（岩土工程专业论文）钢筋混凝土梁加固技术研究.pdf

学科：岩土 硕士生签字： 指导教师签字 钢筋混凝土梁加固技术研究 要 建筑结构一般在使用3 0 - 5 0 年以后会产生明显的劣化与损伤。已有建筑物的鉴定， 改造加固已经成为经济发达国家的建设重点之一，由此也产生并推动了加固技术的不断发 展。我国已有建筑的加固方法很多，如加大截面加固法、体外预应力加固法、外包钢加固 法和改变结构传力体系加固法等；这些方法在我国已经长期大量使用，取得了很多成熟的 经验。但传统的结构加固方法存在很多不足之处，如施工技术要求高、难度大，工期长， 对环境影响大，而且有的加固方法增大了截面尺寸、减少了使用空间等，因此其应用有一 定的局限性。随着科学技术的发展，一种新型的加固方法粘贴碳纤维材料法出现了，因其 优越的材料性能及在施工中使用方便已被广泛关注。 本文首先分析了各种常用加固方法的优缺点，研究了碳纤维材料的基本性能，然后利 用大型商业软件a n s y s 建立合理的模型，模拟实际工程中钢筋混凝土简支梁在均布荷载作 用下的受力情况，采用逐级加载的方式，分三组对分别粘贴不同层数、不同长度及不同宽 度的钢筋混凝土梁跨中挠度一荷载、钢筋应力一荷载曲线进行了对比分析。通过对比有限元 结果，分析钢筋混凝土梁加固前后各种力学指标之间的差异。希望为以后研究学者及工程 技术人员提供一定的借鉴作用。最后，本文通过作者在陕西省建筑科学研究院做的工程加 固实例来说明碳纤维材料加固技术在实际工程中的应用，分析了粘贴碳纤维材料加固法在 实际工程加固中的应用及应注意的问题。 关键词：钢筋混凝土梁；碳纤维布；跨中挠度；钢筋应力；有限元 a n i n v e s t i g a t i o no fr e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e so fr e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m d i s c i p l i n e ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 队认细哆 a b s t r a c t c o m m o n l y ，a r c h i t e c h t u r a ls t r u c t u r eb e c o m ed e t e r i o r a t e da n di m p a i r e da f t e ri nu s ef o r3 0 t o5 0 y e a r s a u t h e n t i c a t i o n ，r e b u i l d i n ga n dr e i n f o r c e m e n ta r ek e yp o i n t si ne c o n o m i cd e v e l o p e d c o u n t r i e s ，m e a n w h i l e ，i tp r o m o t e dt h er e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e s w eh a v em a n yr e i n f o r c e m e n t m e t h o d sw i t h i no u r c o u n t r y ，e g c o l u m ns e c t i o ne n l a r g i n gm e t h o d ，e x t e r n a lp r e s t r e s s i n gm e t h o d ， c o l u m ne x t e r n a ls t e e l - c l a dm e t h o da n df o r c et r a n s f o r m a t i o nc h a n g em e t h o d ；t h e s em e 吐l o d s h a v e b e e n u s e dw i d e l ya n df o ra l o n gt i m e ，s om u c hr e l a t i v ee x p e r i e n c ea c h i e v e da l s o i o w e v e r t h e s em e t h o d sa r en o ts op e r f e c tt oa p p l y ，h a v ev e r yh i g hr e q u i r e m e n tf o ro p e r a t i n g t e c h n i q u e s ， l o n gt e r mo p e r a t i o na n db i gi n f l u e n c e st oc i r c u m s t a n c e s ，s o m em e t h o de n l a r g e dt h ec o l u m n s e c t i o nb u tr e d u c e dt h es p a c eu s a b l e ，s om a n yd e f e c t s n e e dt ob er e m o v e d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，an e wm e t h o do fr e i n f o r c e m e n te m e r g e d ，t h a ti sc o h e r i n gc a r b o nc l o t h , i th a sb e e nc o n c e r n e dw i d e l ya l r e a d yb e c a u s eo fi t sp r e d o m i n a n tm a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n de a s e o f u s e t h ep a p e rd i s c u s s e ds o m er e i n f o r c e m e n tm e t h o d sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h e i ra d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g e s ，s t u d i e dt h eg e n e r a lp r o p e r t i e so fc a r b o nc l o t h ，t h e nb u i l dr e a s o n a b l em o d e l s b yl a r g es c a l eb u s i n e s ss o f t w a r ea n s y st os i m u l a t es t r e s s e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a n l u n d e rs t a t i cu n i f o r m e dl o a d s ，u s i n gs t e ps t r e s st e s t t oa n a l y z es t a t i cl o a dd e f i e c t i o n r e i n f o r c e m e n ts t r e s s e s ，l i n eo fl o a di nd i f f e r e n ts t o r e i e s , d i f f e r e n tl e n g t ha n dd i f f e r e n tw i d t h a n a l y z e dv a r i o u sm e c h a n i c sp a r a m e t e r sb e f o r ea n da f t e rr e i n f o r c e m e n tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n t c o m p a r i s o n h o p e f u l l yb eh e l p f u lt of o l l o w i n gr e s e a r c h e r sa n dt e c h n i q u ee n g i n e e r s f i n a l l y ， e x p l a i n e dp r a c t i c a lu s eo fc a r b o nc l o t ht h o u r g he x a m p l eo fr e i n f o r c e m e n tc a s es t u d y , d i s c u s s e d s o m en o t a b l ep r o b l e m si np r a c t i c a lo p e r a t i o n s k e yw o r d s ：r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ：c a r b o n c l o t h ；m i d s p a nd e f l e c t i o n ；r e i n f o r c e m e n t s t r e s s e s ；f i n i t ee l e m e n t 目录 1 绪论1 1 1 建筑结构加固的背景意义1 1 1 1 加固背j 素一1 1 1 2 建筑结构加固的发展与应用1 1 2 常用建筑结构加固方法的特点3 1 2 1 加大截面法3 1 2 2 外包钢加固法3 1 2 3 粘贴钢板( 筋) 加固法4 1 2 4 体外预应力加固法4 1 2 5 改变结构传力途径加固法5 1 2 6 常用加固方法的缺点5 1 3 碳纤维加固法一一5 1 3 1 碳纤维材料简介- 5 1 3 2 碳纤维加固技术的发展概况6 1 3 3 碳纤维加固法特点7 1 3 4 碳纤维用途8 1 3 5 碳纤维加固适用范围8 1 4 本文主要研究内容8 2 材料的本构关系分析9 2 1 混凝土的本构关系9 2 1 1 典型混凝土应力应变关系9 2 1 2 各种混凝土应力应变关系简述_ 1 l 2 2 混凝上的破坏准则1 4 2 3 钢筋的本构关系1 4 2 4 碳纤维布的本构关系1 6 2 5 碳纤维材料加固钢筋混凝土梁主要破坏类型1 7 3 碳纤维加固钢筋混凝土梁有限元分析1 9 3 1 a n s y s 软件介绍1 9 3 2 钢筋混凝土的有限元理论。2 0 3 3 有限元模型的选择2l 3 3 1 混凝土单元2 1 3 3 2 钢筋单元2 6 3 3 3 碳纤维材料单元2 7 3 4 建立碳纤维材料加固钢筋混凝土梁有限元模型2 8 3 4 1 钢筋混凝土梁模型信息参数2 8 3 4 2 建立钢筋混凝土梁有限元模型2 9 3 5 有限元结果分析31 3 5 1 粘贴不同层数碳纤维材料3 3 3 5 2 粘贴不同长度碳纤维材料3 5 3 5 3 粘贴不同宽度碳纤维材料3 8 3 5 4 有限元结果分析小结4 0 4 碳纤维加固在实际工程中的应用4 1 4 1 工程概况4 1 4 2 结构检测加固方法及依据4 l 4 3 结构检测评估4 2 4 4 工程加固4 8 4 4 1 施工组织设计4 8 4 4 2 加固前施工准备5 0 4 4 3 粘贴碳纤维布加固工程施工步骤及注意事项5 0 5 结论。5 5 5 1 主要结论5 5 5 2 有待进一步研究的问题5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 鸳谢6 1 学位论文知识产权声明6 2 学位论文独创性声明。6 3 n 1 绪论 1 1 建筑结构加固的背景意义 1 绪论 1 1 1 加固背景 2 0 0 8 年5 月1 2 日，我国四川省汶川县发生了8 0 级大地震，给我国人民的生命财产 造成了巨大的损失，震后笔者随同本校专家老师到我省渭南市对2 7 所中小学校进行了检 测评估，亲眼目睹了地震给我们带来的灾难。此次检测评估中由于很多建筑物都是上个世 纪六七十年代所修建，而且很多是砖木结构，还有少数的窑洞，加上年代已久及以前修建 的科技水平低下，所以大部分建筑物出现了比较严重的问题，需要重新拆除修建，但是也 有很多建筑物节点和承重部分并没有破坏，只是少数墙体出现轻微裂缝，还有的挑檐梁出 现轻微裂缝，如果都拆除重建，那将是极大的浪费而且需要很大的投资，所以对破坏建筑 物进行检测，评估以及加固处理非常必要。 1 1 2 建筑结构加固的发展与应用 。1 上世纪七十年代，建筑结构加固技术发展速度开始加快，世界许多发达国家也都纷纷 加大了建筑物维修加固的投资比例，行业规模也迅速扩大。英国在7 0 年代几年时间新建 工程数量及其费用减少，而建筑结构维修改造的项目逐年增加，7 0 年代用于维修改造加 固的费用是6 0 年代的5 倍，8 0 年代建筑物维修改造工程占建筑工程总量的4 0 。瑞典建 筑业上世纪8 0 年代的首要任务是对已有建筑物进行改造加固，8 0 年代维修改造业的投资 比例占建筑业总投资的6 1 。德国在上世纪8 0 年代用于建筑房屋改造加固的投资比例占 建筑总投资的6 8 。1 9 8 0 年美国新建建筑业开始萧条，维修改造加固业迅速发展，美国劳 工部在预测新世纪的热门行业中，曾断言建筑维修加固业将成为最受欢迎的九类行业之 一。各种常用加固技术已在国际领域中被广泛采用，7 0 年代后，新型粘钢加固的理论研 究广泛开展，各国学者对粘钢加固的各种受力构件的承载力进行了系列研究，奠定了粘钢 加固技术的理论基础，在解决实际工程应用问题上起到了重要作用。日本、美国以及欧洲 的一些发达国家都制定了有关的技术标准。同时，各种性能优良的建筑结构胶相继问世， 开始被应用于各类建筑工程构件的加固。1 9 7 1 年美国在圣弗南多大地震的震后修复过程 中，广泛采用了建筑结构胶，如一座5 层的办公大楼，仅用于修补1 万余平米的梁、 柱、墙裂纹就用胶3 吨多。2 0 世纪末，随着国际市场纤维材料价格的大幅度降低，一种 类似于粘钢加固方法的外贴纤维复合材料加固法逐渐引起工程技术人员的关注。1 9 8 4 年， 瑞士国家实验室首先开始了外贴纤维复合材料加固的实验研究，随后，各国学者开始在该 领域开展了广泛的研究和应用推广工作，美国、日本等国家已经制订了外贴纤维复合材料 加固的有关技术标准，我国碳纤维加固的技术标准也在编写之中。 l 西安工业大学硕士学位论文 我国的建筑设计基准期一般为5 0 年，自新中国成立以来所建造的房屋已逐渐接近或 超过使用年限，全部拆除重建不符合我国目前的国情，这就需要对其进行结构鉴定评估， 以便进行维修和加固，延长他们的使用寿命。此外，结构经长期使用会发生老化，随结构 服役时间的增长，受到气候条件、环境侵蚀、物理作用和其他外界因素的影响，结构性能 发生退化，结构遭到损伤，甚至遭到破坏。新建结构由于设计失误、施工管理不严，使用 条件变更或使用环境恶化，自然灾害和偶然事故的发生等主客观因素造成的病态结构也亟 待加固、补强、改造。目前有大量的工业与民用建筑、各种构筑物、城市高架桥梁、铁路 与公路桥梁、涵洞、隧道等混凝土结构需要加固补强。可见在对工程结构的损伤程度、承 载能力、以及耐久性等问题进行正确评价与估计的基础上，采取相应的维修、加固措施， 挖掘现有结构的承载能力，是一项具有显著经济效益和重大社会效益的工作。 建筑结构一般在使用3 0 - - - 5 0 年以后会产生明显的劣化与损伤。已有建筑物的鉴定， 改造加固已经成为经济发达国家的建设重点之一，由此也产生并推动了加固技术的不断发 展。在我国，在经过几十年大规模的基本建设后，已有建筑物的维修、改造和加固必将占 据其应有的重要地位。因此，将其视为一个体系加以研究和探讨，已经成为我国对现有建 筑物实施管理的一项完整对策。 对建筑物检测评估是建筑结构学发展中的边缘学科，这一学科的综合性很强，不仅涉 及结构力学、，断裂力学、建筑材料学、工程地质学等基础理论，而且与施工技术、检验手 段、生产工艺、评定标准等也有密切关系。一般工程结构检测方法，从理论上讲，大体可以 分为两类，即静态检测方法和动态检测方法。工程结构静态检测主要通过观测和静力检测 获得结构实际尺寸、材料弹性模量和强度等数据，然后通过力学分析确定结构的工作性能 与可靠度水平。目前我国已有的结构可靠性评价及损伤鉴定标准主要依据该方法。静态检 测方法的测量结果直接且较为可靠。但是，由于工程结构特别是大型工程结构，一般形体 大、构件多且有隐蔽部分，对工程结构所有构件采用静态量测的方法测定其实际性态，工作 量巨大，对于某些结构和构件无法测量，静态检测方法存在应用条件受限制和工作效率较 低的缺点。结构动力检测技术是利用结构的动力响应识别结构模态参数或物理参数，评价 结构性能、判别结构损伤的方法。结构动力检测不受结构规模和隐蔽的限制，只要在可达 到的结构位置安装动力响应传感器即可。目前高效模块化、数字化的动力响应量测技术已 为结构动力检测方法提供了技术支持。但是，此法存在受到结构动力量测信号质量和数量 的限制。 我国已有建筑的加固方法很多，如加大截面加固法、体外预应力加固法和改变结构传 力体系、桩托换、地基处理和加大基础面积加固法等，这些方法在我国已经长期大量使用， 取得了很多成熟的经验。在传统的结构加固方法中，加大截面方法和体外后张预应力方法 是常用的方法，已在实际工程得到成功的应用。但是这两种加固方法存在很多不足之处， 预应力方法锚固构造困难，施工技术要求高、难度大，存在施工时的侧向稳定问题以及耐 久性问题。加大截面加固法工期长，对环境影响大，而且增大了截面尺寸、减少了使用空 2 1 绪论 间等，因此其应用有一定的局限性。2 0 世纪6 0 年代开始，随着环氧树脂粘结剂的问世， 一种新的加固方法，外部粘贴( 钢板) 加固法开始出现，这种加固法是用环氧树脂等粘接剂 把钢板等高强度材料牢固地粘贴于被加固构件的表面，使其与被加固构件共同工作，达到 补强和加固的目的。， 由于外贴加固方法具有施工周期短、对原结构影响小等优点，倍受设计者和使用者 欢迎。但是，由于外贴加固中，外贴材料与构件的结合性能是保证加固效果的关键，粘接 剂性能的好坏决定了外贴加固的成功与否，由于受到粘接剂性能等的限制，目前外部粘贴 加固还大多局限于环境温湿度较低的承受静力作用的构件。另外，外贴材料与被加固构件 之间的粘结锚固性能和锚固破坏机理、加固构件的耐久性及耐高温性能、加固构件的可靠 性以及材料强度取值等理论问题仍需要在进一步研究中不断探讨。 1 2 常用建筑结构加固方法的特点 1 2 1 加大截面法 加大截面加固法又称外包混凝土加固法即采取增大混凝土结构或构筑物的截面面积， 以提高其承重力和满足正常使用的一种加固方法。可广泛用于混凝土结构的梁、板、柱等 构件和一般构筑物的加固。其技术要点就在于用钢筋混凝土来增大原水工程混凝土结构截 面面积以提高结构的承载力为目的的一种传统方法。鉴于此，该方法适用于水工程中病险 的梁、板、柱、墙等钢筋混凝土结构的加固。同时，用此法来托梁抽柱对水工程某些结构 进行受力体系的改造、扩大厂房跨度、优化已建厂房的使用功能，已成为当代建筑领域的 一个热点。另外，需要指出的是该法最大的施工问题，就是必须保证新、旧两部分钢筋混 凝土共同受力并整体工作的问题，而新、旧混凝土的结合面却是加固结构受力时的薄弱环 节。因此，从建筑结构的设计构造上配置足够的贯穿于结合面的剪切摩擦筋或锚固件将两 者有机地连接牢固，是确保结合面能有效传力并使新、旧两部分钢筋混凝土整体工作的关 键。一般新、旧混凝土采用水泥浆界面剂，当用环氧浆液界面剂时，应在其固化前浇筑混 凝土。 按中国工程建设标准化协会标准混凝土结构加固技术规范( c e c s 2 5 ：9 0 ) 对加大截 面加固法的规定，该法的设计计算内容，一是轴心受压；二是偏心受压：三是受弯等三方 面的考虑。 1 2 2 外包钢加固法 外包钢加固采用四角包裹角钢，角钢间用扁钢相连。然后灌注结构胶与原结构粘结、 键合。使后加型钢与原结构共同工作，特别适用于需大幅度提高构件承载力的结构。外包 钢加固法分湿式与干式两种情况。两者相比，十式外包钢施工较为简便，湿式外包钢加固 施工较为复杂。但承载力提高量、整体工作性能及受力特点干式外包钢不如湿式外包钢有 效。 3 西安工业大学硕士学位论文 湿式外包钢加固法，是采用具有良好粘结性能的高强度建筑结构胶，把钢板与混凝土 构件牢固地粘结在一起，形成复合的整体结构，有效传递应力，使构件联合工作，从而恢 复或提高结构的承载能力及结构的强度和刚度的一种技术。该法受力可靠、施工简便、现 场工作量较小，但用钢量较大，适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求 大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固，尤其是钢筋混凝土梁柱的加固。 钢筋混凝土柱采用外包型钢加固，当型钢与原柱间无任何连接，或虽填塞有水泥砂浆 仍不能确保结合面剪力有效传递时，称为干式外包钢加固。干式外包钢构架与原柱所受外 力按其各自的刚度比例进行分配，钢构架的受弯刚度可近似取0 5 e a a a 2 。钢构架各杆件 的承载力应按现行钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 的规定进行计算。干式外包钢加 固柱的总承载力为钢构架承载力与原混凝土柱承载力之和。 1 2 3 粘贴钢板加固法 粘贴钢板加固法简称粘钢加固法。它是在水工程混凝上结构表面采用特制的结构胶诸 如j g n 型胶等来粘贴钢板以提高结构承载力的一种加固技术。 粘钢加固法一般设计规定有下列六条。 ( a ) 本方法主要适用于对钢筋混凝土受弯、受拉、大偏心受压构件的加固。本方法不 太适用于素混凝土构件的加固。所以加固时候应分清楚是什么构件形式。 ( b ) 被加固的混凝土结构构件，其现场实测混凝土强度等级不得低于c 1 8 ，且混凝土 表面的粘结正拉强度不应低于2 0 n r a m 2 。 ( c ) 采用规范( g b5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 ) 规定的胶粘剂粘贴钢板加固混凝土结构时，其长期使 用的环境温度不应高于6 0 ；处于特殊环境( 例如高温、高湿、介质侵蚀、放射等) 的混 凝土结构采用本方法加固时，除应按国家现行有关标准的规定采取相应的防护措施外，尚 应采用耐环境因素作用的胶粘剂，并按专门的工艺要求进行施工。 ( d ) 粘贴在混凝土构件表面上的钢板，其表面应进行防锈蚀处理。表面防锈蚀材料对 钢板及胶粘剂应无害。 ( e ) 粘贴钢板加固钢筋混凝土结构构件时，应将钢板受力方式设计成仅承受轴向应力 作用。采用粘贴钢板对钢筋混凝土结构进行加固时，应采取措施卸除或大部分卸除作用在 结构上的活荷载。 ( f ) 当被加固构件的表面有防火要求时，应按现行国家标准建筑防火设计规范( g b 5 0 0 1 6 - - 2 0 0 2 ) 规定的耐火等级及耐火极限要求，对胶粘剂和钢板进行防护。 1 2 4 体外预应力加固法 体外预应力加固法就是把预应力索放在梁的主体结构之外，只通过两端的锚固以及梁 中的转向装置与梁体相连的一种加固技术。 体外预应力加固法的优缺点分析如下： j ( 1 ) 能够大幅度提高旧梁诸如中小跨度旧桥的承载能力和抗裂度。 4 1 绪论 ( 2 ) 施工周期相对较短，所需施工设备少，人员也较少。 ( 3 ) 对梁诸如桥梁损伤小，并可做到不影响桥下净空，不抬高路面标高。 ( 4 ) 施工时可不中断交通和工程运行能继续。 ( 5 ) 从力学上分析，体外预应力索与周围结构主体在同一截面上的变形因不协调，导 致预应力索容易受到意外破坏。 ( 6 ) 由于转向装置和锚固点受到约束，故行车时容易引起体外索的振动，预应力索的 自由长度受到限制。加上预应力索不能参与局部裂缝的控制，这些注定了该法的适用范围。 体外预应力加固法分外部预应力钢索加固法和下撑式预应力拉杆加固法两种。 下撑式预应力拉杆加固法，有直线式、折线式和混合式拉杆三种方法。直线式拉杆加 固法适用于正截面抗弯承载力不足的梁和下弦杆抗拉承载力不足的桁架：折线式拉杆加固 法适用于斜截面抗剪承载力、正截面抗弯承载力均不足的梁和跨中下弦杆、端腹杆抗拉承 载力不足的桁架；混合式拉杆加固法适用于正截面抗弯承载力严重不足、而斜截面抗剪承 载力不足的梁和下弦杆承载力较端腹杆承载力更不足的桁架。 1 2 5 改变结构传力途径加固法 一般改变结构传力途径加固法有如下两种情况： a ：增设支点法 该法是以减小结构的计算跨度和变形，提高其承载力的加固方法。适用于房屋净空不 受限制的大跨度结构的加固。 b ：托梁拔柱法 该方法是不拆或少拆上部结构的情况下，拆除、更换、接长柱子的一种加固方法。适 用于要求厂房使用功能改变、增大空间的老厂改造的结构加固。 1 2 6 常用加固方法的缺点 加固技术经历了一代又一代的更新和发展，我们常用加固方法，研究人员都已经很好 掌握并使用，这些加固方法虽然对改善结构的强度、刚度以及抗震性能起到了一定的作用， 但它们还存在着许多缺点如自重大，占用结构空间大，对建筑物美观造成影响等，有的加 固方法抗腐蚀性能差，易丧失其应有功能，有的加固方法施工复杂且周期长，影响了正常 工作及生活。为此，工程界需要一种新型的、科技含量较高的加固技术，碳纤维材料加固 技术正是在此需求的前提下被应用于建筑工程技术加固领域的。 ? 1 3 碳纤维加固法 1 3 1 碳纤维材料简介 碳纤维材料自诞生以来已经有一百多年的历史，在这一个多世纪的时间长河中， 5y 毒釜t o 西安工业大学硕士学位论文 碳纤维材料经历了由试验到实际，再由实际到试验的反复考验。近2 0 多年来，随着 科学技术的发展，碳纤维材料已经被广泛的应用到实际工程中。 碳纤维材料从形状上来分，主要有片材包括布状片材、棒材、板状片材和网格状材料。 对于片材一般用环氧树脂粘贴在结构表面棒材通常用于替代传统钢筋主筋和箍筋网格状 材料是通过聚合物灰浆将其粘贴在结构表面。碳纤维材料的优越性能主要体现在它的抗拉 强度特别的高，碳纤维材料由于产地的不同其抗拉强度一般也不相同，比如日本产的碳纤 维材料抗拉强度一般就会高于美国的。但总体来说其抗拉强度一般都为普通钢材的十几 倍。而且弹性模量一般则与钢材持平并有提高。恰恰是碳纤维材料的这些优点，其良好的 抗拉性能备受各技术人员的喜爱。碳纤维材料在加固时候不像传统的加固方法需要湿作 业，其施工简单，作业周期段，而且安全。一般只需要配备合适的胶并保证稳定容许的时 候就基本能保证其加固效果。加固后由于其具有良好的抗拉强度和延性，所以能大大的提 高结构的强度和刚度。而且加固后不会改变结构的原有尺寸，不增加空间占有量。这对有 些建筑物对空间尺寸要求比较高的建筑物非常重要。和普通加固材料相比，碳纤维材料的 耐腐蚀和耐疲劳性能也很优越，比如有些工程长期处于盐性环境中，或有些工程处于化学 性的环境中，还有些工程则处于海边潮气较大的环境中，这些易腐蚀的环境对于碳纤维材 料来说都不惧怕，在这些环境中，其还能有较长的使用寿命。正因为这些种种的优势，碳 纤维材料被用在很多的结构加固工程中，如桥梁、隧道、住宅、大型柱子等等的加固其都 能发挥良好的性能。而且加固起来花样灵活多样，碳纤维布可以任意的裁剪，对有些加固 方法不能加固到的部位，碳纤维材料照样能够出色的完成。加固后其加固的质量也能够得 到保证，这也是为什么越来越多的技术人员使用碳纤维材料进行加固的原因。碳纤维在实 际工程的加固中，操作方便，施工简单，不需要焊接或水泥砂浆湿作业等其他工序复杂的 操作。只要技术人员把需要加固的部位清理干净，打磨平整，然后涂上合适的粘接胶，然 后根据设计图纸，粘贴上相应的碳纤维材料，加固基本就算完成了。至于加固中的详细情 况及问题，本文最后一章将加以详细说明。 1 3 2 碳纤维加固技术的发展概况 碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究工作开始于8 0 年代的美、日等发达国家。 八十年代末至九十年代初，日本的众多大学、科研机构、材料生产厂家等相继进行了大量 碳纤维材料用于混凝土结构加固的研究开发。碳纤维材料优异的力学性能、简便的施工工 艺和良好的加固效果得到了普遍赞同，特别是在日本的阪神大地震及韩国三丰百货大楼倒 塌事件之后，用碳纤维材料加固修补混凝土结构，尤其是进行抗震加固在日本、韩国、美 国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用。目前，国外科研机构及高 等院校已对碳纤维材料加固修补混凝土结构，尤其是抗震加固的性能和效果进行了大量 的研究，在此基础上编制形成了自己国家的行业标准与规范。 传统的加固方法在实际工程中发挥了重要作用，为国家和社会节约了大量的资金。然 而，它们都有一定程度的缺陷，除去带有共性的化学腐蚀问题外，每一种方法都有其自身 6 1 绪论 不能克服的缺点。另外，当前世界上许多现有工程由于地理环境、自然灾害、年久失修以 及人为因素的影响，其耐久性受到严峻考验。土木工程学科在加固领域的发展，在很大程 度上依赖于性能优异的新材料和简单可靠的加固技术的应用与发展。如对于传统的钢筋增 强材料，应寻找一种比强度高、耐腐蚀和耐久性好的新材料：对于既有结构的加固、维修 和改造，应选择具有比强度大、施工快捷、施工后结构承载力明显提高的材料。因此，工 程界急需性能优异的新材料和新兴的、技术含量高的结构加固技术，这就要求从事加固技 术研究的工程技术人员，不断提出新问题，开发新材料、研究新方法，以满足实际工程加 固的需要。碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。 日本是起步最早编制有关f r p 规程、标准方面和最完备的国家之一。1 9 9 3 年， 由日本建筑院( a i j ) 颁布的( ( f r p 加固混凝土结构设计指南是世界上第一个关于f r p 的设计指南。接着，日本土木工程学会( j s c e ) 正式颁布了连续纤维材料补强加固 混凝土结构物的设计及施工规程。我国是在1 9 9 7 年开始正式对f r p 增强塑料加固 修复土木建筑结构进行研究的，并在1 9 9 8 年开始了实际的工作应用。国内最早通过 的规范是2 0 0 3 年碳纤维片材加固混凝土结构技术规程，其编号为c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 ， 已经被最新的国家标准规范2 0 0 6 混凝土结构加固设计规范代替，其编号为g b 5 0 3 6 7 2 0 0 6 碳纤维加固最近的国标是结构加固修复用碳纤维片材g b t 2 0 4 9 0 一2 0 0 8 0 8 年1 0 月1 日期执行。 碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于8 0 年代美、日等发达国家。我 国的这项技术起步很晚，但随着我国经济建设和交通事业的飞速发展，现有建筑中 有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些建筑由于使用功能 的改变i 难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。目前常用的加固方 法有很多，如：加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤 维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。 1 3 3 碳纤维加固法特点 碳纤维与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比，具有节省空间，施工 简便，不需要现场固定设施，施工质量易保证，基本不增加结构尺寸及自重，耐腐 蚀、耐久性能好等特点。另外，采用该加固法，可大大提高建筑物的使用寿命，降 低加固成本。因此，碳素纤维作为划时代的补强材料，而建筑界的重视和关注。 ( 1 ) 抗拉强度高，是普通钢材的7 - 1 0 倍。 ( 2 ) 重量轻，密度不到普通钢材的1 4 。 ( 3 ) 耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏。 ( 4 ) 施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。 ( 5 ) 适用范围广，混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。可大幅度提高构 件的承载能力、抗震性能和耐久性能。 7 西安工业大学硕士学位论文 1 3 4 碳纤维用途 ( 1 ) 混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。 ( 2 ) 隧道、港湾设施、烟囱、仓库、厂房的加固。 ( 3 ) 受盐害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。 1 3 5 碳纤维加固适用范围 碳纤维加固法主要适用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业 与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。 1 4 本文主要研究内容 1 ) 分析常用加固方法的优缺点，对比说明碳纤维加固法的加固特点，加固用途及适 用范围。 2 ) 对粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁的各种材料的本构模型进行分析，以便有限元分 析时选用合理的本构模型，而使有限元结果分析更符合实际情况。 3 ) 应用大型有限元通用软件a n s y s 分别对粘贴不同层数、不同长度、不同宽度的钢 筋混凝土简支梁跨中挠度一荷载，钢筋应力一荷载曲线进行了对比分析。 4 ) 最后以作者在陕西省建筑科学研究院期间做的加固实例，说明了粘贴碳纤维布加 固钢筋混凝土结构在实际工程中的应用，指出了加固设计的方法及在施工中的注意事项。 8 2 材料的本构关系分析 2 材料的本构关系分析 碳纤维布增强钢筋混凝土构件是由混凝土、钢筋、碳纤维布等三种材料构成 的复杂的受力体系，因此分析三种材料的本构关系对研究碳纤维布加固钢筋混凝土 梁及其重要。 2 1 混凝土的本构关系 2 1 1 典型混凝土应力一应变关系 钢筋混凝土结构材料的本构关系对钢筋混凝土结构有限元分析结果有重大的影响，如 果所选用的本构关系不能很好地反映材料的各项力学性能，那么，其它计算再精确也无法 反映结构的实际受力特征。 ， 材料的本构关系，就是指用数学表达式来对材料力学性质进行描述。关于材料受力以 后的变化规律，不同的研究人员根据材料的性质，受力的条件和大小，试验方法，不同的 理论模型等因素综合考虑，建立了多种钢筋混凝土材料的本构关系表达方式。到目前为止 各研究学者认为材料的本构关系模型为损伤力学、非线性弹性、弹性、粘弹性等理论，可 惜的是，由于钢筋混凝土的复杂性质，能够完全准确的来描述其本构关系的模型还没有找 到。有些本构关系虽然能比较好地反映材料在复杂应力状态下的应力应变关系，但是其表 达形式很复杂，所采用的参数过多，使用不方便。一般来讲，一个好的本构关系表达式应 该是：数学公式推导方便；基于有关的试验和经验；关系式中的有关主要参数有明确的物 理意义等。 在有限元分析中关于钢筋混凝土应用最多的就是非线性弹性理论以及弹塑性理论，这 也是各国研究学者为了研究方便把混凝土结构简化而已。在对混凝土结构进行数值分析 时，其各项力学性能都必须被考虑在内。目前为止，我们建立的混凝土模型都是在现有理 论基础上进行的，一个合适的混凝土本构关系模型对有限元分析非常重要。通俗简单的讲， 混凝土的本构关系就是一个结构在受到外力荷载作用下其应力和应变之间的关系。具体根 据不同混凝土材料的力学性能及特点，然后调整本构关系中材料的各项参数。到目前为止 各研究学者认为材料的本构关系模型为损伤力学、非线性弹性、弹性、粘弹性等理论，可 惜的是，由于钢筋混凝土的复杂性质，能够完全准确的来描述其本构关系的模型还没有找 到。有些本构关系虽然能比较好地反映材料在复杂应力状态下的应力应变关系，但是其表 达形式很复杂，所采用的参数过多，使用不方便。 混凝土的应力一应变曲线的具体形状的变化受许多因素的影响。如混凝土材料的品种、 配比和龄期等都是重要的影响因素。清华大学的试验实测资料表明，水泥标号、用量和水 灰比以及粗骨料的性质、含量配比和粒径大小等，对应力一应变曲线，特别是下降段的变 9 两安_ t 业大学硕士学位论文 化，都有不同的影响。 图2 1 混凝土的典型应力一应变关系 图2 1 是w a t a n a b e 根据实测结果，提出了典型应力应变全曲线。曲线分为上升段( 0 c ) 和下降段( c e ) 二部分，下降段又可分为急速下降段( c d ) 和坡度逐渐趋于平缓的收敛段( d e ) 二个不同变化段。 上升段( 图2 1 中0 a b c 段曲线) ：除有明显收缩史的混凝土试件，在荷载开始作用下，应 力一应变曲线会显现上凹段外，尽管加载前混凝土内存在局部微裂缝，只要混凝土处于“稳 定断裂传播的开始( o s f p ) 值以下时，混凝土仍基本处于弹性工作阶段，应力一应变关系 为直线，如图2 1 内o a 线所示。a 点约为峰值应力的3 0 , - - - 5 0 。当混凝土应力进入“稳 定裂缝传播”阶段后，由于裂缝不断传播发展，应力一应变关系逐渐偏离直线，如图a b 曲线所示。当混凝土应力进入“非稳定裂缝传播 阶段以后，由于砂浆裂缝大量出现，粘 结裂缝向砂浆内传播延伸，成为可自行传播开裂的不稳定状态，有些砂浆裂缝和粘结裂缝 彼此连通，至最大应力c 点时，混凝土内会形成若干通缝，能量消失增大。应力一应变关 系明显地呈曲线形变化。如b c 所示，曲线曲率随荷载不断增加，至c 点最大。b 点应力 值约为峰值应力的7 0 , - - - , 9 0 。 应力一应变曲线的上升段，实际是荷载作用下，混凝土内裂缝出现、传播、扩展和最 后形成通缝时，引起内部能量变化和转换消失引起应力一应变变化的反映。 下降段( 图2 1 中c d e 段曲线) ：下降段是混凝土在到达峰值应力后，裂缝继续发展、 传播、发展，引起应力一应变关系变化的反映。在到达峰值应力后，裂缝继续迅速传播发 展，而且由于坚硬骨料颗粒的存在，沿裂缝面上产生剪磨滑移，同时并出现新裂缝、试件 仍能支承一定的荷载。因此，下降段试件能继续保持一定荷载，并产生变形的原因，主要 是裂缝面剪切滑移的摩阻力，以及非连续接触面间的非弹性变化等原因。当应力进入d e 曲线即收敛阶段时，试件破坏的许多细块逐渐挤密，因而曲线的坡度逐渐平缓。 1 0 2 材料的本构关系分析 2 1 2 各种混凝土应力一应变关系简述 由于影响应力一应变关系的因素很多， 因此有不少的经验表达式来反映混凝土受 压应力一应变曲线的关系。经验公式概括起 来有：双直线式：二次抛物线加直线式：三角 函数与指数函数形式：多项式形式：有理分式 形式：曲线加双直线形式和两根曲线形式等。 h o g n e s t a d 建议的应力一应变关系式 是目前国内外采用最广泛的曲线( 图2 2 ) ， 上升段为抛物线形式变化，下降段为直线变化， 当s s o 时( 上升段) 为： 图2 2h o g n e s t a d 建议的应力一应变曲线 其特点是形式简单： 盯= 2 ( 昙) 一( 三o ) 2 c 2 - ) ；曼。- 。 当气占6 0 时( 下降段) 为： 盯= i1 - 0 1 5 三鱼i ( 2 2 ) ”专 式中e o = 2 0 1 e o ( 实际取6 0 = 0 0 0 2 ) ，蜀= 毛= 1 8 0 0 0 + 4 6 0 f