a t i v ec a l c u - l a t i o n s s e c o n d l y , s m e a r e dc r a c km o d e l so fs o l i d 6 5e l e m e n ti su s e d ，r e g a r d l e s so ft h es l i pb e t w e e nc f r pa n dc o n c r e t e ，b e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t e ，a n a l y s i so fl i m i ts u p p o r t i n gc a p a c i t y a n dd e s t r u c t i o np r o c e s su n d e rt h e s ef o u rc i r c u m s t a n c e s ：c o n c r e t eb e a m sa n dc f r p r e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m ，r e i n f o r e e dc o n c r e t eb e a ma n dc f r p r e i n f o r c e ds t e e lc o n c r e t eb e a m t h e c o m p u t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta f t e rc f r pr e i n f o r c e m e n tt h eb e a m sl i m i ts u p p o r t i n gc a p a c i t y d o u b l e d ，b u tt h e r ei sag a pb e t w e e nd e s t r u c t i o np r o c e s sa n dt h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n o n f i n a l l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff r a c t u r em e c h a n i c s ，u s e df i c t i t i o u sc r a c km o d e l ，t a k eo f t h ei n f l u e n c e m e n to fd e b o n d i n gd a m a g eb e t w e e nc f r pa n dc o n c r e t e ，s l i pd a m a g eb e t w e e n s t e e la n dc o n c r e t e ，b r i t t l ef r a c t u r ed e s t r u c t i o nb e t w e e nc o n c r e t ea n dc o n c r e t e ，u s e dt h e n o n l i n e a rs p r i n ge l e m e n tc o m b i n 3 9 s t i f f n e s sc h a n g e st os i m u l a t et h e s et h r e ed a m a g ef a c t o r sa n dm a d ec o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h ea r t i c l ea l s od i s c u s s e dt h ei n f l u - e n e r g yo fc o n c r e t e ，t e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t e ，b o n d i n gs t r e n g t h a n dc o n c r e t e ，m i c r o c r a c kf o r m a t i o nd i s p l a c e m e n to fc o n c r e t et o s u p p o r t i n gc a p a c i t ya n dd e s t r u c t i o np r o c e s s a n dp r o p o s e ds o m e i i i f o r e c a s t sa n dt h et e n t a t i v ep l a nt ot h en e x ts t e pr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：c f r p ；n o n l i n e a rs p r i n g ；s t e e lc o n c r e t e ；f i c t i t i o u sc r a c km o d e l i v ， 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论 i i i 1 1 钢筋混凝土结构加固的背景及意义l 1 2 钢筋混凝土结构加固的方法“1 1 3f r p 力1 1 固技术概述2 1 3 1f r p 加固的特点：2 1 - 3 2f r p 加固的工艺3 1 3 3f r p 加固的破坏类型4 1 3 4f r p 加固的概况4 1 4 本文的主要工作“6 第2 章f r p 加固r c 梁的理论分析7 2 1f i 冲加固r c 梁抗弯承载力分析模型7 2 1 1t e n gjg 模型7 2 1 2o r a b i n o v i t c h 模型一8 2 2f r p 加固r c 梁抗弯许用承载力的工程算法1 0 2 2 1 受力特点及使用条件一1 0 2 2 2 计算原理及实例计算一1 l 2 3 本章小结l6 第3 章c f r p 加固r c 梁的弥散裂纹模型l7 3 1 钢筋混凝土的建模形式+ 1 7 3 1 1 分离式模型l7 3 1 2 组合式模型l8 3 1 3 整体式模型18 3 2 混凝土( s o l i d 6 5 ) 单元的使用l8 3 3 模型及结果分析2 0 v iilf+ i 东北大学硕士学位论文目录 3 3 1 模型参数2 0 3 。3 2 结果讨论和分析2 l 3 4 本章小结3 0 第4 章c f r p 加固r c 梁的虚拟裂纹模型31 4 1 引言3l 4 1 1 虚拟裂纹模型3 1 4 1 2 剥离破坏3 2 4 2 模型的简化与建立3 2 4 2 1 模型的简化3 2 4 2 2 模型的建立3 4 4 3 弹簧参数的确定3 5 4 3 1c f r p 混凝土界面粘结弹簧参数3 5 4 3 2 钢筋。混凝土粘结弹簧参数3 7 4 3 3 混凝土弹簧参数3 8 4 4 计算步骤及模拟试验结果分析3 9 4 4 1 计算流程3 9 4 4 2 结果分析。4 0 4 5 网格及参数对结果的影响4 6 4 5 1 网格密度的影响4 6 4 5 2 混凝土断裂能的影响4 7 4 5 3 混凝土抗拉强度的影响+ 4 8 4 5 4 界面粘结强度的影响。4 9 4 5 5 混凝土微裂纹形成位移的影响5 0 4 6 本章小结。5l 第5 章结论与展望”5 3 5 1 本文结论。5 3 5 2 不足与展望5 3 参考文献- 5 5 致谢5 9 v i ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢筋混凝土结构加固的背景及意义 钢筋混凝土( r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称r c ) 结构是由钢筋和混凝土两种物理力学性 能完全不同的材料组成。该结构具有耐久性、耐火性、整体性、可模性，还有就地取材、 节约钢材等优点【l 引，因而在全世界的工程应用中日益广泛，如：桥梁、涵洞、隧道、 民用建筑及其他建筑物采用的都是钢筋混凝土结构。但是由于种种原因，诸如结构用途 的改变、载荷增加、自然灾害、设计存在失误或标准偏低、施工质量差、环境侵蚀及维 护不善、老化等现象的存在，使现有的钢筋混凝土结构存在承载力不足或使用功能不满 足要求等问题。据相关资料显示，如果把我国现有建筑物的使用寿命延长一年，相当于 创造几百亿元的投资，可见对结构进行加固比重建更节约资源，更为合理。因此，对钢 筋混凝土结构进行加固技术的开发和研究已成为当今世界各国许多科研工作者们研究 的一项重大课题【4 ，5 1 。 1 2 钢筋混凝土结构的加固方法 钢筋混凝土结构的加固方法有以下几种【6 】： l 、增大截面加固法：用与原结构相同的材料，加大构件或结构的截面面积，以提 高承载力。该方法目前使用较多且适用范围较广，可用来加固板、梁、柱、基础和屋架 等。 2 、外包钢加固法：在钢筋混凝土构件四周包以型钢，该方法提高承载力效果较显 著，受力较可靠，施工简便。这种方法能较大幅度地提高钢筋混凝土结构的承载力和延 展性，适用于不允许加大截面的构件或需较大幅度提高承载力的结构。当用化学浆液外 包钢时，型钢表面温度应小于6 0 ；当有腐蚀性介质时，应有可靠的防腐措施。 3 、预应力加固法：采用外加预应力的钢拉杆或斜拉杆对结构进行加固，通过施加 预应力改变原结构内力分布，降低原结构的应力水平，能部分或完全消除原结构的应力 集中现象，使后加固部分结构与原结构能较好的共同工作。该方法适用于要求提高承载 力、刚度和抗裂性且加固后占空间不大的混凝土结构中。环境温度高于6 0 ( 2 时不宜采用， 不适用于混凝土收缩徐变大的结构。 4 、增设支点加固法：从结构计算角度考虑，通过增加支点减小结构构件的计算跨 度和变形，提高其承载力。按支撑结构的受力性能可分为刚性支点和弹性支点两类。适 用于净跨不受限制的梁、板、桁架等构件的加固。 - 】 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 5 、外粘钢加固法：此方法是采用建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝土受弯构件表 面，以提高钢筋混凝土结构的承载力。适用于承受静力作用的一般受弯、受拉构件。要 求环境温度低于6 0 、相对湿度低于7 0 、无化学腐蚀作用，否则应采取防护措施。采 用该法加固，占空间小，施工周期短，消耗材料少，粘钢加固的部位、范围和强度可以 按结构的加固要求进行。 6 、增设支撑体系或加剪力墙法：通过增设支撑体系或剪力墙，增加结构整体刚度， 改变构件刚度比值，调整原结构内力，改善结构和构件的受力状况。多用于增强单层厂 房或多层框架的空间刚度，提高抵抗水平力的能力。 7 、外粘纤维材料加固法：使用结构胶将纤维材料粘贴于构件表面，可以有效提高 构件承载力及刚度，约束裂缝发展，施工快捷且施工时不影响结构正常的生产使用。混 凝土的强度等级不得低于c 1 5 ，纤维搭接长度不低于1 0 0 m m 。 在以上诸方法中，外粘纤维材料加固法，即纤维增强塑料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ， 简称f r p ) j n n 法是较新的加固方法之一。 1 3f i 冲加固技术概述 二十世纪八十年代，国际上开始应用碳纤维布加固修复钢筋混凝土结构，这是一种 混凝土外部加固的新技术。1 9 8 5 年瑞典人m e i e r 首先采用粘贴碳纤维片材加固桥梁 7 1 ，接 着各国大学及研究机构相继进行了较多的纤维布加固性能的试验及理论研究，取得了许 多重要成果。虽然我国在这项技术方面起步较晚，但在这短短2 0 几年的时间里该项技术 迅速发展，得到了较深入的研究，并成立了纤维增强塑料及工程专业委员会。现今我国 己有十几个科研院所( 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建筑研究科学 院、四川建筑研究科学院、上海建筑研究科学院等) - - 十几所高校( 清华大学、天津大学、 东南大学、福州大学、湖南大学、华南理工大学、广东工业大学等) 对纤维布加固混凝 土结构分别进行了抗弯、抗剪、抗压、抗震、疲劳、延性、锚固措施等多方面的理论与 试验研究。 1 3 1f i 冲加固的特点 1 、f i 冲加固的优点在于以下几个方面【8 】： ( 1 ) 加固对象可以是混凝土、木结构及砌体结构等多种材质。 ( 2 ) 强度高，纤维丝很细，但组成的纤维束在沿纤维方向具有极高的抗拉强度( 一般 在3 5 0 0 m p a 以上，而钢材是2 5 0 5 5 0 m p a ，混凝土为2 0 - 7 m p a ) 。 ( 3 ) 自重轻，纤维布一般每平方米重量为2 0 0 - 3 0 0 克，加固后原结构自重增加很少。 2 - ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 而钢板则相反，且不经济。：，一 ：， ，二 ( 4 ) 具有柔韧性，能很服帖的包裹在梁、柱、墙、天花板、管道及各种复杂结构表面。 ( 5 ) 不占用原建筑的空间，碳纤维布厚度很小，包括粘胶在内，加固的总厚度一般在 l 一2 m m 左右。 ( 6 ) 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， 耐老化，不需要后期维护。解决了其他方法所遇到的化学腐蚀问题，而且抗高温。 ( 7 ) 耐疲劳性能好，在循环受力达一千万次时，其疲劳强度还保留8 0 左右。 ( 8 ) 有良好的抗震性，它改善了原构件的裂缝形态，延缓和减轻了震动造成的破坏。 ( 9 ) 运输、存储、装卸、施工及维护过程简单、费用低，施工不需大型机械。 o o ) 施工方便，质量易于保证，快捷，对施工环境的要求不高，用工少。 综上所述，用纤维布加固建筑结构比传统的外包混凝土法、体外预应力法、外包钢 法以及增设支点等方法，在许多情况下具有十分突出的优点。 2 、f i 心加固的缺点有以下几方面【9 】： ( 1 ) f r p 通常为各向异性材料，沿纤维方向的强度和弹性模量较高，垂直于纤维方向 的强度和弹性模量较低，而钢材为各向同性的材料。f r p 用于建筑结构时，特别是将f r p 型材用于全f r p 结构或f r p 组合结构时，在受力上有许多不同于传统结构材料的现象， 这在各向同性的结构材料上是没有的，这将增加f r p 用于建筑结构工程时的设计难度。 ( 2 ) 与钢材相比，f r p 的强度有较大的离散性，钢材屈服强度的离散系数约为0 1 ， 而f r p 产品的纵向拉伸强度的离散系数为o 1 5 。 ( 3 ) 与混凝土相比，一般f r p 的防火性能较差。 ( 4 ) 价格比传统结构材料贵。 ( 5 ) 纤维布脆性较大，在施工中容易折断，断裂延伸率较小，破坏时具有突然性；不 导电、抗冲击性能较差。 1 3 2f i 冲加固的工艺 对受弯钢筋混凝土梁进行加固的通常做法是在梁底面粘贴f r p 布，按粘贴的方式分 为非预应力布和预应力布两种。其中，梁底面粘贴非预应力f r p 布是加固混凝土梁结构 中应用最为普遍的形式。具体的操作工艺有两种： 1 、粘贴预制f r p 布的方法是将预制好的f r p 布( 如挤拉成型布) 切割成所需要的尺寸， 然后用树脂粘贴于梁的底面。粘贴拉挤成型布可以最大限度地保证纤维材料的均匀性和 控制粘贴质量。 - 3 - 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 2 、湿粘法现场操作灵活而且造价较低，所以应用最为广泛。该法先在混凝土表面 涂刷树脂，粘贴纤维布后用专用的滚筒滚压，使树脂浸润到各层纤维布中。这样，树脂 不仅作为形成f r p 复合材料的基体，同时也是f r p 布与混凝土之间的粘结剂。这种工艺 对钢筋混凝土梁底面的平整度非常敏感，若表面不平则易导致剥离破坏。 对于拉挤成型的f r p 布可以先施加预应力，再粘贴于钢筋混凝土梁的下表面，从而 对钢筋混凝土梁进行加固。预应力f r p 布加固的主要优点是无需增加载荷，f r p 布就已 经对承载能力有所贡献。对f r p 布施加预应力也可以有效的减少梁的裂缝宽度。由于f r p 布的抗拉强度很高，施加预应力能使其强度得到更有效的发挥，并更可能在破坏时达到 极限抗拉强度。但是，旌加预应力增大了工作量，同时需要设计和安装特别的锚固体系 给予处理。目前该项技术尚处于起步阶段，相应的试验研究和工程应用都非常有限。 1 3 3f i 心加固的破坏类型 在粘贴f r p 布加固的试验中呈现出的破坏类型包括以下几个方面： 1 、f r p 内部拉断破坏：这种破坏中f i 冲布的最大应变( 通常位于斜裂缝下端位置) 达 到极限应变，导致f r p 布局部断裂，下一步梁的破坏沿着斜裂缝方向发展，最终导致梁 脆性破坏。多数情况下，破坏前会先发生部分f r p 布的剥离，但最终的破坏是由f i 冲布 的拉断引起的。文酬1 0 。1 5 1 对这种破坏模式进行了讨论。 2 、f r p 与胶层之间界面的剥离破坏：f l 冲加固的钢筋混凝土梁在受到弯剪作用时， 一旦f r p 布开始剥离，梁很快就宣告破坏。通常这种破坏模式的梁延性非常有限。 3 、胶层和混凝土之间的剥离破坏：这种破坏可能由于胶的失效引起，也可能由于 涂抹胶液时的操作工序不对引起。 4 、界面下混凝土开裂导致的剥离破坏：这种破坏形式在实际工程应用中是较为合 理的破坏，其它三种破坏形式在纤维布材质合格及胶层施工可靠的情况下一般不会出 现，否则将视为材料或施工质量不合格。 1 3 4f i 冲加固的概况 l 、国内研究发展概况： ( 1 ) 梁：研究简支梁的抗弯和抗剪加固，包括梁的动荷载疲劳性能、梁的预应力加固 性能等的试验研究，对加固梁的裂缝、变形、刚度等进行了观察与测量。 ( 2 ) 柱：主要研究混凝土柱加固后轴向压力下应力应变曲线，加固后抗剪、抗弯能 力的提高，抗震性能的改善，包括滞回耗能能力、延性性能、弯矩一曲率关系等。 ( 3 ) 板：研究板加固后承载力的改善，挠度及裂缝的改善情况。 r 。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 构造连接：主要研究纤维布抗弯时应有合理的搭接长度和锚固长度，抗剪加固时 端部不同锚固形式对加固效果的影响，不同种类粘结剂对界面粘结性能的影响。 ( 5 ) 力学分析：江见鲸、陆新征等著名学者主要研究界面剥离模型的建立和有限元分 析( 主要为二维分析) ，抗剪模型的建立及一些简化计算，二次受力情况下的一些简化计 算方法。陈小兵等【1 6 】进行了粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面性能的试验，结果表 明加固后的试件抗弯性能有显著提高。欧阳煌等在弹性理论的基础上，分析了线性荷载 作用下粘贴f r p 片材加固钢筋混凝土梁在片材端粘结剪应力和最大粘结剪应力，提出了 对最大粘结剪应力的影响因素及在均布荷载和集中荷载作用下的剪应力计算方法【1 7 1 。 2 、国外研究发展概况： ( 1 ) 粘结剥离破坏模型及受力分析 g - r a nj u 【1 8 】研究了混凝土构件粘贴c f r p 后，发生粘结破坏主要是由于在新旧材料之 间层间垂直应力的作用。这种粘结剥离破坏模型被描述成一种复合形式下的断裂力学问 题，并分析了构件破坏机理，在设计原则基础上，详细讨论了选择不同材料和不同材料 形式对实际工程的有效性和效率的重要性。 w e n d e lm s e b a s t i a n e t l 9 】在前人提出的末端粘结破坏模型的基础上，提出了由于弯曲 裂缝引起的中部破坏模型，分析了引起这种破坏的层间应力和剪切应力产生的原因和影 响其大小的各种参数变量。 c h r i s t o p h e rk yl e u n g 2 0 1 详细分析了在出现弯曲裂缝时，在裂缝端产生的层间剪切 应力与各种材料几何参数的关系，得到了在裂缝端引起剥离的最大层间剪切应力，并用 m a t l a b 语言进行了有限元分析与试验结果进行了对比。 ( 2 ) 剪切破坏模型及受力分析 t h a n a s i sc t r i a n t a f i l l o u 2 1 】研究了c f r p 加固混凝土梁的抗剪性能，提出了在极限状 态下的剪切破坏模型，把碳纤维布的作用等效为类似箍筋的作用，研究了用不同形式的 碳纤维布包裹混凝土梁的抗剪试验，与理论分析能较好的吻合。 a m i rm m a l e ka n dh a m i ds a a d a t m a n e s h t 2 2 】提出了剪切破坏模型，通过推导碳纤维布 包裹混凝土梁的本构方程，得到了碳纤维布在不同粘贴方向下的屈服载荷与极限载荷理 论公式，并与有限元分析进行了对比，有较好的吻合。 ( 3 ) 粘结特性的估计和锚固加固模型的分析 k u n i e d am i n o r u 2 3 】等人通过对多层片材粘结加固试验的测试，预测了加固后结构的 收缩和开裂。并对尺寸因素进行了分析，得出在大结构中尺寸因素是影响粘结特性的重 要因素。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 j f c h e na n d j gt e n g 2 4 】在文章中总结了目前关于在剪切作用下用f i 心和钢加固构 件锚固增强模型，并对这些模型的不足之处进行了分析，最终基于断裂力学和试验观测 提出了一个简化合理的模型。这种模型不仅与试验数据相匹配而且正确的预测了有效锚 固长度。 ( 4 ) 加固后结构的蠕变和疲劳特性 m t r t i n o l a e 2 5 1 等人提出了一种用数学模型定义c f r p 修复混凝土构件中关键参数的新 途径。这种模型模拟了c f r p 加固后混凝土构件随着时间推移其含水量的耗散和裂缝的 发展，它被应用于分析修复混凝土桥梁。 k u n i e d a 2 6 等人主要集中在研究出现裂缝的构件用注射的方法填充后粘贴小片 c f r p ，评价其粘结特性。用c f r p 片粘贴修复中，定量的分析和预测了在抗拉屈服和粘 结破坏条件下修复材料的收缩特性、注射表面刚度及片材尺寸对粘结特性的影响。 k u n i e d a 等人提出一种修复受损板的新方法，并命名为d r a p 方法。这种方法主要是在 混凝土表面粘贴两层预制薄板，考虑构件的疲劳特性的改善，这种方法己经通过试验进 行了验证。 1 4 本文的主要工作 f r p 加固钢筋混凝土结构的早期研究工作多数是关于试验研究，近年来，理论分析 模型逐渐完善，但在分析中同时考虑钢筋与混凝土之间滑移、c f r p 与混凝土之间脱粘 剥离、混凝土脆性开裂三种非线性因素的模型还不多见，为此本文对此课题领域做了以 下几方面的工作： 1 、根据钢筋混凝土的相关理论和加固理论，按照加固规范中的工程算法计算 了c f i 冲钢筋混凝土结构的许用承载力。 2 、运用有限元理论，采用弥散裂纹模型，研究了素混凝土、c f r p 素混凝土、钢筋 混凝土及c f r p 钢筋混凝土结构的极限承载力。讨论了混凝土裂纹的初始萌生及扩展情 况，分析了加固与未加固梁的破坏形式及引起破坏的影响因素。 3 、基于断裂力学基本原理，建立了可同时考虑钢筋与混凝土之间滑移、c f r p 与混 凝土之间脱粘剥离、混凝土脆性开裂三种非线性因素的有限元分析模型，得到了与试验 比较吻合的计算结果，并且讨论了一些主要参数对结果的影响。 6 ， 2 1 1t e n gjg 模型 针对f i 冲布拉断和混凝土压碎两种弯曲破坏模式，不考虑剥离破坏，t e n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) 建立了分析模型2 刀。模型基于英国标准( b s8 1 1 01 9 9 7 ) ，采用平截面假定、k o n g 和e v a n s ( 1 9 8 7 ) 2 8 1 所建议的应力应变关系，受压区混凝土的极限应变取为0 0 0 3 5 。 由于f i 心布为脆性材料，当f r p 拉断时混凝土并不一定能达到极限压应变，根据平 截面假定，f i 冲布应变勺、钢筋应变可由混凝土受压区边缘应变勺表示( 如图2 1 ) - z d 勺2 勺_ 产 ( 2 1 ) 气= 白兰生 ( 2 2 )气2 白ju 印 其中，x 、d a i 和d ，分别为从混凝土受压区边缘至中性轴、第f 层钢筋形心和f i 冲形 心的距离。 同样，当f i 冲应变勺已知时，勺可由下式求得： 勺2 勺矗 ( 2 3 ) 图2 1 为混凝土压碎状态时的应力分布图。图中，毛、恕分别是受压区合力和合力 矩等效系数，由静力等效条件确定，x 是中性层至上表面的距离，可以根据截面合力为 零的条件求得。利用两种破坏条件和应力分布，不难得到危险截面的破坏弯矩。 图2 1 截面的应变及应力分布 f i g 2 1s t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni ns e c t i o n 7 东北大学硕士学位论文 笫2 章f r p h 口固r c 梁的理论分析 加固梁达到破坏的标志为混凝土压应变达到极限压应变0 0 0 3 5 ( b s8 1 1 01 9 9 7 ) ，或 者是f r p 达到极限拉应变占，( a ne ta 1 1 9 9 1 ) 1 2 9 1 。在实际设计中，需要先确定破坏模式。 如果混凝土压碎和f r p 拉断同时发生，则破坏模式处于极限状态。 上述模型和解法是工程梁理论的推广，优点是比较简单，便于工程应用。但不能考 虑纤维布的粘贴破坏形式，而f r p 布的剥离破坏常常是影响加固梁承载能力的决定因素。 2 1 2o r a b i n o v i t c h 模型 为了考虑胶层破坏对f r p 布加固钢筋混凝土梁承载能力的影响，o r a b i n o v i t c h 等人 将梁的平截面假设进行了修正，假设胶层在横向剪应力作用下发生沿厚度方向均匀的剪 切变形，从而使梁的横截面在胶层内折曲，此称为高阶剪切模型【3 0 1 。钢筋混凝土梁和 f r p 布仍满足平截面假设。 胶层的横向剪应变为： 式中，x 为梁的长度方向，y 为宽度方向，z 为厚度方向，甜1 ( x ，y ) ，v 0 ) ( x ，y ) 为f r p 布的面内位移，甜2 似力，y 2 ( x ，j ，) 为混凝土下表面的位移，乞为胶层的厚度。整体示 意图如图2 2 所示，其中吃为混凝土梁的高度，f ，为纤维布的厚度。 吃 乞 tf 出 ( a ) 变形前( b ) 变形后 图2 2f r p 加固混凝土梁的燹形 f 逅2 2d e f o r m a t i o no fs l a bs t r e n g t h e n e d 文献【3 1 1 在该模型的基础上，建立了有限元分析模型。其基本假设为： ( 1 ) 钢筋混凝土梁和f i 冲贴片截面各自保持平面，且与变形后的轴线垂直，略去f r p 布的弯曲。 ( 2 ) 胶层只受剪切，截面保持平面，与混凝土和f r p 布变形协调但不共面。 - 8 - 差兰 东北大学硕士学位论文 第2 章f r p 加固r c 梁的理论分析 ( 3 ) 混凝土板满足平面应力本构关系，混凝土梁满足单向应力本构关系。 ( 4 ) 钢筋与混凝土、混凝土与f r p 布界面初始粘结完好。 该模型中钢筋采用折线本构模型，假设拉压性能相同，基本关系为： lz = e 岛l g f 卜删t 训石f 蹦- l , 排1 6 s 亿5 式中，e 为钢筋应变，z 为钢筋应力；为钢筋屈服应变，厶为钢筋屈服应力； 气为钢筋极限应变，厶为钢筋极限应力，巨为钢筋弹性模量。实际上，在钢筋混凝土 构件形成塑性铰以后，由于塑性区段混凝土的极限变形很少超过0 0 0 6 ，所以钢筋受拉 后的变形即使超过屈服平台进入强化阶段，也达不到材料的极限应变，从而强化阶段可 以简化为斜率为e = 0 0 1 e 。的直线段。应力应变关系如图2 3 所示。 混凝土采用的本构关系为： 。 f c = e c s c z = 厶陪酬 z ，= 厶 1 _ 0 t 5 瓦o f c - - 一c c d z = 0 0 q 岛 s 。d s c 6 t ，8 c s 式中，z 为混凝土应力，巳为混凝土应变；厶为混凝土峰值压应力，是相当于 峰值压应力时的应变，取= - - 0 0 0 2 2 ；气为混凝土破坏压应变，取气= - 0 0 0 3 8 ；z 为混凝土抗拉屈服应力，b 为混凝土抗拉屈服应变；e o 为混凝土弹性模量，混凝土的应 力应变关系如图2 4 所示。 1 l 兀 兀 l _ ，c z 8 “ s 硝 刁! ： ； q 7 弋影 厶 图2 3 钢筋的本构关系图 图2 4 混凝土的本构关系图 f i g 2 3c o n s t i t u t er e l a t i o no fs t e e l f i g 2 4c o n s t i t u t er e l a t i o no fc o n c r e t e 纤维布极限承载能力很高，因而在整个受力过程中，可以看成是线弹性的，即： - 9 _ 东北大学硕士学位论文 第2 章f r p h u 固r c 梁的理论分析 j 乃2 q 勺勺 ( 2 7 ) 【办= o 巧 、7 式中，乃为纤维布应力，s 厂为纤维布应变，g 向为纤维布断裂极限应变，e ，为纤维 布弹性模量。 该模型认为当胶层中的切应力( 切应变) 达到极限时，胶层软化，刚度降低，直至降 为0 ，混凝土与f r p 布完全脱粘，该模型的优点是可以研究胶层剥离对梁承载力的影响。 2 2f i 冲加固r c 梁抗弯许用承载力的工程算法 2 2 1 受力特点及使用条件 1 、受力特点【3 2 1 将纤维增强复合材料粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层，使其与结构形成整 体，共同承受荷载，原结构的恒载内力由原构件承担，新增纤维只承受粘贴加固后的荷 载产生的应力。通常由于加固前一期恒载等作用，原构件混凝土及钢筋的应力、应变已 经有了相当的储备，在加固后的二期恒载及活载作用下，原构件混凝土及钢筋的应变积 累值往往大于新增混凝土及纤维复合材料的应变，使得原构件的钢筋达到屈服时，新增 纤维复合材料的强度还达不到抗拉强度。 粘贴纤维复合材料加固与粘钢加固又有所不同，因纤维复合材料的弹性模量与混凝 土及钢筋的弹性模量有所不同，相当于混凝土截面内由三种材料复合而成。由于加固常 用的碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维片材的抗拉强度远大于钢材的抗拉强度，一般情况下 要让受拉钢筋达到屈服后，纤维复合材料的高强度才能发挥出来，这其中受压区混凝土 及原配受拉钢筋是否破坏起着控制作用，设计时应考虑分阶段受力的特点。 2 、使用条件 粘贴纤维复合材料( 主要指碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维) 加固钢筋混凝土结构是将 厚度为0 1 1 1 2 m m 的纤维片( 布) 通过配套粘结材料粘贴于构件的表面，使纤维复合材料 承受拉力，并与混凝土变形协调，共同受力，主要适合以下情况： ( 1 ) 现行使用荷载下，原构件受拉力主筋或斜筋配筋不足，如果是超筋梁构件，则应 同时增加受压区面积。 ( 2 ) 原构件受拉钢筋严重腐蚀或受损。 ( 3 ) 为增加构件的抗裂性。 ( 4 ) 被加固构件的实测混凝土强度等级不得低于c 2 0 ，截面纵向受力钢筋配筋率大于 公桥规( j t gd 6 2 2 0 0 4 ) 规定的钢筋混凝土构件最小配筋率，加固后其正截面抗弯 承载力提高幅度不应超过4 0 ，并应进行抗剪承载力计算。 10 东北大学硕士学位论文第2 章f r p 加固r c 梁的理论分析 具体可对以下构件进行加固 ， ( 1 ) 在梁、板受弯构件的受拉区粘贴纤维复合材料，使纤维方向与加固处的受力方向 一致进行抗弯加固。 ( 2 ) 采用封闭式粘贴、u 形粘贴或侧面粘贴，纤维方向与构件轴向垂直进行抗剪加固。 ( 3 ) 采用封闭式粘贴，纤维方向与构件轴向垂