加固梁开题报告.doc

外贴FRP加固梁在持续荷载下的变形性能研究课题来源：河南省教育厅自然科技项目（2010A560008）一、选题依据近年来，随着经济水平的不断提高和钢筋混凝土结构研究工作的深入，钢筋混凝土结构的设计和施工技术水平也日渐完善。为了实现人类社会可持续发展的目标，人们在关注建筑结构的安全性问题的同时，己逐渐对结构耐久性提出更多的要求。对现有结构的维护、修复和加固已日趋成为结构工程发展的焦点问题。建筑物和桥梁结构有一定的设计基准使用期，我国对建筑物取为50年1，对桥梁结构取为100年2，而我国在建国后建造的大量房屋有的已经接近50年。有很多因素会缩短现有建筑结构、桥梁结构的使用寿命，其中主要包括:物理老化、化学腐蚀、社会需求的变化、设计标准的提高、交通量的增加等等。这些出现问题的结构，实际情况并不允许将其全部推倒重建，而只能采取适当的技术措施，对其进行补强与加固处理，使这些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求，继续为社会服务。总之，在现代社会中对建筑物的补强加固技术进行开发和研究是非常必要的，具有重要的社会效益和巨大的经济效益。传统的加固方法有增大截面法、粘贴钢板法、喷射混凝土加固法、预应力加固法、增设支点加固法等。但上述各种方法各有缺点，比如，增大截面法现场作业量大并影响房屋的外观和净空；粘钢加固法增大结构自重并且易腐蚀；喷射混凝土加固法要求施工现场较大；预应力加固法施工比较麻烦；增设支点加固法影响建筑物的使用空间等等。近年来，纤维增强塑料FRP(Fiber Reinforced Plastic) 3由于力学性能优良，化学性能稳定，具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小等优质特性，成为一种理想的修复和加固材料，引起了国内外学者的关注，被广泛应用于钢筋混凝土结构加固的试验研究及工程应用当中。目前，用FRP材料对结构进行加固的方法主要有外部粘贴法和内部嵌贴法两种。外贴法是通过树脂类粘结剂，在需要加固的构件表面粘贴纤维布或板，以提高或改善其受力性能的方法。二、FRP加固技术研究现状碳纤维材料加固修复混凝土结构技术是二十世纪八十年代开始在国际上应用的一种混凝土外部补强的新技术。从1985年瑞典人Meier首先采用粘贴碳纤维布材加固Ebach桥梁开始，各国大学及研究机构相继进行了较多的碳纤维材料加固性能的试验及理论研究，取得了许多重要成果。碳纤维加固技术在我国起步较晚，1997年开始理论研究，1998年有碳纤维加固实例。在这短短几年的时间里该项技术迅速发展，得到了较深入的研究，并成立了碳纤维增强片材及工程专业委员会。由于用于实际加固工程的碳纤维形式主要是片材(指碳纤维布与碳纤维板)，所以目前国内对于碳纤维材料研究主要集中在碳纤维布加固上，包括以下几个方面：(1)在构件的受拉面粘贴碳纤维片材，研究加固构件的抗弯性能；(2)在构件的剪切区粘贴碳纤维片材，研究加固构件的抗剪性能：(3)对受压的柱状构件进行加固，研究加固构件的抗压性能；(4)在反复荷载作用下，研究加固构件的抗疲劳性能等。承载力极限状态下加固梁的抗弯和抗剪能力的研究已经比较成熟，在相关规范上已经有明确的计算公式，现阶段没有研究的实用价值。然而在长期荷载作用下的正常使用变形性能研究还处于初级阶段，没有明确的标准。在硕士研究生期间，我将在导师的带领下针对加固梁在长期荷载作用下的正常使用变形性能进行研究。2.1 国内研究概况赵彤等通过9根碳纤维布加固补强钢筋混凝土梁的试验，主要研究碳纤维布用量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响与作用。试验研究表明，粘贴碳纤维布之后，加固梁的受弯承载力明显提高，虽然碳纤维布的用量越多承载力提高也越大，但受使用效率的影响，需要一个折减系数对碳纤维布的抗拉强度进行折减，层数越多，折减系数越小。邓宗才通过改变碳纤维布层数、配筋率等参数，研究了碳纤维布对于梁抗弯承载力和抗弯刚度的影响。试验结果表明，碳纤维布可以显著增强梁的抗弯刚度，但碳纤维布加固量过多，将改变梁的破坏形式，而且对于配筋率较低的梁加固效果比较好。杨勇新、岳瑞清依据变形条件、本构关系和平衡方程，给出了使用阶段下外贴FRP布加固梁的挠度计算公式6。田水、谷倩7通过类似的分析，分别算出了三直线段交点处及加固梁发生极限破坏时的刚度，并根据线性内插关系进一步得到加固梁在任意荷载下的刚度，进而求出外贴碳纤维布加固梁在不同荷载水平下的挠度值。王文炜和赵国洲8进行了9根玻璃纤维布加固的钢筋混凝土梁和3根对比梁的试验研究结果表明，相同荷载下贴布层数越多，梁挠度越小；受拉钢筋屈服以前混凝土强度对加固梁挠度影响较大，混凝土强度的增加会使得加固梁挠度减小，但钢筋屈服以后该影响较小，并提出了纤维布加固混凝土梁处于不同受力阶段的截面刚度和跨中挠度的计算方法。王雷、曾德荣9在此基础上还考虑了二次受力的影响，运用普通钢筋混凝土结构的基本理论，提出了一种挠度近似计算方法，但该文献只考虑了加固梁在使用阶段的挠度计算。曹国辉、邓洁10通过8根粘贴CFRP、GFRP及CFRPGFRP布加固钢筋混凝土粱在不同加载历史下的对比试验，对不同初始应力状态下FRP加固钢筋混凝土梁的裂缝开展、弯曲变形进行了对比分析。结果表明，和基准梁相比，粘贴纤维布加固钢筋混凝土梁的刚度在不同受力阶段刚度提高的程度是不一样的，施加荷载越大，刚度提高越多。李志成11根据构件破坏时的截面平衡条件将碳纤维面积按等效弯矩原则折算为钢筋面积，然后将折算后的总面积代入普通钢筋混凝土梁刚度计算公式中，给出了加固构件刚度计算公式。翟爱良12-13将外贴CFRP 对刚度的提高作用以钢筋屈服为转折点分为两个阶段，即钢筋屈服前阶段和屈服后阶段，在钢筋屈服前，加固时无受荷历史或完全卸载梁，其刚度按一般混凝土梁计算，对于部分卸载构件，加固梁刚度分为CFRP 粘贴前后两部分，其挠度也为两部分之和，粘贴前按普通钢筋混凝土梁计算，粘贴后则将外贴碳纤维面积折算为与钢筋具有相同弹模的钢筋面积，从而对普通钢筋混凝土梁的刚度计算公式进行修正。杨玫14也根据刚度解析法推导了外贴FRP 加固钢筋混凝土梁正常使用阶段的刚度计算模型。张珂15根据刚度解析法建立了对未加固梁、非预应力碳纤维布加固梁和预应力碳纤维布加固梁截面短期抗弯刚度统一实用的计算公式。张学礼16根据构件的变形条件、平衡条件和物理关系推导了加固构件正常使用阶段的刚度模型，并提出二次受力构件加固后的刚度由加固前刚度和碳纤维提供的刚度叠加而成。王雷17也运用普通钢筋混凝土受弯构件挠度理论分析了二次加固构件刚度和挠度的计算方法，但其计算过程较复杂；卢亦焱18则根据变刚度梁的变形计算公式进行了不等长复合加固梁的变形分析。曹国辉19,20在对外贴FRP 加固二次受力钢筋混凝土梁变形性能的研究中指出，在相同荷载作用下，二次受力加固梁的刚度小于无加载历程的纤维加固梁，GFRP 加固梁的刚度小于CFRP 加固梁的，且加固梁刚度随初始荷载的增加而降低。但李贵炳21的研究却指出，持载下粘贴碳纤维布加固梁的刚度反而优于完好状态下加固梁的刚度，并解释说这可能是由于持载加固构件中影响FRP 与混凝土粘结性能的水平裂缝出现较晚，从而使其刚度反而较高的原因，但是他同时也指出，这一与常规思维相反的现象还需由更多的试验研究和分析来验证。卢亦焱等对碳纤维布与钢板不等长复合加固钢筋混凝土梁的研究发现，复合加固梁的截面刚度均较未加固梁的截面刚度提高较大，而不等长复合加固梁的刚度在底面钢板屈服以前与等长复合加固梁的刚度相当，在钢板屈服以后碳纤维布的作用增大，使得不等长复合加固梁的刚度比等长复合加固梁的刚度稍有降低。2.2 国外研究现状美国的Mahmoud TE1-Mihilmy和Joseph wTedesco22在ACI规范已有方法的基础上提出了三个阶段加固梁有效惯性矩的计算方法，最后代入匀质材料挠度计算公式计算加固梁的跨中挠度。Yeong-Soo Shin等曾对6片在不同的预压荷载下采用碳纤维布加固的梁进行试验，试验结果表明，预压荷载越大，加固梁的挠度也越大，而预压荷载的不同对加固梁的极限承载力影响不大，可以忽略不计23。 shin24进行了不同持载情况下外贴CFRP加固钢筋混凝土梁的试验研究，荷载-挠度曲线表明，加固构件刚度大于未加固构件，持载加固构件加固后刚度基本与无持载构件相同，作者指出无论加固时持载与否，外贴CFRP 均可起到对构件的修复加固作用，并且可以忽略加固时持载对最大承载力和挠度的影响。美国的Mahmoud TE1-Mihilmy和Joseph W.Tedesco25在ACI规范已有方法的基础上提出了三个阶段加固梁有效惯性矩的计算方法，最后代入匀质材料挠度计算公式，计算加固梁的跨中挠度。Tom Norris等进行了9根梁的静载试验26，9根梁预先加荷到梁开裂，然后粘贴CFRP，再加载至梁破坏。试验结果表明，梁的破坏模式和CFRP的粘贴方向有关。当CFRP的粘贴方向与裂缝方向垂直时，CFRP端部发生了剥离破坏；当CFRP得粘贴方向与梁裂缝方向不垂直相交时，梁的承载力和刚度都增长不大，但是延性较好。Arduini27l针对实际工程中开裂梁加固问题，通过9根扁梁(hb=05)和9根普通梁(hb=2O)的试验证实了开裂梁粘贴纤维后抗弯性能与完好梁加固效果基本无明显区别Shahwy等28l根据8根T形梁试验结果虽然证实了持荷会降低加固梁的极限承载力，但是不同持荷水平的试验结果无明显规律。YeyooS00等29通过6根梁试验也证实了持荷水平对试件极限承载力影响不大，但会明显加大纵筋屈服和达到极限承载力时梁的弯曲变形。1990年ladner对7000mm和2000mm的梁进行了加固试验研究，用试验证明了加固后的梁的极限承载力大大的提高，极限挠度值也明显的降低30。三、本文研究内容（1）对碳纤维布加固梁在持续荷载作用下进行变形性能试验研究。查阅相关文献资料,分析影响加固后钢筋混凝土变形的各种试验参数，确定试验方案。通过改变对钢筋混凝土梁粘贴CFRP材料的用量和与混凝土粘贴面积研究加固后钢筋混凝土梁的变形。（2）进行碳纤维布加固混凝土梁的变形性能理论分析研究，推导出加固混凝土梁的挠度变形公式，将试验结果代入推导公式，对比理论分析值与试验值，得出碳纤维布加固梁在持续荷载作用下的挠度计算公式四、创新点进行加固钢筋混凝土梁在持续荷载下的变形性能研究，建立变形预测模型，为试验研究结果提供理论依据。五、技术路线本课题主要通过长期试验（一年）对CFRP加固梁进行研究。首先通过改变碳纤维布的用量观测不同用量下梁的变形性能，考察CFRP加固梁受力性能和变形情况，并对CFRP加固梁进行理论分析。进行CFRP加固梁的试验研究，并对理论推导和试验数据进行对比分析，重点对加固后梁的变形进行分析，建立CFRP加固钢筋混凝土梁性能预测的模型，并用试验结果加以验证。六、进度安排2011年9月至2011年11月，完成开题报告，准备试验仪器与材料；2011年11月至2012年11月，进行钢筋混凝土简支梁的抗弯试验；2012年3月至2012年11月，整理试验数据，推导加固梁的挠度计算公式；2012年12月至2013年3月，完成硕士研究生论文。参考文献1 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CFRP提高钢筋混凝土梁抗弯刚度的分析与近似计算J. 结构工程师， 2003(2):50-54.13翟爱良，王乐水，张晓杰. 纤维加固混凝土梁短期刚度的实用计算J.山东农业大学学报(自然科学版)，2003，34(1):74-78.14杨玫，王苏岩. 碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯刚度计算J 建筑科学，2005，21(4): 34-37.15张珂、叶列平、岳清瑞. 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面应力及抗弯刚度J. 建筑结构，2006，36(12):65-69.16张学礼，贾瑞强，尹显南. 碳纤维布加固混凝土梁截面刚度计算及计算机模型J.工业建筑，2006，36(增刊):1042-1045.17王雷，曾德荣，朱曲平，张庆明. 碳纤维布加固钢筋混凝土梁挠度的一种计算方法J. 现代交通技术，2005，(5):32-34.18卢亦焱，张号军，周婷.碳纤维布与钢板不等长复合加固钢筋混凝土梁变形分析与计算J. 铁道科学与工程学报，2005，2(2):1-6.19曹国辉，方志，吴继峰.FRP片材加固钢筋混凝土梁二次受力试验研究J. 建筑结构，2005，35(3): 30-32.20曹国辉，邓洁.FRP片材加固钢筋混凝土梁变形性能研究J. 工程设计与建设，2005，37(1):18-21.21李贵炳，张爱晖，金伟良.钢筋混凝土梁加固时的既有荷载对其抗弯性能的影响J. 土木工程学报，2006，39(1):13-20.22Mahmoud TE1-Mihiimy，Joseph WTedescoDeflection of ReinforcdConcreteBeams Strengthened with Fiber-Reinforced Polymer(FRP)PlatesJACIStructural Journal，2000，97(5)，67968823 Rafi Muhammad Masood,Nadjai Ali,Ali Faris,Talamona Didier.Aspects of behaviourof CFRP reinforced concrete beams in bendingJ.Construction and BuildingMaterials,2008, 22(3)24Shin Yeong-Soo, Lee Chadon. 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