（固体力学专业论文）碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯力学性能研究.pdf

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，均已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：塑日 期：知蟛- “茸 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了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i l f 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：窆蔓兰坠导师签名：2 垃曰期：丝虹切 山东大学硕+ 论文 摘要 钢筋混凝土桥梁在使用过程中由于自然环境、使用功能改变、损伤累积等因素的 影响，将直接导致结构材料劣化及承载能力下降。同时，随着时间的推移，大量的钢筋 混凝土桥梁将步入老化期，这些因素对结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影 响。面对日益艰巨的公路钢筋混凝土危旧桥梁改造任务，急需找到一种快速、有效、可 靠的加固维修方法。碳纤维增强复合材料加固混凝土结构技术是一项新型、简捷、快速 的混凝上结构加固技术深受国内外学者的重视并已得到了较为广泛的应用和发展。本 文结合山东省交通厅科研项目碳纤维复合材料( c f r p ) 在桥梁加固中的应用研究， 对粘贴碳纤维布用于公路桥梁抗弯加固技术的研究进行了分析和总结。主要内容包括： 1 模拟实际桥梁的损伤状态，对9 根2 7 m 长、截面尺寸为1 5 c m 2 5 c m 的钢筋混凝 土梁进行了系统的抗弯加固对比性试验研究。试验参数包括预裂程度、持载水平以及配 筋率等因素。研究结果表明，粘贴碳纤维布对加固钢筋混凝土预裂梁的刚度、裂缝、受 拉钢筋应变以及抗弯强度有较大的影响。 2 对粘贴碳纤维布抗弯加固梁正截面承载能力极限状态、界限破坏状态以及界限加 固量进行了合理的界定。以混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 、公桥钢筋混 凝土及预应力混凝桥涵设计规范( j t j 0 2 1 8 5 ) 及其讨论稿为依据，提出了碳纤维 布抗弯加固梁受弯承载力计算公式。经与试验值对比，所建议公式具有较高的可靠性， 可用于实际桥梁的抗弯加固设计。 3 为研究粘贴碳纤维布对桥梁结构的加固效果，选取具有代表性且受力明确的公路 钢筋混凝土简支梁桥，进行了加固前后的对比性现场荷载试验。试验结果表明粘贴碳纤 维前j 可有效减小裂缝宽度、降低混凝土应变水平、提高上部结构整体受力的能力。 关键词：钢筋混凝土结构；碳纤维增强复合材料；钢筋混凝土桥梁；桥梁加固：现场试 验；受弯承载能力；结构设计 a b s t r a c t r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sb e c o m es t r u c t u r a l l yd e f i c i e n tf o rs e v e r a lr e a s o n s ，i n c l u d i n g c o r r o s i o no fs t e e l ，i n c r e a s e si na l l o w a b l et r u c kw e i g h t s ，d e t e r i o r a t i o nd u et oa g ea n de x p o s u r e t od e i c i n gs a l t s a l lt h e s er e s u l ti na nu r g e n tn e e dt os t r e n g t h e nm a n yo f t h e s eb r i d g e sw i t ha n e f f e c t i v ea n dr e l i a b l em e t h o d f o rn u m e r o u sd e t e r i o r a t e d ，u n d e r r a t e d ，a n do v e r l o a d e da g i n g b r i d g e si no u rc o u n t r y ，e x t e r n a l l yb o n d e dc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) s h e e ti sa n e f f i c i e n tt e c h n i q u et or e t r o f i to rs t r e n g t h e ne x i s t i n gb r i d g e sd u et ot h e i rh i g ht e n s i l es t r e n g t h ； l i g h tw e i g h t ，r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n ，h i g hd u r a b i l i t y ，a n de a s eo fi n s t a l l a t i o n c o m b i n i n gw i t h t h er e s e a r c h p r o g r a m a p p l i c a t i o n o f 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 ) f o r s 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 r i d g e s o fs h a n g d o n gp r o v i n c e ，t h ek e yt e c h n i q u e so f a p p l i c a t i o no fc f r pc o m p o s i t et os t r e n g t h e nr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sa r es t u d i e d t h e m a j o rc o n t e n t sa r em a i n l ys u m m a r i z e da sf o l l o w ： i a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e do nt h ep e r f o r m a n c eo f2 7 ml o n g r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r e t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a mc o n s i s to fn i n e r cb e a m sw i t har e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o no f15 0 一m m w i d ea n d2 5 0 一i n l n d e e p t h ev a r i a b l e s i n v e s t i g a t e di n t h i sp r o g r a mi n c l u d ep r e - c r a c k i n gl o a d ，i n s t a l l a t i o nl o a dl e v e la n dt e n s i o n r e i n f o r c e m e i a tr a t i o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t h e n i n gp r e c r a c k e db e a m w i t hc f r pc a l ln o to n l ye n h a n c ei t ss t i f f n e s s ，b u ta l s od e c r e a s ec r a c kw i d t ho nt h es u r f a c eo f b e a m sa n dr e d u c et e n s i l es t r a i no fs t e e l 2 ，t h em e t h o dt od e f i n et h eu l t i m a t el i m i ts t a t eo fc a r r y i n gc a p a c i t y ，c r i t i c a lf a i l u r e ， c r i t i c a ls t r e n g t h e n e dq u a n t i t ya n dc r i t i c a lh e i g h tc o e f f i c i e n to fc o n c r e t ec o m p r e s s i v er e g i o ni s s u g g e s t e d d e s i g na l g o r i t h m s i n s p e c i f i c a t i o n s f o r h i g h w a yb r i d g e s a n dc u l v e r t s ( j t j 0 2 1 8 5 ) f o r m a t a s w e l la s c o d e f o r d e s i g no f c o n c r e t es t r u c t u r e s ( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) f o r m a ta r ep r o p o s e dt op r e d i c tt h ec a p a c i t yo fa v a i l a b l eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r ew i t h c f r pr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dd e s i g na p p r o a c hi sc o n s e r v a t i v ea n da c c e p t a b l e 3 f r ps y s t e m sh a v ea l r e a d yu s e dt os t r e n g t h e nc o n c r e t eb r i d g e s ，a n dt h e r ei sa l lu r g e n t n e e df o ri n f o r m a t i o nr e l a t i n gt ot h eb e h a v i o ra n dp e r f o r m a n c eo f t h e s es y s t e m sw h e nt h e ya r e a p p l i e dt or cb r i d g e s l o a dt e s t sw e r ec o n d u c t e d b e f o r e a n d a f t e r i n s t a l l a t i o no ft h e l a m i n a t es y s t e m t h em a i no b j e c t i v e sw e r et o e v a l u a t e ，t h r o u g ht h e b e f o r e a n d a f t e r 生至奎茎竺；! ：兰堡丝兰 i n s t a l l a t i o nl o a dt e s t i n g ，e f f e c t i v e n e s so f t h es t r e n g t h e n i n gs y s t e ma n di n v e s t i g a t ei t se f f e c to n s t r u c t u r a lb e h a v i o r t e s t sr e s u l t si n d i c a t et h a t s t r e n g t h e n i n gr ci n t e g r a lb r i d g e sa n d s i m p l y s u p p o g e dr e i n f o r c e d c o n c r e t eb r i d g e sw i t he x t e r n a l l yb o n d e dc f r pr e i n f o r c e m e n t c a nn o to n l yr e d u c et h ew i d t ho fc r a c k sa n ds t r a i n si nc o n c r e t e ，b u ta l s oi m p r o v et h e t r a n s v e r s el o a dd i s t r i b u t i o ni ns u p e r s t r u c t u r e k e y w o r d s ：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 ；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 s ；r e i n f o r c e d c o n c l 。e r eb r i d g e s ：b r i d g es t r e n g t h e n i n g ；f i e l dt e s t ；f l e x u r a lc a p a c i t y ；s t r u c t u r a ld e s i g n 生童i ；il ：当! 窒l ! i ! 第一章绪论 摘要：根据在役钢筋混凝土桥梁的使用状况以及山东省公路桥梁的实际问 题，指出了本文研究的必要往、迫切性。同时，综合分析了国内外粘贴碳纤 维片加固技术的研究现状，指出现有研究在研究内容、研究方法以及研究成 果等方面存在的不足，并紧紧结合公路钢筋混凝土在役桥梁的应用实际，提 出了本文的研究内容。 桥梁是公路的主要组成部分，维护桥梁的使用状态是确保公路畅通、行车安全的 关键。由于受到车辆以及各种环境因素的作用和影响，公路桥梁在使用期内将产生一系 列病害，如混凝土材料的劣化、钢筋锈蚀等病害。随着时间的推移，大量的公路混凝土 桥梁将步入老化期，这些因素对桥梁结构的安全性、适用性及耐久性产生了较大的影响 ，不同程度地造成桥梁承载潜力降低，甚至危及桥梁的安全运营。同时，随着科技的 进步，社会工业化水平不断提高，车辆载重、车辆速度、车辆流量都较以前发生了很大 的变化，人们对公路的服务水平提出了较高的要求，从而相应增加了公路管理部门的工 作难度。以山东省为例，在国省干线公路桥梁中，按上部结构划分，主要的数量较大的 桥型情况是：空心板粱4 1 2 5 座( 9 5 年以前修建的为1 5 4 l 座) ，实心板梁3 3 2 0 座( 9 5 年以前为1 1 8 6 座) ，板拱7 8 8 座( 9 0 年以前5 2 9 座) ，石拱1 5 0 8 座( 9 0 年前9 1 8 座) ： 双曲拱1 3 8 座( 9 0 年前1 1 8 座) ，箱形梁2 9 9 座( 9 0 年前3 4 座) ，t 粱1 7 7 座( 9 0 年 前5 6 座) 。在交通运输荷载不断增长的压力下，应该说在上述桥梁中，有占4 3 l k 例的 数量( 若除去高速路桥梁让算，这个比例还要高) 修建时问较久，相对也应该是较易发 生病害，需要引起重视、进行重点养护的桥梁群体。尽管主管部门每年都拿出上亿元资 金专项用于桥梁加固或改造，而每年的技术调查都显示，危桥以及需要实施维修加固的 技术状况差的桥梁总在不断出现。 面对同益艰巨的公路钢筋混凝土危旧桥梁改造任务，找到并应用推广快速、有效、 可靠的加固维修方法，是公路养护部门急需所做的项重要工作。碳纤维增强复合材料 加同混凝土结构技术是一项新型、简捷、高效的混凝土结构加固技术，深受国内外学者 的重视并己得到了较为广泛的应用和发展。该技术充分应用了碳纤维增强复合材料 山东大学硕士论文 ( 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 ) 所特有的高比强度、高比模量、耐 腐蚀、抗疲劳、抗蠕变及热膨胀系数小等优点，为混凝土结构加固技术注入了新的活力 ( 2 - s 针对该技术，国内外学者已经进行了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，日 本、美国、加拿大以及部分欧洲国家先后制订了相应的加固设计规范、规程或指南。比 较而言，我国的研究工作起步相对较晚，但也已形成并颁布应用了粘贴碳纤维片加固 混凝土结构技术规程。然而，由于研究工作的相对滞后，可参考的国内文献相对较少， 技术规程中较多地参考了国外的研究成果或规范公式，并且有限的研究成果主要是针对 工业民用建筑的加固特点进行的，在一定程度上限制了该技术在公路桥梁加固领域的推 广应用。实际钢筋混凝土桥梁的破损形态不完全等同于工业民用建筑，如在役混凝土桥 梁通常是带裂缝工作的，即桥梁结构一般处于某种损伤状态，而现有研究成果大都是基 于加固完整梁的室内试验研究，所得结论不能直接应用于钢筋混凝土桥梁的加固工程 中，因此，这一新型混凝土结构加固技术用于混凝土的桥梁加固维修仍有很多问题有待 进一步研究”1 。基于这一工程背景，有必要对预裂( 己开裂，以下各章同) 钢筋混凝土 梁的粘贴加固效果进行系统的试验研究和理论分析，并根据我国公路桥梁设计规范建立 相应的加固设计计算方法，同时应选取具有结构形式及破损状况均有代表性的实际公路 旧桥，采用粘贴碳纤维片技术予以加固，通过进行加固前后的对比性荷载试验，获取实 际桥梁加固效果的对比数据，以分析粘贴碳纤维布对预裂桥梁延性、裂缝宽度、刚度等 基本指标的改善程度，深入研究粘贴碳纤维布加固前后构件受力、变形性能的变化规律， 为这一先进复合材料在公路桥梁加固维修领域的推广应用提供可靠的依据，从而弥补国 内在该领域研究中存在的不足。 本项研究，旨在验证粘贴碳纤维布加固技术在钢筋混凝土桥梁抗弯加固方面应用的 可行性，并建立抗弯加固梁受弯承载能力计算方法，为合理设计提供可靠的指导。在加 固设计理论研究中，通过对加固极限状态的深入分析并合理界定，可以避免以往设计中 出现的过量加固问题，从而更合理、有效、经济地使用碳纤维材料，最大限度地降低工 程造价，保证好钢用在刀刃卜。 1 2 碳纤维材料简介 碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1 5 0 0 。c 所形成的纤维状碳材料( 碳 含量在9 0 以上) ，它是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，具有低密度、高强度、高模量、而j 高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热 山东大学硕士学位论文 导、低热膨胀、耐化学辐射等优良特性，此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度 和比模量优于其它纤维增强体。由于其价格比较高，7 0 、8 0 年代期间，碳纤维主要用于 航天航空等高技术领域。进入九十年代，随着c f r p 增强材料生产工艺的成熟碳纤维 产量和技术水平不断提高，c f r p 材料开始大规模应用于加固建筑结构及桥梁结构。 用于土木建筑结构加固修复的c f r p 材料形式有很多种，按形式可分为：片材、棒 材、型材和短纤维4 种。按力学性能分类可分为：高模量( i 型) 、高强度( i l 型) 和 中等模量( i i i 型) 3 种。按原丝种类分类可分为：聚丙烯睛( p a n ) 基碳纤维和沥青基碳 纤维2 种。1 目前在长纤维的c f r p 中，用于结构加固修复最多的材料形式是片材，其次 是棒材。碳纤维片材分为碳纤维布( c a r b o nf i b e rs h e e t ) 和碳纤维板( c a r b o nf i b e r p l a t e ) 。碳纤维布为连续碳纤维单向或多向排列、未经树脂浸渍的布状碳纤维制品， 使用量最大，每年达近2 0 0 万平方米，合碳纤维重量约5 0 0 6 0 0 吨，且技术最成熟， 美国、日本、加拿大、西欧等国均己有了标准规范。碳纤维板为连续碳纤维单向或多向 排列、并经树脂浸渍固化的板状碳纤维制品，使用量依然较小，但由于该种形式的c f r p 利用效率高，近年使用量增长很快。它具有极优越的品质，抗拉强度大，弹性模量高， 比重小，抗疲劳强度高，耐久性能好，耐磨损，抗腐蚀、徐变及热膨胀系数小以及施工 简捷，工效高，对施工空间要求低，便于在狭窄空间作业等一系列优点。经粘贴与结构 形成一体后，能可靠地与钢筋混凝土共同工作，有效保护构件的混凝土和钢筋不受酸、 碱、赫等介质的腐蚀。在长期承受紫外线照射，以及零下5 4 度严寒或8 2 度高温的极端 条件下，使用碳纤维补强的桥梁构件强度均不会降低，具有优异的补强效果。该种碳纤 维的抗拉强度是普通钢筋的l o 倍以上，弹性模量略高于钢筋。c f r p 棒材既可用于结构 加固，也可用于新建结构中，在结构加固中主要是用于桥梁的体外预应力加固，由于其 良好的耐腐蚀性、极高的耐疲劳性能及易于施工性能等，近年来其用量正逐渐增长，研 究成果也很多，一些国家已有了正式的标准规范。另外，碳纤维没有类似钢筋的屈服点， 在达到抗拉强度之前基本上为弹性状态，因此，碳纤维及其复合材料近年来被迅速推广 和应用，目前已成为土木工程领域内开发和应用的热点。桥梁加固中常用碳纤维布为连 续碳纤维单向或多向排列、未经树脂浸渍固化的碳纤维片材。碳纤维及相关材料主要力 学性能指标比较见表l 。 山东大学硕士论文 表l 碳纤维及相关材料主要力学性能指标比较 性能 碳纤维布碳纤维板玻璃纤维芳纶纤维 a 3 钢板 抗拉强度( m p a ) 3 0 0 0 2 0 0 01 8 6 0 2 6 8 53 4 4 5 4 1 3 5 1 4 0 睥性模量( g p a ) 2 l o1 4 06 9 7 26 9 8 32 0 0 延伸率( ) 2 11 44 5 2 5 0l 热膨胀系数( 1 0 “。c )一l oo6 1 0- 6 21 17 密度( g c m ) 172 2 f2 5 81 2 一1 57 9 粘贴纤维片材加固混凝土桥梁在我国还是新技术，但实践证明粘贴加固法可成为公 路桥梁快速加固方法，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。然而 我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，均以国外进口材料为 主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。由于目前进 口的碳纤维片材及配套粘贴材料单价比较高，对于不重要桥梁的加固设计，在满足加固 效果、耐久性等要求的前提下，可以考虑采用玻璃纤维等材料，以降低加固费用并促进 f r p 的国产化进程。而对于重要的大型桥梁结构，建议采用碳纤维片材加固以保证更好 的加固效果。 在旧桥加固中，碳纤维布或薄板可利用环氧粘合剂直接固定于桥梁加固部位，施工 质量易于保证，不象粘贴钢板法那样还需要用螺栓固定。与粘贴钢板加固法相比，粘贴 碳纤维片加固技术对原结构几乎没有什么损伤，减少了因不良加固带来的安全隐患。同 时，由于加固用碳纤维布是一种抗拉强度高而抗剪强度较低的材料，因此可在施工现场 非常方便地进行裁剪，除混凝土粘贴基面打磨需要小型打磨机具外，整个施工过程不需 要其它施工设备，因此施工非常方便、快捷。经对几个工程实例的对比，加固费用与粘 贴钢板法基本相同。但是，由于碳纤维材料特有的耐腐蚀性，可广泛应用于环境条件比 较恶劣地区的桥梁加固维修，并且，加固后的碳纤维复合材料几乎不需要什么维护工作， 降低了后期养护费用，这一点是粘贴钢板法所无法比拟的。因此，尽管早期投资费用稍 高一些，但其长期综合费用要低于粘贴钢板加固法。从美观角度，碳纤维复合利料加固 层厚度仅为几毫米，基本不改变原结构的设计尺寸，这对于位于景观要求较高地区的桥 梁以及城市桥梁是非常熏要的。尽管目前的市场材料价格稍高，但是随着碳纤维材料、 粘贴用胶国产化程度的不断提高以及市场需求量的不断增大，必将导致碳纤维片材、粘 贴树脂的全面降价，因此，该技术具有广阔的应用前景，已引起公路养护部门的重视。 目前，国内外已有不少研究机构针对公路桥梁开展了相关的应用研究，我国已有应用该 山东大学硕士学位论文 技术加固桥梁的实例见诸报道”1 “。 i 3 碳纤维片加固混凝土结构技术的发展过程 碳纤维是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，具有剥腐蚀、高强、弹性模量与钢相近和抗疲劳性能好等优点，由于其价格比 较高7 0 、8 0 年代期间，碳纤维主要用于航天航空等高技术领域。近年来，随着碳纤维 产量的不断提高，碳纤维复合材料在工程结构加固维修中的应用f 了益广泛，而用粘贴f r p 板或f r p 布代替粘贴钢板的研究始于8 0 年代末。在1 9 9 4 年的美国n o r t h r i d g e 地震和 1 9 9 5 年同本阪神大地震之前，世界各国只有少量的研究工作，加固实例也很少。”。 在广l 本，早在8 0 年代后期就开始了对f r p 片材加固混凝土结构技术的应用研究。 从1 9 9 8 年开始，日本建设省开始了为期5 年的题为建设事业中的新素材、新材料利 用技术的丌发大型综合研究项目。1 9 8 9 年日本土木学会( j s c e ) 连续纤维增强混凝土委 员会币式成立，1 9 9 5 年成立了为期2 年的f r p 专业委员会从事此项技术的研究，1 9 9 6 年f i 本建筑学会也成立了专业委员会以开展关于该技术的推广应用工作。以上努力促使 同本成为f r p 加固技术研究应用比较领先的国家，并已完成了关于连续纤维片材加固、 维修混凝土结构的相关规程。尽管如此，在1 9 9 4 1 9 9 5 年之前，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，直到1 9 9 5 年1 月日本阪神淡路大地震 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，促使这一新型加固技术在实际工程中得以大规模应用。之后，因该技术施工较为便 捷、无污染等等优点，以致短时间内用量剧增，碳纤维片材的年使用量从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 年已迅速增至2 5 0 吨”。同时，加固对象也有初期 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，并己有了指导性的桥梁 加固施工、设计规范“”。 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 l ) 成立了f r p 专业委员会( 托1 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 r p 增 强钢筋混凝土结构技术国际会议( f r p r c s1 ) 。同时，随着国家科学基金( n s f ) 肘f r p 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”， 并己结合混凝土桥梁设计规范进行了必要的研究“。 在加拿大，由于冬季非常寒冷以及广泛使用防冻盐而导致大量的混凝土结构严重 劣化，对f r p 加固混凝土结构技术的研究广为重视，并成立了一个与f r p 增强与维修土 建设施有关的国家重点研究基地。众多的研究机构将研究重点放在了f r p 加固混凝土结 构的应用技术研究方面“1 ，其研究内容包括混凝土梁、板、柱等各类结构的补强加固、 耐久性修复、f r p 在寒冷地区的特性、加固结构的疲劳特性以及f r p 加固野外工程的监 控。因此，尽管加拿大1 9 9 0 年才开始研究f r p 加固修复混凝土结构技术，但在这一领 域的研究水平已经处于领先地位，加拿大桥梁设计规范( 1 9 9 8 年版) 已将该新型结构加 固技术纳入其中“。 在欧洲，f r p 加固混凝土结构的研究与应用非常活跃，该技术己被瑞士、奥地利、 意大利、比利时、希腊、法国和德国等众多国家采用，已有大量的加吲维修实例。如瑞 l 的s i k a 公司采用该技术加固的混凝土工程已经超过l o o o 项，其加固施工的代理公司 分布于许多国家”3 。 我国是在1 9 9 6 1 9 9 7 年开始对碳纤维增强复合材料加固混凝土结构技术进行研究 的，并于1 9 9 8 年开始了实际工程的应用，但该技术用于公路桥梁的加固维修还是最近 几年才开始的。截至目前为止，国内已有众多研究单位参入了此项研究工作，起步较早 的有国家工业建筑诊断于改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川建筑科学 研究院，清华大学、东南大学、天津大学等。通过国内学者数年的努力，粘贴碳纤维片 加固设计、施工规程已经编制完成并进入报批阶段”0 1 。然而，鉴于粘贴碳纤维布加固构 件受力机理的复杂性以及破坏形态的多样性，同时考虑到实际加固结构不同的破损特点 及受力特点，仍有许多问题需要解决，以便完善现有加固规程并为行业加固规范的编制 积累数据，因此，近年来仍有大量的学者在从事该项加固技术的应用研究。近年来，大 连理工大学结合山东省交通厅科研项目碳纤维复合材料( c f r p ) 在桥梁加固中的应用研 究、辽宁省交通厅科研项目桥梁加固改造新工艺、新技术研究以及高校博士点基 金项目玻璃纤维加固钢筋混凝土柱的试验研究，开展了针对公路桥梁破损特点的粘 贴碳纤维布加固技术的室内试验与野外试验相结合的卓有成效的研究工作，取得了丰富 的研究成果。研究内容涉及粘贴碳纤维布抗弯、抗剪加同钢筋混凝土梁的受力性能、加 固柱的受力性能以及碳纤维加固混凝土结构的基本材料力学性能和长期受力性能等方 而的研究”“，从而成为圈内少数比较全面、系统、长期地研究该技术的科研单位之一。 4 粘贴碳纤维片在抗弯加固领域的研究现状 粘贴碳纤维片加固钢筋混凝士梁的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该 领域朐研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整梁的抗弯 山东大学硕士论文 建设施有关的国家重点研究基地。众多的研究机构将研究重点放存了f r p 加固混凝土结 构的应用技术研究方面“1 ，其研究内容包括混凝土梁、板、柱等各类结构的补强加固、 耐久性修复、f r p 在寒冷地区的特性、加固结构的疲劳特性以及f r p 加固野外工程的监 控。因此，尽管加拿大1 9 9 0 年才开始研究f r p 加固修复混凝土结构技术，但在这一领 域的研究水平已经处于领先地位加拿大桥梁设计规范( 1 9 9 8 年版) 已将凄新型结构加 固技术纳入其 i _ 。 在欧洲，f r p 加固混凝土结构的研究与应用非常活跃，酸技术己诎瑞十、奥地利、 意大利、比利时、希腊、法国和德国等众多国家采用，已有丈量的加到维修实例。如瑞 上的s lk a 公司采用陔技术加固的混凝土工程已经超过l o g o 项，其加吲施1 。的代理公司 分如于影r 多国家”1 。 我国是在1 9 9 6 1 9 9 7 年开始对碳纤维增强复合材料加固橱凝土结构技术进行研究 的，井丁1 9 9 9 年开始了实际工程的应用，但该技术用于公路桥梁的加固维修还是晟近 几年才丌始的。截至目前为止，国内已有众多研究单位参入了此项研究工作，起步较早 的有国家t 业建筑珍断于改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川建筑科学 研究院，清华大学、东南大学、天津大学等。通过国内学者数年的努力，粘贴碳纤维片 加固设计、麓工规程已经编制完成并进入报批阶段”。1 。然而，鉴于粘贴碳纤维知加固构 件受力机理的复杂性以及破坏形态的多样性，同时考虑到实际加固结构不同的破损特点 及受力特点，仍有许多问题需要解决，以便完善现有加固规程并为行业加固规范的编制 积累数据，因此，近年来仍有大量的学者在从事该项加j 固技术的应用研究。近年来，大 连理工大学结合山东省交通厅科研项日碳纤维复合栩料( c f r p ) 在桥梁加固中的应用研 究、辽宁省交通厅科研项日桥梁加固改造新工艺、新技术研究以及高校博士点基 金项目玻璃纤维加固钢筋混凝土柱的试验研究，开展r 针嗣公路桥梁破损特点的粘 贴碳纤维布加固技术的室内试验与野外试验相结合的卓有成效的研究工作，取得了丰富 f i c j i j t 究成果。研究内容涉及粘贴碳纤维布抗弯、抗剪加固制筋混凝士粱的受力性能、加 固柱的受力性能以及碳纤维加固混凝土结构的基本材料学i i 能和长期受力性能等方 的研究。“，从而成为图内少数比较全面、系统、长期地研究该技术的科研单位之 。 4 粘贴碳纤维片在抗弯加同领域的研究现状 粘贴碳纤维片加固钏筋混凝十粱的抗弯性能研究是近十年来最为普遍的，国外在该 领域的研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整粱的抗蛮 领域灼研究起步较早，相应的研究成果较多，其中早期的研究成果主要以完整粱的抗弯 山东大学硕士学位论文 加固受力性能为主。2 。研究手段大都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法”9 ”。在已有的研究方法中，碳纤维布主要 粘贴于加固梁的受拉面，也有少数学者针对我国相关技术规程对侧面粘贴的抗弯加固效 果进行了试验验证。根据已有研究的加载方案，国内外学者对次受力问题研究的较多， 对二次受力问题( 持载加固问题) 研究较少。”“”。通过对基于完整梁以及二次受力( 保 持荷载情况) 抗弯加固受力性能的试验研究，目前已就下述结论达成了共识： 1 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； 2 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； 3 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： 4 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； 5 当加载小于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： 6 ，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，即粘贴于加固梁上的碳纤维布( 板) 存在一个综合强度的 问题； 7 在没有可靠锚固措施的情况下，多数加固粱发生了碳纤维布的剥离，加固粱的 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末加固的 参考梁： ， 8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 纤维粕的剥离，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； 9 粘贴等量碳纤维布加固粱的极限承载能力几乎不受粘贴加崮过程中持载程度的 影响，但持载加固对抑制加固梁裂缝扩展及提高刚度是坷i 利的。 以上研究成果解决了粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的基本受力性能，为这一技术 的深入研究与推广应用奠定了一定的基础。然而，由于只是针对完整粱或少数持载加固 粱所进行的研究，无法解释某些公路桥梁粘贴碳纤维布加固前后受力性能的变化规律”1 ， 这就需要针对实际公路桥梁的破损特点进行更深入的研究，因此，关于加固破损梁受力 性能的研究显得尤为重要。 现有的粘贴碳纤维布加固公路桥梁荷载试验表明“，粘贴碳纤维片可明显增加 破损主粱的抗弯刚度，改善梁底混凝土以及受拉钢筋的应变水平，有效抑制混凝土开裂。 根据实际公路桥梁的荷载试验结果以及现有的基于完整加固粱的有关结论，加固完整梁 与加固预裂梁在f 常使用荷载情况下的受力性能有着较大的莘异，这主要表现在加固粱 受拉区钢筋、混凝土的应变降低幅度以及刚度提高程度等方面。而创内外对预裂梁的研 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，因此难以解释实际桥梁的加固效果。尽管存在以上不足，少量的基于预裂 梁的研究成果仍为该技术在桥梁加固领域的应用具有积极的指导意义。下面根据研究目 标的不同，分别介绍国内外研究者在预裂梁加固方面所取得的进展。 m a s h a h a w y 等人( 1 9 9 6 年) 做了预裂板抗弯加固的足尺试验研究，试验包括一根 4 6 5 m 的实心板和一根6 7 5 m 的空心板，两根试验梁均预加载至近极限荷载后卸载，粘 贴碳纤维布后再加载至破坏，但由于实心板预加载程度太大，加固后的极限荷载小于最 大预裂荷载，加固前后试验数据的可比性较差，尽管一定程度上说明了粘贴碳纤维片对 严重破损梁具有极好的加固效果，却未能就加固前后的刚度改善程度及强度提高幅度得 出很好的结论“。 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粱的受力性能，试验包括1 8 个试件，其中9 根模拟了加固板( 板长1 5m ，高宽比小于1 2 ) 的受力性能，9 根模拟了 粱( 梁长2 4 m ，高宽比大于2 ) 的受力性能。针对每一组试件，研究者对参考粱( 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。然而，由于只是针对预裂与完整的比较且预加载程度很小( 仅3 0 屈服荷载) ，未 涉及预裂程度等因素的影响，同时，试验过程中，大部分试件最终发生了剥离破坏，削 弱了试验数据的可比性，影响了加固效果的分析“。 t o mn o r r i s 等人( 1 9 9 7 年) 的研究也涉及到预裂梁加固后的受力性能问题，但未 能得出令人满意的结果”1 。v i c h i t - v a d a k a n 以及m o r i n ( 1 9 9 7 年) 进行了相似的试验研 究，粘贴碳纤维布前，先将试验梁进行预裂，预裂程度以挠度控制( 预加载至极限挠度 的1 2 4 0 ) ，但其试件尺寸较小( 仅0 9 n o ，未能对预裂梁的研究提出有益的结论“”j 。 m o h s o ns 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 、1 1 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 粱，所得结论具有一定的参考价值“”。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，从而一定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。当然，该研究也存在一定的不足如试验粱的保护层较大( 8 c m ) ，这可能是导致 梁底粘贴发生早期破坏的主要因素。已有波兰学者就此问题与m o h s o ns h a h a w y 等人进 行了讨论，但研究者并未给出令人信服的解释。“。因此，文献中关于粱底粘贴易于发生 早期破坏的结论有些不妥，这与国内外的已有研究成果相矛盾。 上述研究均是针对试验室制作的钢筋混凝土构件进行的，对于在役混凝土结构而 言结构的抗力将不可避免地受到结构材料自身性能和使用环境的影响。结构材料( 就 钢筋混凝土结构而言包括混凝土和钢筋) 自身性能的影响主要有碱骨料反应以及混凝土 本身因氯离子含量过高而导致的钢筋锈蚀。使用环境对结构抗力的影响包括冬季在桥面 撒除冰盐、工业污染造成的酸雨、腐蚀性气体以及自然界中存在的腐蚀介质等等因素， 以上因素均将导致结构承载能力的降低，在役的城市、公路桥梁大都存在着因某一种或 多种因素导致的劣化现象。基于这一工程背景，a r d u i n im a r c o 等人2 0 0 2 年研究了野外 环境下的损伤钢筋混凝土梁加固效果，从而开始了针对加固损伤混凝土结构受力性能的 研究工作。研究对象为5 根破损钢筋混凝土梁，均取自一座使用了近4 0 年的公路高架 桥，两片边主梁因风吹雨淋比较严重，混凝土劣化脱落，钢筋锈蚀外露，而3 片内主粱 因位于桥跨中央损伤较轻，因此，5 片主梁可分别代表损伤严重及损伤轻微两种典型的 加固情况。该研究的试验准备工作包括试验梁混凝土保护层的修复、修复后混凝土粘贴 基面的处理以及碳纤维布的粘贴，一定程度上模拟了野外桥梁可能进行的粘贴加固过 程。研究重点为粘贴碳纤维布加固破损梁的受弯性能，包括加固梁强度、刚度的提高以 及平截面假定等内容。研究结果表明：粘贴碳纤维布对加固梁弹性阶段的刚度影响不明 显；加固梁的配筋率越低，抗弯强度的提高量越大：加固梁抗弯强度的提高量不一定随 粘贴层数的增加而增加，取决于加固梁的破坏形态：碳纤维布端部的u 型锚固可有效防 f ：早期破坏的发生；加固梁在加载至极限荷载的6 0 - - 7 0 过程中，加固梁截面仍满足平 截面假定，而加载至更高荷载水平时，因局部的碳纤维布与混凝土基面剥离而出现偏差； 达破坏极限时，混凝土修补层与原主梁混凝土可保持受力过程的完整性。“。a r d u i n i 山东大学硕士论文 m a r c o 等人所做研究的重要意义在于首次进行了破损严重混凝土梁的加固问题，证实了