（农业生物环境与能源工程专业论文）cfrp抗弯加固钢筋混凝土梁的锚固有限元研究.pdf

摘要 摘要 c f i 心抗弯加固钢筋混凝土梁的脆性剥离破坏给工程实践造成了严重的影响，研究表明对 加i 捌梁进行锚固在一定程度上可以避免剥离破坏的发生，但关于锚圃措施的研究还处于起步 阶段。本文在现有理论和实验研究基础上，采用a n s y s 数值分析方法对u 形箍锚固加固梁进 行了有限元仿真，系统地研究了各种锚固形式对加固梁的受力过程的影响，提出了c h 冲抗弯 加同钢筋混凝士梁的u 形箍锚固措施。具体内容如下： 首先分析了c f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的研究现状，提出了进行锚固研究的必要性。根 据钢筋混凝土相关理论及现有研究成果，阐述了加固梁的剥离破坏过程、破坏形式以及u 形箍 锚i i l i i 的基本原理。c f l 冲抗弯加固钢筋混凝十梁的剥离破坏是局部应力集中以及混凝土裂缝发 展引起的，可以通过控制裂缝发展、减小碳纤维应变的方式来避免剥离破坏的发生。 通过两根钢筋混凝土梁的有限元分析，结合试验结果，对c f r p 抗弯加固钢筋混凝士梁的 有限元模型进行了实验验证。根据有限元法的基本原理和各种材料的力学性能，选择了相应 的材料本构关系和单元类型，用分离式模型建立了加固梁的有限元模型。有限元结果与实验 结果吻合较好，能够较准确的反映出梁的受力特征和受力过程，为加固梁的锚固分析提供了 比较可靠的依据。 文中对1 9 根u 形箍锚同的c h 冲抗弯加固钢筋混凝土梁进行了有限元计算，与1 根未锚固梁 对比分析，并结合相关实验结果，提出了u 形箍锚i 古i 措施。考虑的参数有u 形箍布置位置、宽 度、高度和间距，考察了锚固形式对c f l 冲抗弯加固钢筋混凝土梁的承载力、裂缝、碳纤维应 变、钢筋虑力等的影响。结果表明：采用u 形箍对c n 冲抗弯加固钢筋混凝土梁进行锚固，在 一定程度上提高了梁的承载能力，减小了梁的挠度，控制了裂缝的发展，减小了底部碳纤维 的应变和箍筋的应力，不同的锚固方式将产生不同的效果。建议在剪跨区等间距布置u 形箍， 并在集中荷载作用处布置u 形箍，可以根据需要，在跨中布置u 形箍，u 形箍的宽度、高度和 间距虑满足一定的技术要求。 关键词：碳纤维增强复合材料( c f r p ) 钢筋混凝土梁u 形箍锚固有限元分析 两南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 k 嘶t t l ed e b o n d e df a i l u r eo ft 1 1 en e x u m lr cb e a m ss t r e n g t l l 朋e dw i mc f r ph 弱c a u s e d 8 硎。姻i n f l u e n c et 0p 删e c tp r t i c e s 伽r e s e a r c h e sm d i c a t ct l a tt h e 锄c h o r a g et or e i n f o r c e db e 锄s c a na v o i dd e b o r l d e df a i l u r emc e r t a i ne x t e n t ，b u tm e 豫a r c ho fa 1 1 c h o r a g em e a s u r e si sj u s ta tm e i i l i t i a ls t a g e 1 1 l i sa r t i c l eh a ss i m u l a t e dm er e i n f 0 r c e db e 缸啮锄c h o r e dw i t l lu t y p ec f l 冲s h e e tb y a n s y sn u m e r i c a l 柚a l y s i s 腓m o d ，w l l i c hi sb 觞e d0 nt 1 1 ee x i s 衄gt h e 碰e sa n de x p e m e n t a ls t u d i e s ， s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c e st ol o a dp r o c e s so fr e i n f o r c e db e a m sf o re a c hk m do f 舭c h o r a g e f 0 肿，p r o p o s e ds o m ea n c h o m g em e 舔u r e sw i mu t y p ec f r ps h e e tf o rt 1 1 e n e x u r a lr cb e 锄s s 船n 垂h e n e dw i t hc n 心丘i l a l l y ：t h es p e c j f i cc o n t e n ti s 淞f o l l o w s ： f i r s t l y ；吐l i s a r t i c l ea m l y s e st l 圮p r e s e n ts i t i l a t i o no fr e s e a r c h e sa b o u tt 1 1 en e x u r a lr cb e 锄s s 嘶酉h e n e dw i t l lc f r p ，a n dp r o p o s e st 1 1 en e c e s s i t yo fa n c h o r a g er e s e a r c h a c c o r d i i l gt o 廿1 er e l a t e d t 1 1 e 嘶e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n d 也ee x i s t i i l gr c s e a r c hr e s u l t s ，廿1 i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h ep r o c e s s 锄df 0 咖so fd e b o n d e df a i l u r e 船w e l l2 l sm ee l e m e n t a r ym e o e so f 雒c h o 豫g ew i mu t y p ec f r p s h e e t 1 1 1 ed e b o n d e df a i l u r eo f 托幽r c e db e a i i l si sc a u s e db yt l l el o c a is 仃e s sc e n 仃a l i s ma i l dt t l e c o n c 把t e sc m c kd e v e l o p m e n t ，s ow em a ya v o i dd e b o n d e df a i l u 托t i l l 0 u 曲c o n 们l l i n g l ec r a c k d e v e l o p m e ma i l d 化d u c i n gt h es 仃a i l lo fc a r b o nf i b e r t h ef m i t ee l e n l e mm o d e lo fm en e x u r a lr cb e 锄ss 仃e n g m e n e dw i mc n 冲i se x p e m e n t a i v 谢f i e d ，l r o u 曲f i l l i t ee l e m e n ta 1 1 a l y s i so f 觚or cb e 锄sa n de x p e r i i n e n tf e s u l t t h ec o r r e s p o n d i n g s 缸e s s s 跳o fm a t e r i a l sa n de l e m e n tt y p e sc a nb ec h o o s e da c c o r d i i l gt o l eb a s i cp r i n c i p l eo ff i n i t e e l e m e n tm e t h o da n de a c hr 1 1 a t e r i a i sm e c h a l l i c a lp r o p e n i e s ，t l l e 觚t ee l e m e n tm o d e lo fr e i n f o r c e d b e 锄si sb u i l tb ys 印a r a t i o nm o d e l t h ef i n i t ee l e r n e n t 佗s u l ti sg e n e m l l yc o n s i s t e n tw i t ht l l e e x p e 血n e n t a lr e s u l t ，i tc o u l da c c u r a t e l y 他n e c tt h el o a dc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e s so fb e 锄s ，t l l a t p r o v i d e sar e l i a b l eb 舔i sf o ra n c t l o ra n a l y s i so fr e i n f o r c e db e a m s t i i e r ea r e19r e i i 怕忧e db e a 瞄锄c h o r e dw i mu - t y p ec f r ps h e e t ，a n dlw i m o u t 孤c h o r t h r o u 曲t h ec o n c r 笛tb e 似n l ef e a 锄dr e l a t e de x p e r i m e n tr c s u l t s ，w ec a l lg e tt l l ea 1 1 c h o m g e m e 勰u r e sw 淌u t y p ec 陬ps h t c o n s i d e r e dp 越咖e t e r si n c l u d e ：1 ep o s i t i o n ，w i d t h ，h e i g l l ta n d s p a c m go fu - b 币ec f r ps h t 1 1 l i sa n i c l ei n s p e c t sa 1 1 c h o ri l l n u e n c e st 0t h er e s i s t 锄c e ，c m c k ，s 觚i no f c 眦s 仃e s so f r e b a r 锄ds 0o n r e s u l t s 砌i c a t et 1 1 a t 锄c h o rw i mu 惦c f r ps h e e tc 锄帅r o v e t l l er e i n f o r c e db e 锄sr e s i s t 托c ei i lc e r t a i n e x t e n t ，他d u c et l l ed e f l e c t i o n ，c o n 昀l t 王l ec m c k d e v e l o p m e m ，觚dr e d u c e dt l l es 仃a i no fb o t t o mc a r b o nf i b e r 锄dt 量l es t i 仃u ps n e s s ，d i 疏陀n ta n c h o r f o n l l sw i l lp r o d u c ed i 虢r e n tr e s u l t s t h eu t ) ，p ec f r ps h e e ti s s u g g e s t e dt 0a p p l ya 1 0 n gm e s h e 甜屯r o s sr e 垂o nw i n ls 锄es p a c 幻g ，鲫ds h o u l db ea p p l i e dt ot h ep o s i t i 册w h e r eh 弱c e n t r a “s m l o a d ，锄di i l i g h tb ea p p l i e dt 0m ei i l i d d l ep o s i t i o no f b e 锄a c c o r d i n gt ot l l en e e d t h e r e 玳s o m e t e c h l l o l o 百c 把q u i 他m e i l t st 0 他w i d t i l ，h e i g l l ta n ds p a c i n go fu 电p ec f r ps h e e t k 吩啊o r d s ：c a 小o nl i b e f 2 咒n 蠡珧e dp l 弱t i c ( c h 冲) 坨i i 怕r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e 姗 u 卸e c f r ps i l e e t 锄c h o r觚t ee l e m e n t 锄a l y s i s i i 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了 标注。 学位论文作者： 呻i 喃 签字日期：p g 年 5 月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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，本论文：回不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名： 许l 脯 签字日期：知p g 年多月j 加 导师签名：饥肌 签字日期： 加g 年孑月“日 第l 章绪论 第1 章绪论 混凝土结构是2 0 世纪建筑领域中技术发展最迅速应用最广泛的一种结构体 系。混凝土结构常因设计勘察失误、施工缺陷或使用过程中的损伤、老化和灾害、 功能改变等因素，造成构件开裂、承载力不足等影响安全和使用功能的问题，需 要进行加固。欧美发达国家用于建筑加固改造的投资已占国家建筑业总投资的l 2 以上，美国截止l9 9 8 年整个混凝土工程的造价约为6 万亿美元，而今后每年用于检 测维修加固改造的费用预计高达3 万亿美元；日本引以自豪的新干线铁路工程使用 不到十年就出现了大面积的混凝土开裂和剥蚀，今后用于检测和修复的费用将相 当巨大【啦j 。目前我国现存的各种建( 构) 筑物的总面积至少在l o o 亿平方米以上【3 】， 其中绝大多数是混凝土结构，以设计基准期推算，现有的许多建筑物已达到设计 使用年限，都急需维修加固和改造。 1 1f i 冲加固混凝土结构方法概述 1 1 1 混凝土结构加固方法 结构加固方法可分为直接加固法和间接加固法两类1 4 1 。直接加固法通过一些技 术措施，直接提高构件截面的承载力和刚度等，目前常用的有：加大截面加固法、 外包钢加固法、预应力加固法、外部粘贴加固法、注浆加固法；间接加固法根据 原有结构体系的客观条件，通过一些技术措施，改变结构的传力途径，减少被加 固构件的荷载效应，目前常用的有：增设构件法、增设支点加固法、卸载加固法 等。传统方法的不同缺陷使其加固对象和范围受到了较大的限制。选择加固方法 和技术时，应该在可靠性鉴定的基础上，分析研究结构需要加固的原因，根据结 构的实际情况和具体要求，按照效果可靠施工简便经济合理的原则来加以确定。 近年国际上出现了一种以纤维增强塑料作为外部加强筋加固混凝土构件的新 方法，该法比采用体外预应力法、钢板法等传统加固方法具有非常明显的优势。纤 维增强复合材料( f i b e r 2 r e i n f o r c e dp 1 a s t i c p o l y m e r ，f r p ) 加固混凝土构件，即把高 强、高弹模的纤维织物浸润在合成树脂基质中，待基质固化成型后用建筑结构胶 将其粘贴于构件表面。f r p 材料最早用于军工和航天航空领域，8 0 年代美、日等发 达国家开始了f r p 用于混凝土结构补强加固的研究工作。目前各国学者对f i 冲材料 加固混凝土结构的应用都进行了广泛深入的研究。 1 1 2h o 材料性能与分类 f r p 材料是由连续纤维和树脂基体复合而成。常用纤维种类包括碳纤维、玻璃 龋鹰犬学硕士学能论文 纤维、芳纶纤维三种，树脂有环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。按纤维种类的 不同可将f r p 材料分为碳纤维增强复合材料( c a 而o nf i b e rr e i n f o r c 酣p o l y m e r ， c f i 冲) 、玻璃纤维增强复合材料( g l 黼sf i b e rr e i n f o r c e dp 0 l y m 惯，g f r p ) 和芳纶纤 维增强复合材料( 愈铷弧i df i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，a f r p ) 。备种材料的主要性能 见表1 1 戮。 表1 1 结构工程中常用纤维的主要力学性能与钢材对比 翻海l e l 1c 铺眭s lo f 蛀撩嬲l 主l l 弦蹲e 蟋e s b e t w e e nc o n l l l l i o nf i b e r 锄ds t e e li ns n u c n l r a le n g i n e e r i n g 用于结构加固增强的f 薹材料形式主要有片材、板材、棒材和型材等足种1 6 l 。 布状材料由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，施工时浸润树脂，主要 用于结构表葱的粘贴加固，使用量最大。板材是采用加压成型的方式将纤维浸润 树脂后加压固化成板状，纤维利用率较高，可制成预应力板进行结构加固，但粘 贴施工时比较困难。h o 的棒材通常作为代替传统钢筋的材料，可用于新建结构中， 对其进行张拉后，用于对混凝结构体内或体外的预应力加隧，近年来的用量逐 渐增长。网格状型材由纤维束按一定间距垂直交叉编织，并用树脂浸润固化，可 直接代替钢筋隧片，僵蠢前应用较少。另外，短纤维丝可作为高性能混凝的掺 和料，板材还可直接作为结构的一部分，例如结构板和壳体屋顶等。从查阅到的 有关文献资料可知，卿主要以棒材、板材及纤维毒的形式应用；g f 即主要以 2 第1 苹绪论 棒材形式应用，但板材及纤维靠的形式也占有相当比例；而a f r p 主要以棒材的形 式应用，其它形式的研究和应用较少。 按加固混凝土结构部位的不同f r p 材料可以分为表面粘贴法和表面嵌贴法。表 面粘贴法是将f i 冲材料用建筑结构胶粘贴于构件表面的加固方法，应用较广。表层 嵌贴法在加固部位混凝土表层开槽嵌贴f r p 筋或板。国内外对表层嵌贴法的研究成 果有限，还无法为工程实践提供成熟的指导。 1 1 3 粘结剂的技术性能 树脂兼作f r p 复合材料的基体和f r p 与混凝土间的胶粘剂，若粘结过弱会引起 界面的破坏。混凝土加固施工时常采用环氧树脂作为胶粘剂，该树脂能够满足加 固所要求的强度、耐久性及施工简易的要求。其技术性能指标见下表： 表1 2 粘结树脂的技术要求 1 a b l e1 2 t h et e c h m c a lp r o p e n i e so fa g g l u t 妇er e s i n 根据c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程【7 】，粘结树脂性 能指标见下表： 表1 3c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 规程中粘结树脂性能表 t a b l e l 3t h et e c l l l l i c a lp m p e r t i e so f a g g l u t i m t er e s i ni nc e c s l 4 6 ：2 0 0 3m l e 拉仲强度 3 0 m p a 拉伸剪切强度 压缩强度 弯曲强度 正拉粘结强度 弹性模量 仲长率 l o 芝7 0 m p a 2 4 0 m p a 盈5 m p a 且不小于混凝土抗拉强度 芝1 5 0 0 m p a 之1 5 1 1 4f r p 材料的特点 f l 冲材料具有许多与传统结构材料所不同的特点，了解和掌握f i 冲材料的优缺 点，才能在设计中充分发挥它的优势，克服劣势。与传统加固方法相比，f r p 加固 具有明显的技术优势，主要体现在以下几个方面【5 8 】： ( 1 ) 高强高效。f l u 材料具有优异的物理力学性能，其轴向抗拉强度是普通钢 材的8 1 2 倍，c f r p 的弹性模量是普通钢材的1 2 倍；g f l 心的弹性模量比钢筋 的低，但延性好。 西南大学硕士学位论文 ( 2 ) 优异的耐腐蚀性能及耐久性。c f r p 材料的化学性质稳定，能在酸、碱、 盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀( g f r p 只存在碱性腐蚀问题) ，这是传统结构材料 难以相比的，其优势己经在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中得到证明。 ( 3 ) 不增加构件的自重及体积。纤维布的质量轻且厚度薄，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。 ( 4 ) 适用面广。由于纤维布是一种柔性材料，可以任意地裁剪，可广泛地应用 于各种结构类型( 如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱等) 、各种结构形 状( 如矩形、圆形、曲面结构等) 和结构中的各种部位( 如梁、板、柱、结点、拱、 壳、墩等) ，且不改变结构形状及不影响结构外观。 ( 5 ) 便于施工。该产品适于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工 过程。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， 工效高。 ( 6 ) 综合造价低。尽管c f r p 材料的单价相对较高，但由于其材料用量少，施 工工期短，操作简单，节省了大量的人工、机械和运输成本。若考虑长期的使用 成本和维护费用，n 冲材料的总体价格优势将进一步体现，也符合了可持续发展 的要求。 与传统结构材料不同，f r p 材料通常表现为各向异性，纤维方向的强度和弹性 模量较高，而垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。有关资料表明，两个方向的 抗拉强度相差可达2 5 倍，抗压强度相差可达5 倍，模量相差可达1 3 倍。此外，纤维 方向的抗拉强度比抗压强度高3 0 ，因此需要对两个方向分别进行设计。 f l 冲的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度仅为其抗拉强度的5 2 0 ， 而金属的剪切强度约为其拉伸强度的5 0 。这使得f r p 构件的连接成为突出的问 题。f i 冲结构可以采用铆接、栓接和粘接，但不管哪种连接方式，连接部位都是整 个构件的薄弱环节。 1 2f r p 加固混凝土结构研究概况 f i 冲材料加固混凝土结构技术的研究始于1 9 8 4 年瑞士联邦材料实验室的碳纤 维板加固钢筋混凝土梁的试验。1 9 9 1 年美国混凝土协会成立了a c l 4 4 0 委员会，负 责开展f i 强加固混凝土与砌体结构的研究。1 9 9 3 年a c i 在加拿大主办了第一届国际 f r p 专题会议，此后每两年举办一次，分别在比利时、日本、美国、英国、新加坡 和美国召开了7 届f r p 加固混凝土国际会议。1 9 9 3 年日本建筑院( a u ) 颁布了世界上 第一个有关f r p 的指南：f r p 加固混凝土结构设计指南。美国( a c i ) 、加拿大( i s i s c 锄a d a ) 、欧洲( f i b ) 、日本( j s c e ) 、英国( c 0 n c r e t es o c i e t y ) 等国已制订了f r p 加固 混凝土结构规程或指南，并随着研究的深入逐步修订【9 1 。此外各行业协会也颁布了 4 第l 苹绪论 f i 冲加固的工程设计、施工规程、指南、手册等。 我国于1 9 9 7 年从国外引进c f r p 加固修复混凝土结构技术，并在1 9 9 8 年开始了 实际的工程应用，清华大学、东南大学、同济大学、天津大学、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等近十个科研院所开展了相应 的研究，并获得国家自然科学基金重点项目和国家“8 6 3 ”计划资助。中国土木工 程学会一混凝土及预应力混凝土分会于2 0 0 0 年6 月成立了“纤维增强塑料及其工程 应用专业委员会 ，并在北京召开我国首届f l 冲混凝土结构学术交流会。2 0 0 3 年中 国工程建设标准化协会出版了碳纤维片材加固混凝土结构技术规程，对推广 f i 心在我国的应用起到很大的推动作用。目前我国正在编制全国性的f i 心技术规 范，将会涵盖更多的应用范围。 1 3f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的研究现状 外贴f r p 片材对钢筋混凝土( r c ) 梁进行加固是f r p 加固混凝土结构的一种主 要应用形式。将f r p 材料粘贴于钢筋混凝土梁的受拉面，可显著提高钢筋混凝土梁 的抗弯承载力。关于f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的研究主要集中在简支梁承载力的 实验分析上，包括受力性能、加固的机理、加固承载力计算、加固影响因素分析 等，通过观察加固梁的承载力、裂缝、变形、刚度等，分析加固原理和界面粘结 机理，以致力于提高f r p 加固钢筋混凝土梁的承载力。结果表明，应用f i 冲加固后 的钢筋混凝土梁性能明显改善，极限承载力可以提高4 0 6 0 ，梁的刚度有一定 提耐9 1 。 ， f ，应用于抗弯加固钢筋混凝土梁可能产生不同的破坏模式【l o 】：第一类是弯曲 破坏形式，包括f r p 拉断和混凝土压碎两种形式；第二类是剪切破坏形式，若梁加 固后的抗弯承载力大于未加固时的抗剪承载力，则梁可能发生此类脆性破坏形式； 第三类是“剥离”破坏形式，即加固梁在达到其抗弯和抗剪极限承载力以前发生 f r p 与混凝土分离而破坏的形式。由于f r p 材料强度很高，f r p 加固钢筋混凝土梁 往往不是由于f i 冲材料拉断破坏，而是由于f i 冲一混凝土界面强度不足导致剥离破 坏。通过试验发现，f i 冲抗弯加固混凝土梁试件大量出现界面破坏。剥离破坏时钢 筋混凝土结构未达到其抗弯承载力极限值，造成资源的浪费，而脆性剥离破坏的 性质还可能引起严重的后果。f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的剥离破坏成为应用研究 中的关键问题。 随着f i 冲加固混凝土结构工程的逐年增多，关于f i 冲加固混凝土结构性能的研 究也逐步深人，在国内外已经积累了相当数量的试验数据的基础上，研究方法从 试验转为试验与理论数值计算相结合，研究领域也从一般受力性能趋向于受力机 理。有关f r p 的剥离机理，各国学者从不同的角度进行了研究解释。一般认为，在 5 两南大学硕士学位论文 f r p 加固混凝土结构中，f r p 一混凝土界面的粘结应力主要为剪应力。抗弯加固钢 筋混凝土梁底部粘贴的f i 心通过界面剪应力使f l 冲受拉，承担一部分截面弯矩，提 高抗弯承载力。只有在少数情况下，f l 冲一混凝土界面之间的正应力才会有重要影 响。例如，在f i 冲端部由于f r p 截断引起此处截面抗弯刚度突变，出现应力集中而 导致剥离破坏的情况；又如，在斜裂缝两侧梁发生刚体错动，使梁底部的f l 冲一混 凝土的界面产生正应力，从而会加剧f r p 的剥离破坏。因此f i 冲加固钢筋混凝土梁 的剥离破坏主要集中在界面受剪性能研究上。 1 3 1 抗弯加固梁面内剪切剥离破坏问题的实验研究 界面受剪性能一般可以用面内剪切试验加以研究。面内剪切试验方案有单剪、 双剪、推剪、拉剪等【1 1 1 。面内剪切试验中主要参数有：( 1 ) f i 冲种类，表现为f i 冲的 弹性模量变化；( 2 ) f l 冲粘贴层数，表现为f r p 的厚度变化；( 3 ) 混凝土强度；( 4 ) f r p 粘结长度；( 5 ) f l 冲宽度；( 6 ) 混凝土试件的宽度。另外还有养护条件、干湿循环等 因素，以研究非几何及力学条件变化时的面内剪切性能。 吴智深【1 2 】通过f r p 加固混凝土构件的面内剪切剥离试验，从剥离破坏能角度分 析了剥离破坏参数。 杨勇新【i3 j 在单剪和推剪试验中，通过变化纤维布的层数、粘结方向、粘结长 度以及混凝土的强度等参数，得出单剪和拉剪的剥离强度与混凝土强度关系的回 归公式，并且在单剪试验中，总结出c f r p 与混凝土的有效粘结长度，与吴智深【1 2 】、 滕景光【1 4 】得出的有效粘结长度数据吻合。 根据国内外已有的面内剪切试验( 包括单剪、双剪以及推剪试验) 结果分析可 知，在f r p 与混凝土粘结良好的情况下，有效粘结长度与以成正比，其中工为 混凝土抗压强度。 1 3 2 抗弯加固梁面内剪切剥离破坏问题的理论研究 瑞典学者b j o mt a l j s t e n 【1 5 】最早开始关于f r p 与混凝土受剪剥离的理论研究，他 采用线弹性理论，用钢板代替f r p ，在对称和不对称两种模型下推导出面内剪切受 力性能。 r 0 b e r t s 【16 】基于弹性理论将分析方法分为三个阶段，最后由叠加得到解：认为 当最大粘结剪应力在3 m p a 5 m p a 之间时将发生剥离破坏。 m a l e k 【l7 j 等分析了f i 强端部和梁弯曲裂缝处的应力，并与有限元法和试验结果 做了比较，给出了剥离弯矩和剥离破坏准则。但m a l e k 的方法相当麻烦，需要计算 开裂和不开裂梁的截面惯性矩，不易手算。 c “s t o p i 科1 8 】基于断裂力学理论，分析了裂缝处f r p 的销拴作用，给出了裂缝 6 第1 章绪论 处粘结剪应力的分布，指出大尺寸试件、胶体过薄、f r p 刚度大、粘结面积小易发 生剥离破坏。 r a b i n o v i t c h 【1 9 】提出了一种高阶封闭解的形式，分析了不同的f r p 端部胶体溢出 的形状、f i 冲端部不同的形状及端部锚固条带的影响，指出增加端部f r p 条带的宽 度，减少端部f i 冲条带的厚度可减小端部应力，应当避免将端部的多余胶体除掉， 端部锚固可以有效地降低端部应力，避免剥离破坏的发生。 r a o o 一2 0 】等分析了f r p 加固的钢筋混凝土梁的最大和最小裂缝间距。将裂缝间 的混凝土保护层作为分析对象，简化为在粘结剪应力作用下的悬臂梁，给出了剥 离弯矩的计算方法。 膝锦光【1 4 】考虑了混凝土强度、f r p 与混凝土相对宽度以及有效锚固长度等的影 响，采用工程中容易得到的数据作为参数，避开破坏能。并使用f r p 布受弯加固混 凝土梁模型，推导出f i 冲受弯加固混凝土梁中f r p 与混凝土之间的剥离强度。 雄光副2 1 】通过建立裂缝间混凝土块体模型提出了f r p 加固混凝土梁保护层剥 离应力计算方法。 李松辉等【2 2 】通过研究粘贴碳纤维片加固完整梁及不同开裂程度梁在不同受力 阶段中的界面应力分布与剥离机理，指出了加固梁的开裂或裂缝扩展是导致界面 或粘贴基面混凝土剥离的主要原因。 根据工程经验和目前研究成果，可以归纳出几种影响剥离破坏的主要因素【2 3 】： ( 1 ) 混凝土强度 混凝土强度是最主要的影响因素。试验结果表明：混凝土与外粘复合材料板 问的粘结强度在一定的混凝土强度范围内随混凝土强度增加而增加。混凝土强度 越低，越易发生剥离，即使强度较高的混凝土，其表面浅层部分由于浇筑时的模 板效应作用也不会达到测试的强度值，因而造成许多构件发生剥离破坏；对于既 有的混凝土构件，由于老化、钢筋锈蚀等原因作用，表面浅层部分混凝土中已存 在纵向和横向的细微裂缝，强度较低，更容易发生剥离。 ( 2 ) 锚固长度与锚固方式 f r p 与混凝土之间存在一个有效锚固长度三。，有效锚固长度越短，局部粘结 应力越大，越易于产生剥离破坏。如果f r p 的粘结长度三小于三。，则剥离承载力会 随着粘结长度的增加而提高；如果f i 冲的粘结长度大于。，则继续增加粘结长度 将不能继续提高剥离承载力。另外，横向采用u 形箍锚固防止纵向碳纤维布剥离的 效果较为明显。 ( 3 ) 加固材料的性质及加固量 树脂胶的刚性大，碳纤维布的柔性好，可以有效地降低剥离应力，从而降低 了剥离破坏的可能性；加固量越大，碳纤维布的厚度、刚度越大，将导致剥离应 7 西南大学硕士学位论文 力增大，易于剥离。 ( 4 ) 施工质量 施工时碳纤维布的粘贴平整、质量好，可以保证碳纤维布在横向上受力均匀， 减少局部分离造成的剥离破坏，粘贴时碳纤维布与混凝土之间、碳纤维布与碳纤 维布之间的树脂胶均匀饱满有利于防止剥离破坏的发生及发展。 ( 5 ) 受载历史 加固前构件的一次受力状态不同对剥离的发生和发展有不同的影响，试验研 究证明【2 4 1 ，其它条件相同时，构件一次受力但未开裂前或裂缝发展的开始阶段加 固与未经一次受力而加固相比，发生剥离破坏的可能性相当；但随着裂缝发展的 深入，在没有采取必要的防治措施时进行加固，则发生剥离破坏的可能性增大。 1 4f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的锚固研究 碳纤维布从钢筋混凝土梁上剥离而发生的破坏是一种特殊的破坏形态，剥离 破坏时构件未达到其抗弯承载力极限值，造成资源的浪费，而脆性剥离破坏的性 质还可能引起严重的后果。在现有的研究理论基础之上，研究怎样避免剥离破坏 的发生对充分发挥f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的材料性能、提高加固梁的承载力具 有重要的理论意义和实践价值。 研究表明采用一定的附加锚固措施可以提高f r p 加固钢筋混凝土梁的剥离承 载力，避免剥离破坏。现有研究中各种不同的附加锚固措施主要有【2 5 2 6 】：在f l 冲 端部加u 形f i 冲箍；延长f i 冲至支座处：在f l 冲端部加钢锚螺栓；末端角钢锚固。 末端角钢锚固时梁的极限承载力加大，但加大幅度小，梁最终由f l 冲与混凝土保护 层之间的剪切受拉而破坏，该方法不是有效的锚固方式；在f i 冲端部加钢锚螺栓可 以避免混凝土与f i 冲剥离破坏的发生，但在f r p 端部混凝土中产生较大的应力集 中，从而在该位置处产生较大的弯曲裂缝，最后裂缝斜向发展而引起f r p 上部混凝 土斜向受拉破坏( 此时，荷载只是受剪承载力的6 0 5 ) ；延长f r p 至支座及在 f l 冲端部加u 形f r p 箍，可防止f r p 加固梁早期破坏的发生，从而提高了加固梁的 受弯承载力。 s p a d e a 等【2 7 j 在两根实验梁的端部及梁长度方向用u 形钢进行局部锚固，实验结 果建议在梁端和跨中部分区域粘贴u 形钢板对碳纤维复合材料( c f i 冲) 施加锚固。 但未说明u 形钢板的尺寸及固定方法。 m s h 锄h 删y 【2 8 】等人提出沿梁全长粘贴c f i 冲的u 形片材方法，有效地防止了剥 离破坏。 雄光晶等【2 9 j 提出用简易的气垫沿梁全长加接触压和梁端锚固，中部不设或少 设u 形箍，以改善c f l 冲加固钢筋混凝土梁的抗弯性能。通过试验得出【3 0 】剥离应力 8 第l 苹绪论 不大，推荐使用单向一形c f 布和双向l 形g f 布加固混凝土梁的混杂加固方案，能 有效防止梁的剥离破坏。 陆新征等【3 l j 对f i 心加固混凝土的承载力进行了分析。针对抗弯加固的端部剥离 破坏，建议通过在f r p 端部布置一定的附加锚固措施予以避免，如f r p u 形箍、 铆钉等；采取f r p u 形箍的构造措施避免关键斜裂缝的产生；对中部剥离破坏目 前还没有很好的构造措施，应作为一个控制工况进行设计计算，提出了f i 强控制应 变及受弯承载力。 叶列平1 3 2 j 等通过1 4 根梁的试验，设置了不同的粘结延伸锚固长度、u 形箍位置 和形式及u 形箍量，研究了u 形箍的抗剥离机理和设置位置、u 形箍量和形式等对 梁底碳纤维布抗剥离性能的影响，并根据试验研究结果得出了一些结论，给出了 设置u 形箍的有关建议。 王润建【3 3 j 对5 根碳纤维片加固钢筋混凝土梁的锚固性能进行了研究，建议u 形 箍应设置在弯矩和剪力都比较大的部位；碳纤维用量相同的情况下并不是间距越 小锚固效果越好，碳纤维u 形箍宽度不宜太小。端部碳纤维u 形箍从加载到破坏的 整个过程应力都很小，建议适当减少端部碳纤维u 形箍的高度。 王文炜p 4 】等针对不同的加固层数，采用了端部u 形箍、剪跨区内u 形箍、剪跨 区内u 形全包三种梁端锚固形式，对6 根玻璃纤维布( g f r p ) 加固混凝土梁进行了试 验研究，指出端部锚固可以有效降低端部应力，避免剥离破坏。 卓静等【3 5 】在碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯试验中，首次提出波形齿夹具 锚锚固系统，系统主要由上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板、压紧及锁定装 置等组成。该方法还有许多问题需要进一步的探索和研究。 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程【1 7 】( c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 ) 规定，对梁 正弯矩区进行受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至支座边缘，以满足粘结延伸长度 的要求。当碳纤维片材延伸至支座边缘仍不满足要求时，则应采取一定的锚固措 施：在碳纤维片材延伸长度范围内应设置碳纤维片材u 形箍锚固。u 形箍宜在延伸 长度范围内均匀布置，且在延伸长度端部必须设置一道。u 形箍的粘贴高度宜伸至 板底面。每道u 形箍的宽度不宜小于受弯加固碳纤维布宽度的1 2 ，u 形箍的厚度不 宜小于受弯加固碳纤维布厚度的1 2 。 目前关于f r p 锚固措施的考虑主要有以下几个方面：假定f i 冲材料锚固稳定； 在端部施加锚固以了解中部裂缝剥离发生条件；研究u 形箍等锚固措施对钢筋混凝 土梁的承载力提高能力；将锚固作为一种工程构造措施。这些研究主要分散在一 些离散的试验分析中，基本原理都是增强f r p 和混凝土的粘结强度，涉及的材料有 钢板、单一f r p 材料、复合f r p 材料等，对u 形f l 廿箍的研究考虑了加固层数、u 形 箍的布置位置、u 形箍量等参数，提出了一些u 形箍的设置建议，m s h a i l l l a w 媾人 9 曲南大学硕十学位论文 提出沿梁全长粘贴c f i 冲的u 形片材，雄光晶等提出中部不设或少设u 形箍，王润建 建议u 形箍应设置在弯矩和剪力都比较大的部位。这些建议存在一定的分歧，锚固 措施的研究还处于起步阶段，关于附加锚固措施对加固梁受力过程的影响、各种 锚固措施的差别及怎样布置锚固才能有效的防止剥离破坏等还缺乏全面系统的研 究。因此有必要研究各种锚固措施对f i 冲加固钢筋混凝土梁受力过程的影响，提出 增强抗剥离的有效锚固方式，指导工程实践。 1 5 数值分析方法 由于c f r p 加固钢筋混凝土梁的试验分析具有离散性、高费用等特点，还牵涉 到复杂的材料非线性、几何非线性、断裂及裂缝扩展等复杂力学行为，很难通过 试验手段观测界面下混凝土内部微裂缝的发生以及扩展过程，需要借助数值方法 获得近似解。目前在工程技术领域内常用的数值分析方法主要有：有限元法、边 界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还 是有限单元法。通过有限元方法来研究碳纤维加固混凝土的问题，正在被越来越 多的研究者采用，通过数值模拟，可以大大减少试验工作量。更重要的是，数值 模型可以排除各种偶然因素干扰，更清晰地揭示问题内在机理。 a n s y s 软件是2 0 世纪7 0 年代美国a n s y s 公司开发的新一代大型有限元分析 程序。a n s y s 软件主要包括三个功能【3 6 】：前处理模块，分析计算模块和后处理模 块。前处理模块拥有丰富和完善的单元库、材料模型库，提供了一个强大的实际 建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构 分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁 场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的 相互作用，具有灵敏度分析能力，完善的求解器能高效的求解各类力学问题；后 处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。完善的前后处理和强大的数据接口， 使a n s y s 软件成为了计算机辅助工程( c a e ) 和工程数值分析和模拟最有效的软件 之一。 最早用有限元方法分析钢筋混凝土梁的学者是n g o 和s c o r d e l i s 。他们基于线 弹性理论，根据试验结果，将钢筋和混凝土划分为三角形单元，按平面应力问题 和线弹性理论分析钢筋和混凝土的应力，针对钢筋混凝土结构的特点，在钢筋和 混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹簧，从而可以分 析粘结应力的变化情况：为了反映混凝土的开裂特性，提出了离散裂缝模式，即 在梁中预先设置裂缝，裂缝的两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的无几何 l o 第1 苹绪论 尺寸的连接弹簧，以模拟混凝土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销栓作用。这一研 究获得了很大的成功，引起了巨大的反响。自此以后，许多学者在这一领域研究， 发表了大量研究成果。 陆新征【3 l 】在f r p 与混凝土界面面内剪切试验和大量的试验研究结果的基础上， 采用精细单元有限元模型、混凝土非共轴转动裂缝模型、基于无网格法的混凝土 组合裂缝模型等数值模型，系统地研究了f r p 一混凝土的界面受力行为和剥离破坏 机理，提出了一个抗弯剥离的双重剥离破坏准则、相应的界面粘结滑移关系、剥 离承载力计算公式，通过与大量的试验结果对比，验证了该精细有限元模型的正 确性。在这种模型中，混凝土和f i 心片材都使用非常小的单元加以模拟，通过调整 混凝土材料的本构关系来考虑单元尺寸的影响。f r p 单元和混凝土单元直接连接， 通过混凝土单元的断裂破坏来模拟f i 心和混凝土界面的宏观剥离破坏过程。 1 6 论文的研究内容与技术路线 1 6 1 研究内容 本文在充分收集相关资料的基础上，利用有限元分析方法，以通用有限元程 序a n s y s 为操作平台，研究建立c f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的有限元模型，按 锚固形式建立不同的c f i 冲抗弯锚固加固钢筋混凝土梁的有限元模型，分析不同 锚固形式对加固梁受力过程的影响，研究锚固的最佳设置方法。主要内容包括： ( 1 ) 对c f r p 抗弯加固钢筋混凝土梁的剥离破