（森林工程专业论文）碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究.pdf

摘要 随着国民经济的发展，交通运输任务量大幅度增长，行车密度及车辆载重越来越 大，对桥梁的承载能力要求越来越高。而现有在役桥梁中，部分桥梁( 特别是八十年代 以前修建的桥梁) 由于当初设计标准低，或结构陈旧老化，致使承载能力降低，已不能 满足交通发展的需要，严重危及桥梁正常运行。此外，8 0 年代后修建的桥梁由于设计或 施工质量原因，亦有一部分桥梁出现不同程度的病害和损伤。因此，我国需加固改造的 旧有桥梁的数量很大，任务繁重。在这种工程背景下，研究人员和工程师亟需研究开发 一种快速、简捷、安全、可靠、经济、适用的旧有结构物加固改造方法。碳纤维材料作 为一种新型复合材料，以其抗拉强度高、质量轻、耐腐性好、施工方便等优点，受到广 大工程界人士的青睐。本文从2 0 0 2 年开始，对c f r p 布加固钢筋混凝土梁的受力性能进 行了较系统的试验研究和理论分析，共进行了1 6 片抗弯梁、5 片锚固梁、3 片疲劳试验 梁及3 个温度试件的试验研究，研究内容包括c f r p 布加固钢筋混凝土梁抗弯性能分 析、刚度分析、附加锚固分析、温度应力分析及低温疲劳性能分析等。 本文通过碳纤维布加固钢筋混凝土梁与未加固梁的抗弯试验，分析了碳纤维布对加 固梁的抗弯承载力、刚度、裂缝分布及钢筋应变等的影响；验证了c f r p 布加固钢筋混 凝土梁平面变形假设仍然成立；探讨了混凝土标号、碳纤维层数、配筋率等参数对加固 效果的影响：根据非线性有限元原理采用分层法编制了碳纤维布加固钢筋混凝土梁极限 承载力计算机仿真程序，并应用此程序对试验梁进行了仿真分析，在此基础上重点研究 了碳纤维极限拉应变折减系数；对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的极限破坏状态进行了分 析，叙述了各种破坏状态下极限承载力的实用计算方法；采用桥规规定的材料强度 取值，应用简化公式对试验梁及其他作者的试验梁进行计算，探讨了简化公式的安全储 备。 本文在试验梁结果基础上，分析了碳纤维布加固钢筋混凝土粱截面刚度变化规律； 参照结构设计原理中的钢筋混凝土梁刚度计算方法，考虑碳纤维布的约束作用，推导了 使用阶段在短期荷载效应组合作用下加固梁刚度历的计算公式，并与试验值及其它计 算方法进行了对比分析；利用分层法，编制了计算钢筋屈服至梁破坏阶段挠度计算的计 算机仿真程序，并将程序计算结果与试验结果进行了对比分析。 本文分析了碳纤维布加固钢筋混凝土梁产生剥离的原因，并通过5 片锚固梁的试 验，分析了梁的破坏形态，探讨了u 型箍条宽、间距等因素对碳纤维布加固梁抗剥离效 果的影响。 本文通过3 个温度试件的试验，分析了碳纤维布加固混凝土梁温度应力的变化规 律：根据变形协调原理，推导了碳纤维布加固混凝土构件温度应力的解析解，并采用 a n s y s 软件对碳纤维布加固混凝土构件的温度应力进行了仿真分析。 本文利用低温自然环境，采用偏心起振机对试验梁施加疲劳荷载，通过低温疲劳试 验分析了碳纤维布加固钢筋混凝土梁的低温疲劳胜能。 最后，对论文的研究成果进行总结，指出本文的创新点及值得进一步研究的问题。 关键词碳纤维布：钢筋混凝土梁；加固：低温；试验研究；承载力：刚度；疲劳 一：一：= = = = 一：奎苎堑些奎兰堡兰耋耋望窒! 一= ：= = = ： a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n df a s ti n c r e a s eo ft r a f f i cf l o w , r u n n i n gv e h i c l e d e n s i t ya n dv e h i c l el o a dc a p a c i t ya r eb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , r e q u i r i n gh i g h e rb e a r i n g c a p a c i t yo fb r i d g e s a m o n ge x i s t i n gb r i d g e s ，p a r to ft h e mc a nn ol o n g e rm e e tt h ed e m a n df o r t r a f f i cd e v e l o p m e n td u et oi n f e r i o rd e s i g ni nt h ep a s ty e a r so ro l da n da g e ds t r u c t u r e s ， e n d a n g e r i n gn o r m a lo p e r a t i o no ft h eb r i d g e s i na d d i t i o n ，d i s e a s e sa n dd a m a g e st o o kp l a c et o s o m eb r i d g e sb u i l ti nt h e8 0 sd u et oi n f e r i o rd e s i g no rc o n s t r u c t i o nq u a l i t y t h e r e f o r e ，w eh a v e al o to fe x i s t i n gb r i d g e st h a tn e e dt ob er e i n f o r c e do rt r a n s f o r m e di no u rc o u n t r y t h i si sa h e a v yt a s k i ns u c he n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，i ti su r g e n tf o rr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r st o d e v e l o paf a s t ，s i m p l e ，s a f e ，r e l i a b l e ，l o w - c o s t ，a n da p p l i c a b l em e t h o df o rr e i n f o r c i n ga n d t r a n s f o r m i n go l ds t r u c t u r e s a san e w - t y p ec o m p o u n dm a t e r i a l ，c a r b o nf i b e rp o l y m e rm a t e r i a l h a sb e c o m eaf a v o r i t eo fa l lp e o p l ei nt h ee n g i n e e r i n gc i r c l ed u et oi t sa d v a n t a g e si nh i g h t e n s i l es t r e n g t h ，l i g h tw e i g h t ，g o o da n t i c o r r o s i o np e r f o r m a n c e ，a n ds i m p l i c i t yi nc o n s t r u c t i o n w eb e g a ns y s t e m a t i ct e s ts t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so np e r f o r m a n c e so fc f r pr e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a ma g a i n s ts t r e s s e sb yt h i sp a p e rf r o m2 0 0 2 w ec a r r i e do u tt e s t sa n ds t u d yo n16 b e n d i n gb e a m s ，5a n c h o r i n gb e a m ，3f a t i g u et e s tb e a m s ，a n d3t e m p e r a t u r et e s tp i e c e s t h e s c o p eo fo u rs t u d yc o v e r sa n a l y s i s o ns t r e s sp e r f o r m a n c e s ，r i g i d i t y , a t t a c h e da n c h o r a g e ， t e m p e r a t u r es t r a i n ，a n dl o w t e m p e r a t u r ef a t i g u ep e r f o r m a n c e so fc f r pr e i n f o r c e db e n d i n g b e a m t h r o u g hb e n d i n gt e s t so nr e i n f o r c e db e a ma n du n r e i n f o r c e db e a mb yt h i sp a p e r , t h e i n f l u e n c e so fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e m e n to nb e n d i n gb e a r i n gc a p a c i t y , r i g i d i t y , c r a c k d i s t r i b u t i o n ，a n ds t e e lb a rs t r a i no ft h eb e a m sa r ea n a l y z e d i ti sp r o v e dt h a tt h ea s s u m p t i o no f p l a n ed e f o r m a t i o no fc f r ps t r e n g t h e n e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi st e n a b l e t h ei n f l u e n c e s o fc o n c r e t eg r a d en u m b e r , n u m b e ro fl a y e r so f c a r b o nf i b e r , r a t i oo fr e i n f o r c e m e n ta n do t h e r p a r a m e t e r so ne f f e c to fr e i n f o r c e m e n ta r es t u d i e d ac o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a mh a sb e e n w o r k e do u tt oc a l c u l a t et h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e db e a mb y h i e r a r c h i c a lm e t h o do nb a s i so fn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l e t h ep r o g r a mi su s e dt o c a r r yo u ts i m u l a t i o na n a l y s i so nt h et e s tb e a m s o ns u c hb a s i s ，f o c u si sp u to ns t u d yo fu l t i m a t e t e n s i l es t r a i nr e d u c t i o nc o e f f i c i e n to fc a r b o nf i b e rp o l y m e r a n a l y s i si sm a d eo nt h eu l t i m a t e f a i l u r es t a t eo fc a r b o nf i b e rp o l y m e rr e i n f o r c e db e a m p r a c t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h e u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yu n d e rv a r i o u sf a i l u r es t a t e sa r ed e s c r i b e d t h es p e c i f i e ds t r e n g t h v a l u e so fm a t e r i a l sb yt h e c o d e so fb r i d g e a r ea d o p t e dt om a k ec a l c u l a t i o nw i t hs i m p l i f i e d f o r m u l af o ro u rt e s tb e a m sa n do t h e ra u t h o r s t e s tb e a m s t h es a f e t yr e s e r v e so ft h es i m p l i f i e d f o r m u l aa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h er e s u l to ft e s tb e a m s ，t h el a wo fc h a n g eo fr i g i d i t yo f c a r b o nf i b e rp o l y m e r r e i n f o r c e db e a mc r o s s s e c t i o ni sa n a l y z e d i nr e f e r e n c et ot h ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rr i g i d i t yo f s t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi nc o n f o r m i t yt ot h es t r u c t u r ed e s i g np r i n c i p l e sa n dt a k i n gi n t o 1 1 c o n s i d e r a t i o no ft h ec o n s t r a i n tf u n c t i o no fc a r b o nf i b e rp o l y m e r , af o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h e r i g i d i t yo fr e i n f o r c e db e a mb su n d e rc o m b i n a t i o no fs h o r t t e r m l o a de f f e c td u r i n gs e r v i c e p e r i o di sd e r i v e d ，a n dc o m p a r i s o na n da n a l y s i sa r em a d et ot h et e s tv a l u e sa n dr e s u l t so fo t h e r c a l c u l a t i o nm e t h o d s ac o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a mh a sb e e nw o r k e do u tt oc a l c u l a t et h e d e f l e c t i o no ft h eb e a mf r o my i e l ds t a t eo fs t e e lb a r st of a i l u r es t a t eo ft h eb e a m c o m p a r i s o n a n da n a l y s i sa r cm a d eo nt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o nb yt h ep r o g r a ma n dt e s tr e s u l t s r e a s o n sf o rs p a l l i n go fc a r b o nf i b e rp o l y m e rr e i n f o r c e db e a m sa r ea n a l y z e db yt h i sp a p e r t h r o u g ht e s t so n5a n c h o r i n gb e a m s ，t h ef o r m so ff a i l u r eo ft h eb e a m sa r ea n a l y z e d ，a n d i n f l u e n c e so ft h ew i d t ha n ds p a c i n go fu s h a p es t r a i ns t r a k e so t lt h ea n t i - s p a l l i n ge f f e c to f c a r b o nf i b e rp o l y m e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a ma r ea n a l y z e d t h r o u g ht e s t so nt h r e eg r o u p so f t e m p e r a t u r et e s tp i e c e s ，t h el a wo f c h a n g eo f t e m p e r a t u r e s t r a i no f c a r b o nf i b e rp o l y m e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mi sa n a l y z e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f c o m p a t i b i l i t yo fd e f o r m a t i o n ，a n a i 【y t i cs o l u t i o nf o r t h et e m p e r a t u r es t r a i no fc a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r a lm e m b e r si sd e r i v e d a l s oa n s y ss o f t w a r ei su s e dt om a k e s i m u l a t i o na n a l y s i so nt e m p e r a t u r es t r a i no f c a r b o nf i b e rp o l y m e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r a l m e m b e r s u n d e rn a t u r a ll o w - t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n ta n dw i t hf a t i g u el o a da p p l i e dt ot h et e s t b e a m sb ye c c e n t r i cv i b r a t o r t h el o w - t e m p e r a t u r ef a t i g u ep e r f o r m a n c e so f c a r b o nf i b e rp o l y m e r r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m sa r ea n a l y z e dt h r o u g hl o w t e m p e r a t u r ef a t i g u et e s t s a tl a s t ，s u m m a r yi sm a d eo nt h er e s u l t so fr e s e a r c hb yt h i sp a p e r , h i g h l i g h t i n gt h e i n n o v a t i v ep o i n t so f t h i sp a p e ra n dp r o b l e m st h a ta r ew o r t hf u r t h e rs t u d y i n g k e y w o r d sc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ；r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ；r e i n f o r c e m e n t l o w - t e m p e r a t u r e ；t e s ts t u d y ；b e a r i n gc a p a c i t y ；r i g i d i t y ；f a t i g u e 1 1 1 1 1 研究的必要性及意义 1 绪论 交通事业的迅速发展，为公路桥梁建设和改造工作提供了良好的发展机遇。据不完 全统计，截止2 0 0 3 年末，我国已建成永久性公路桥梁3 1 0 8 万座，其中特大桥梁2 1 5 5 座。虽然近年来，交通事业发展迅速，但是，我国幅员辽阔，就整个公路网丽言，旧桥 数量大，其中一部分旧桥承载能力不足，不能满足现代交通的需要“2 1 。因此。旧桥加 固课题具有重要的研究价值和广阔地应用前景。 ( 1 ) 危桥数量大，加固改造任务繁重 1 ) 设计荷载标准低，导致承载力不足； 2 ) 桥梁设计规范不断更新，设计标准不断提高，导致承载力与实际交通不符； 3 ) 随时间地推移桥梁材料不断劣化，桥梁损伤加剧； 4 ) 超载车辆使桥梁技术状况下降，损伤加剧； 5 ) 设计标准低，桥面行车道宽度不足； 6 ) 由于“重建轻养”，损伤桥梁得不到及时维修，桥梁损伤日趋严重： 7 ) 设计考虑欠周及施工质量欠佳，致使桥梁使用寿命缩短。 据不完全统计，截止1 9 9 8 年末，我国公路危桥有近4 1 0 5 座。因此，桥梁加固改造 任务十分繁重。 ( 2 ) 研究新的桥梁加固技术是公路建设可持续发展的需要 在短时间内重建国、省道上的危桥，不仅需要大量投资，而且影响到重点工程建 设，这有悖于桥梁建设的可持续发展。即使世界上最发达的国家，现在也竞相投入人力 和物力，从事旧桥加固技术的研究。在兴建新桥的同时，仍然十分重视旧桥的使用价 值。所以，交通部要求各级主管部门在公路建设中要积极贯彻“建养并重”方针，切实 纠正“养路不养桥”的倾向。将桥梁检查、维修、加固和改造工作列入议事日程，随时 发现桥梁发生的病害和出现的缺陷，并及时采取相应措施予以消除，确保桥梁安全运 营，这是防患于未然的最实际的措施。 从国民经济发展总体考虑，通过对旧桥加固、改造与利用，是维护公路交通正常运 营的积极措施，任务虽然艰巨，但其意义和影响是深远的。因此，应当引起各级公路主 管部门的充分重视，积极引进和开发旧桥加固与改造的先进技术、材料和设备，合理确 定加固、改造方案，使旧桥尽可能发挥作用，让有限资金发挥更大的效益，使我国桥梁 建设真正步入“建养并重”的可持续发展道路。为加强此项工作，总结旧桥加固改造的 成功经验，自2 0 0 0 年起，中国公路学会桥梁和结构专业委员会每年举办一次公路桥梁 维修与加固技术研讨会。目前，公路桥梁上部结构加固采用的主要方法有p 7 l ： 1 ) 桥面补强层加固法 在梁顶上加铺一层钢筋混凝土层，一般先凿除旧桥面，使其与原有主梁形成整体， 增大主梁有效高度和抗压截面面积、改善桥梁荷载横向分布，从而达到提高桥梁的承载 东北林业大学博十学位论文 能力之目的。 2 ) 增大截面和配筋加固法 当梁的强度、刚度、稳定性和抗裂性能不足时，通常采用增大构件截面、增加配 筋、提高配筋率的加固方法。这种方法是在梁底面或侧面加大尺寸，增配主筋，提高梁 的有效高度和抗弯能力。从而提高桥梁的承载力。该法广泛用于梁桥及拱桥拱肋的加 固。 3 ) 锚喷混凝土加固法 借助高速喷射机械，将新混凝土混合料连续地喷射到已锚固好钢筋网的受喷面上， 凝结硬化而形成钢筋混凝土，从而增大桥梁的受力断面和钢筋用量，加强结构的整体 性，使其能承受更大的外荷载作用。 4 ) 粘贴钢板加固法 当交通量增加，主梁出现承载力不足，或纵向主筋出现严重腐蚀的情况时，梁板桥 的主梁会出现严重的受力裂缝。采用粘结剂及锚栓，将钢板粘贴锚固在混凝土结构的受 拉缘或薄弱部位，使其与结构形成整体，以钢板代替增设的补强钢筋，达到提高粱的承 载能力的目的。这种加固方法的特点是： ， 不需要破坏被加固的原构件的尺寸； 旖工工艺简单，施工质量较容易控制； 施工工期短。 5 ) 改变结构受力体系加固法 这种加固、改造方法是通过改变桥梁结构受力体系，达到提高桥梁承载能力的目 的。如：在简支梁下增设支架或桥墩，或把简支梁与简支梁纵向加以连接，由简支变连 续，或在梁下增设钢桁架、叠合梁等，以减小梁内应力，达到提高梁承载能力之目的。 改变结构体系的方法有多种，但往往都需要在桥下操作，或设置永久设施，因而减 少桥下净空，施工时会影响通航。 6 ) 体外预应力加固法 对于钢筋混凝土或预应力混凝土梁或板，采用对受拉区施以体外预加力加固，可以 抵消部分自重应力，从而较大幅度地提高梁的承载能力。 体外预应力加固法的优点是： 在自重增加很小的情况下， 重结构的刚度及抗裂性能； 由于承重结构自重增加小， 及基础的加固费用。 能够大幅度改善和调整原结构的受力状况，提高承 故对墩台及基础受力状况影响很小，可节省对墩台 7 ) 增设纵梁加固法( 拓宽改建) 在墩台地基安全性能好，并具有足够的承载能力的情况下，可采用增设承载力高和 刚度大的新纵梁，新梁与旧梁相连接，共同受力。由于荷载在新增主梁后的桥梁结构中 重新分布，使原有梁中所受荷载得以减少。当增设的纵梁位于主梁的侧或两侧时，则 兼有加宽的作用。 8 ) 新材料加固技术 随着科学技术的进步与发展，我国自1 9 9 7 年以来，开始引进和吸收国外采用的新 1 绪论 材料加固技术，相继开展了碳纤维( 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 , 下简称c f r p ) 布、碳纤维板材、玻璃纤维( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，以下简称g 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 o l y m e r ，以下简称a f r p ) 及预应力碳纤维布等加固技术 的研究及工程应用，并取得了一定的成绩 8 15 1 。其中，c f r p 布以其独特的优点，倍受 工程界人士的青睐，其优点主要体现在以下几个方面： 加固对象广泛，可以是混凝土结构、预应力混凝土结构、木结构及砌体结构 等； 强度高，其抗拉强度一般在3 0 0 0 m p a 4 2 0 0 m p a ： 自重轻，一般碳纤维布每平方米重量为2 0 0 3 0 0 9 ，加固后基本不增加原结构自 重； 具有柔韧性，能很容易的包裹在梁、柱、墙、天花板、管道及各种复杂结构表 面； 碳纤维布厚度很小，包括粘胶在内，加固的总厚度一般在1 2 r a m 左右，不占 用建筑空间，使结构净空得以充分利用； 具有良好的耐腐蚀性和抗老化能力，对酸、碱和盐类物质的抗腐蚀能力强，还 可以防水，可长期经受核辐射和紫外线照射。在5 4 c - - 8 2 c 温度环境下，强度不降 低。经室内加速老化试验，可历时4 0 年性能不变； 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： 具有良好的抗震性，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； 加固材料的运输、存储、装卸、施工及维护过程简单、费用低； 施工方便，不需大型机械，对施工环境的要求不高，用工少； 综上所述，用碳纤维布加固建筑结构与传统的加固方法相比，在许多情况下具有十 分突出的优点。当然，碳纤维布具备上述的优点的同时，也有自身的一些缺点，例如 c f r p 断裂延伸率较小，破坏时具有突然性：具有导电性：材料价格相对较高。 采用碳纤维布对结构进行加固，我国只有十余年的历史，对这项技术的研究还不完 全，还有许多基础及应用性研究工作要做。我国对这项工作的研究和应用起先于建筑结 构领域，而桥梁工程领域的科研人员和工程师涉足较晚，2 0 0 0 年后才开始认识到该项技 术的优势，并开始在实际桥梁加固工程中有所应用。2 0 0 0 年1 1 月，在厦门召开的中国 公路旧桥改造与维修技术研讨会上，有6 篇论文介绍了碳纤维布对旧桥进行维修与加固 的经验，这已充分说明了桥梁工程界对碳纤维材料和技术的关注和重视。 综上所述，我国旧桥维修与加固工作量巨大，任务十分繁重，研究与开发加固效果 好、性能可靠、旖工方便、施工工期短及综合成本低的加固维修方法，并与现有加固方 法，形成优势互补，根据桥梁病害特点，因病施治，或采取多种办法综合改造是桥梁加 固维修领域的重要研究课题。 对于碳纤维材料加固技术的研究工作，桥梁工程领域较建筑结构领域相比较少，且 由于桥梁的使用功能与建筑结构不同，设计规范亦不尽相同。因此，在应用碳纤维材料 对桥梁加固时，不能完全照搬建筑结构领域的研究成果，应针对桥梁结构特点，对这项 技术进行必要的补充和完善，以充分发挥这项技术在桥梁结构加固领域的作用。因此， 本文结合桥梁工程加固这一需要出发立题，对碳纤维布加固钢筋混凝土构件的受力性能 进行研究，是十分必要的，具有较高的实际应用价值。 1 。2 碳纤维应用于结构加固的研究现状 结构加固中应用的碳纤维材料主要包括碳纤维片材、碳纤维棒材和碳纤维型材，见 图1 - 1 。碳纤维片材包括碳纤维布和碳纤维板，一般通过环氧树脂类粘接剂粘贴于混凝 土受拉区表面，是用于结构加固修复最多的一种材料形式；碳纤维棒材通常作为传统钢 筋的替代材料，既可用于旧有结构的补强加固，亦可用于新建结构中。对于碳纤维棒材 进行张拉后，可对结构进行体内或体外预应力加固；碳纤维型材包括多种，但目前应用 的仅有格状材料一种，且用量很少。 ( a ) 片材( b ) 棒材 ( c ) 格状材 ( a ) p l a t em a t e r i a l( b ) b a rm a t e r i a l( c ) c e l l u l a rm a t e r i a 图1 - 1 碳纤维材料的主要形式 f i g 1 1m a i nt y p eo f c f r pm a t e r i a l 碳纤维( c f r p ) 用于结构加固始于八十年代日、美等发达国家，特别是在日本阪 神大地震后，应用逐渐广泛。1 9 8 2 年，文献 1 5 】首先在瑞士联邦材料实验室( e m p a ) 进行了c f r p 加固混凝土的试验研究。1 9 9 1 年，美国混凝土协会( a c i ) 成立了专业委 员会( a c l 4 4 0 ) ，并于1 9 9 3 年在加拿大温哥华组织召开了第一届c f r p 增强钢筋混凝土 结构的国际会议( f r f r c s 1 ) ，此后该会议每两年举办一次。同本在c f r p 方面的研 究、开发和应用一直占领先地位，并编制了各种设计手册、旋工指南和规范等。 在我国，自1 9 9 7 年以来，以东南大学、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中 心、清华大学为代表的高等院校和科研机构对c f r p 加固混凝土结构进行了较为系统的 研究，并取得了一系列的成果。东南大学自1 9 9 7 年成立以吕志涛院士为首的c f r p 加 固混凝土结构课题组以来，与日本茨城大学及国内有关单位合作，围绕该项新技术进行 了一系列的研究和推广应用工作，完成梁、柱、板、框架等1 0 0 多个试件的试验研究， 研究内容包括抗弯、抗剪和抗扭承载力、抗震及粘结机理等，并在c f r p 和配套胶的国 产化方面做了较多的研究。同时，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、东南大 学、北京特希达科技有限公司等单位己完成多项实际工程的加固。此外，我国于2 0 0 3 编制了“碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程”【i “。 1 绪论 1 2 1 碳纤维加固钢筋混凝土构件受弯性能的研究 文献【8 ，1 7 4 8 】，通过静载试验对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯性能进行研究。 对碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯构件的破坏形态、极限抗弯承载力的计算方法及影响 承载力的各项因素如配筋率、混凝土强度、梁的高跨比、剪跨比、碳纤维用量等进行了 研究，并对碳纤维布加固梁满足平面变形假设进行验证，认为碳纤维布加固梁破坏与钢 筋混凝土梁相似亦分为三个阶段。粘贴碳纤维布后，可以提高梁的承载能力，但随着碳 纤维布用量的增加，承载力提高的幅度减少。在钢筋混凝土梁开裂以后，碳纤维布能够 约束裂缝的发展，随着荷载的增大裂缝发展缓慢，裂缝宽度和高度较钢筋混凝土梁小， 裂缝间距小、数量多；钢筋屈服后，裂缝长度和宽度发展较快。钢筋屈服后由于碳纤维 布的约束作用，加固梁仍然能够承受一定的荷载。在承载能力计算方法上，假设碳纤维 布与混凝土不剥离；假设加固梁满足平面变形假设；假设不计混凝土受拉区的作用；受 压区采用钢筋混凝土结构承载能力计算时采用的混凝土压应力应变嗌线( 但各方法采 用的曲线模式不同4 扣5 1 l ；钢筋应力应变关系采用理想的弹塑性模型或强化模型4 9 5 3 1 。 在上述假定的基础上，提出了碳纤维布加固梁在不同破坏形态下承载力的简化公式，这 些破坏状态主要包括：纵筋屈服后混凝土压坏；纵筋屈服后碳纤维拉断；纵筋屈 服前，混凝土压坏【5 。在上述假设条件下，对承载能力的计算，目前各家研究成果意见 基本统一。 国内外不少学者【5 ”5 8 】，采用有限元法对碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件的受力特 性进行了计算机仿真分析。 由于旧有桥梁加固时，加固前已承受原桥恒载，即加固构件存在二次受力问题。加 固后碳纤维布的应变滞后于试件的应变，因此应对二次受力情况下承载力的计算方法进 行分析。碳纤维布粘贴前，构件受初始荷载作用，梁底部粘贴碳纤维位置存在一定的初 始应变，此微应变即为碳纤维的滞后应变。粘贴碳纤维后，构件继续承受荷载，极限状 态下碳纤维发展的应变为碳纤维的实际应变。实际应变和滞后应变之和即为极限状态下 构件在该位置的应变，即应满足平面变形假定的应变。因此，二次受力加固梁的关键问 题是碳纤维滞后应变的计算【5 。文献 5 7 - 5 9 ，假设构件在碳纤维加固前存在初始弯矩 m o ，在m o 作用下混凝土压应力应变关系为线性关系，即受压区处于弹性阶段，不考虑 受拉区混凝土的作用，据此计算出碳纤维的滞后应变t 。；由于应变满足平面变形假 定，据此算出钢筋屈服时或极限承载力状态下的碳纤维的名义应变s 。，将其减去滞后 应变，即为碳纤维的实际应变；假设碳纤维布与混凝土之间可靠粘结，无相对滑移。在 此基本假定基础上，结合试验结果研究了碳纤维加固梁考虑初应力时抗弯承载力的计算 方法。文献【1 6 】给出了考虑二次受力时，加固前在初始弯矩作用下，截面受拉边缘混凝 土初始应变的具体计算方法。 国内外许多学者研究成果表明，碳纤维布加固梁的计算破坏状态与试验破坏状态基 本吻合，但计算值存在一定程度的偏高。这主要是由碳纤维强度指标是由材料试验中标 东北林业大学博士学位论文 准试件的强度确定的，而实际结构中碳纤维的施工条件、受力状态与标准试件不同，因 此在碳纤维布加固结构中应考虑降低碳纤维的作用。文献【1 6 ，4 8 ，6 0 6 2 在碳纤维布加固 梁承载力的计算公式中均考虑了碳纤维的降低系数，但各研究者的降低程度不统一，有 的甚至存在较大的差异。其中，文献【4 8 】，除考虑碳纤维强度折减外，还考虑了粘贴层 数及条宽的影响。 1 2 2 碳纤维加固混凝土构件粘结破坏及锚固措施 对于碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件，通常出现剥离破坏，导致碳纤维抗拉强度 得不到充分发挥。文献 6 0 6 7 对于应用碳纤维、玻璃纤维及芳纶纤维等纤维增强塑料 进行了钢筋混凝土受弯构件的加固试验。结果表明，增强纤维材料加固的钢筋混凝土 梁，主要以下几种破坏：纵筋屈服后，混凝土压碎：纵筋屈服后，纤维拉断；纵 筋屈服前，混凝土压坏等破坏状态；弯剪裂缝出现导致的碳纤维剥离，从而导致加固 梁破坏；碳纤维刚度变化处( 例如片端) 存在应力集中，使该处混凝土出现裂缝，致 使混凝土与钢筋界面处发生保护层的剪切破坏；由于碳纤维与混凝土的粘结强度不足 而导致的锚固破坏。其中，、种破坏又称早期破坏，试件破坏时，碳纤维没有 充分发挥其极限强度，材料利用率较低，在加固设计中宜采用附加锚固措施，以尽量避 免或延迟其发生。 文献 6 8 8 1 1 对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的粘结破坏与剥离机理进行研究，并对 锚固措施的形式及锚固效果进行了探讨。m i c h e a lj c h a j e 【6 s 】通过试验讨论了表面处理方 法、胶的选择以及混凝土强度对粘结强度的影响，并对应力传递规律进行了分析。试验 结果表明：表面处理对粘结强度的影响较大，机械打磨混凝土表面可以得到最佳的粘结 能力( c f r p 表面也要处理) ；对胶的选择要考虑平均剪切强度、适用期、胶的各部分配 比的敏感性、施工时的粘度及经济性；如果粘结破坏是由混凝土的剪切破坏引起的，那 么粘结强度与疋( f - 为圆柱体抗压强度) 成正比；在使用荷载附近，c f r p 靠沿着粘 结长度的应变分布接近线性分布，即剪力传递是均匀的；粘结界面有一粘结长度限值 ( 有效粘结长度) ，即使粘结长度超过此限值也不能提高粘结承载力，即应力传递只发 生在一定长度内，超过该长度的其余粘结部分只传递非常小的粘结剪力。 b r i a nm i t l e r 6 9 l 进行了c f r p 布与混凝土的粘结强度的试验研究，指出c f r p 布与混 凝土之间的剪力传递存在有效粘结长度；混凝土强度对粘结强度无影响；c f r p 布厚度 对粘结强度影响较大；有效粘结长度l 。= 一o 4 3 2 ( t 。j e 4 ) + 9 4 3 ，其中t 矿为c f r p 布的厚 度，e 。，为c f r p 布的弹性模量；可传递的极限剪力= 8 8 l 。玩点矿0 1 0 。，其中b c ，为 c f r p 布的宽度，以为加固构件的宽度，系数8 8 为有效粘结长度上的平均应变梯度。 k b r o s e n s 7 卅通过非线性断裂力学理论提出了有效粘结长度的计算方法：可传递的 极限剪力= b 4 2 g r 岛白，其中蛞为c f r p 布的宽度，g ，为断裂能，e f ，为c f r p 1 绪论 布的弹性模量，t ，为c f r p 布的厚度；同时提出了混凝土与c f r p 布粘结剪应力与滑移 的双线型关系曲线及各关键点的计算方法。 t u e d a 7 1 1 在试验研究的基础上得出以下结论：粘结长度超过1 0 0 m m 后，随着粘结 长度的增加，可传递的最大剪力几乎不变：随着c f r p 布刚度增加，粘结强度增加， c f r p 布应变梯度降低，c f r p 布的刚度为c f r p 布弹性模量与厚度的乘积；c f r p 布的 宽度减小，粘结强度增加；在受偏心荷载作用时，最大应变处发生破坏时的极限应变与 轴心受载时相同；加钢板锚固可提高粘结强度；最大局部粘结应力 f 。= o 1 9 t 矿e 0 7 3 m p a ，其中t 矿为c f r p 布的厚度，e d 为c f r p 布的弹性模量。 t , c t r i a n t a f i l l o u l 7 1 】对早期破坏时加固梁的承载力进行了分析，指出由于弯剪裂缝的 存在，在纵筋及c f r p 内产生销栓作用而产生水平及竖向位移( w ，v ) ，销栓力v 与纵筋 及c f r p 的剪切刚度有关，而v 为外荷载的一部分，当上达到极限状态时发生剥离破 坏，可以设外荷载p = z 57 例，通过试验可得兄，从而判断不同g ( 界面剪切刚度) 时 的破坏荷载。 a m i rm m a l e k 7 3 1 通过c f r p 及钢筋混凝土梁的平衡微分方程及变形协调条件，给出 了交界面处最大剪应力、正应力的计算方法。通过与有限元法及试验结果的对比，该方 法的计算结果比较令人满意。通过该剪应力及正应力即可计算加固梁端部锚固破坏是否 发生。 t m r o b e r t s 【”】按照弹性分析方法，考虑碳纤维加固板材与混凝土梁之间力的平衡方 程及变形的协调条件，得出加固板端部剪应力及正应力的计算公式。通过该剪应力及正 应力即可计算加固梁端部锚固破坏是否发生，该计算公式被很多文献普遍引用，与试验 结果基本吻合。但e m u k h o p a d h y a y a 7 5 j 采用该公式分析了各文献中的试验数据，计算了 发生端部锚固破坏时的正应力、剪应力，却得出不同的结论：发生端部锚固破坏时，正 应力、剪应力分布的离散性很大，对于钢板加固梁，正应力为1 3 3 1 8 3 9 m p a ；对于 g f r p 加固梁，正应力为2 7 1 5 6 4m p a ；对于c f r p 加固梁，正应力为1 7 8 2 7 4 4