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摘 要混凝土以其优越的性能广泛应用于建筑、交通及水利等众多领域之中,由于设计、施工时的缺陷,长期使用过程中的损伤、劣化等原因,导致混凝土梁桥结构受损严重,对旧有梁桥进行维修加固具有重大的社会效益、经济效益及广阔的推广应用前景,本文综合运用各种基本理论和方法,探讨了不同加固方式、不同损伤状态等不同状态下混凝土试验梁受力性能的区别等,并对今后的研究进行了展望。
关键词碳纤维布;钢板;受弯加固;可靠度
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)052-0194-02
1混凝土桥梁后期加固的意义
调查数据显示,我国的干线公路,超过80%的桥梁采用简支桥梁,在平原地区此比例甚至超过90%,而简支桥梁上部结构多采用空心板与T型梁,小箱梁结构占有比重较小且发展较晚,出现的病害也不十分明显。病害主要表现为:支座一般采用橡胶支座或其它简易支座;伸缩缝多为简易断缝或油浸甘蔗板伸缩缝;铺装层以水泥混凝土铺装居多。桥梁病害主要表现为:桥面铺装层纵向裂缝开展,混凝土起皱、破损;主梁底部裂缝开展严重,锈胀裂缝分布明显;盖梁渗水,顶部受损严重,钢筋锈蚀;桥台台帽混凝土老化、破损,存在渗水、污水冲蚀和钢筋锈胀痕迹。由于桥梁结构出现了各种不同程度的隐患、缺陷或损伤,导致桥梁结构耐久性、适用性、安全性降低,情况严重时,还会导致桥梁结构失效,造成资金巨大浪费。
出现病害的梁桥结构,实际并不允许将其推倒重建的情况下,如果能够科学的评估这种损伤的程度和规律,对其自身损伤病害进行分析并采取适当的加固处理措施,即可使结构恢复原有可靠度或提高可靠度或延长使用寿命。通过科学、可靠地加固改造措施,使一批具有损伤的结构能够继续发挥其结构和使用功能,这对国力相对薄弱、经济欠发达、住房相对紧缺的国家来说是具有重要的经济意义和现实意义。
总之,延缓混凝土结构的损伤进程,以期达到延长结构使用寿命的目的,对旧有混凝土梁桥结构进行维修加固具有重大的社会效益、经济效益及广阔的推广应用前景,所以混凝土梁桥的加固日益受到人们广泛的关注,加固技术已逐渐成为工程界关注的热点问题,加强混凝土结构加固技术进行开发和研究十分有必要,更具有重要的社会效益和经济效益,是一项极具现实意义和深远影响的重大研究课题。
2结构常用加固方法概述
2.1钢筋混凝土加固方法概述
目前,需维修加固的结构大致分为两种;其一、建筑物到中后期,需加固维修改造来延长正常使用年限和提高安全性耐久性;其二、新建建筑由于设计资料不全面、施工管理较松散、施工质量低劣、结构功能的变更和使用环境变化、自然灾害等原因而存在缺陷及安全隐患,同样需要加固维修改造。
国内外工程界对混凝土结构及构件加固补强的方法主要有:
1)加大截面加固法。加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋,同时在外侧重新浇筑混凝土以增加构件截面的尺寸,来达到提高强度、刚度、稳定性和抗裂性承载力的目的,部分情况也可以用来修补裂缝。该方法施工工艺简单、适应范围广,并且具有成熟的设计及施工经验。
2)外粘型钢加固法。外粘型钢加固法是对混凝土构件外包型钢,通过外粘型钢与原构件协同受力、共同作用,来达到提高构件承载力和刚度的目的。该法主要是通过对原构件的约束来提高其承载能力和变形能力,可以大幅度提高构件承载力,多用于柱体加固,也可用于梁体加固。
3)粘贴纤维复合材加固法。粘贴纤维复合材加固法是以树脂类胶结材料为基础,将碳纤维布或板材粘贴于被加固构件的表面,利用纤维的高强度和高弹性模量达到提高结构承载力或延性的目的。粘贴纤维复合材加固法有很高的抗化学腐蚀能力和被加固结构的保护能力,提高了耐久性,强度高,不改变原有结构的外型尺寸,施工周期短,操作简单,环境影响较小,采用粘贴纤维复合材加固具有广阔的前景。
4)粘贴钢板加固法。粘钢加固加固法是以结构胶作为胶粘剂,在混凝土构件表面粘结一定厚度的钢板,使之与原结构整体协同受力,从而提高结构承载力及变形能力的一种加固方法。粘贴钢板加固法施工简便、快速,现场湿作业较少,对生产、生活影响较小,加固后对原结构外观和净空无明显影响等优点。
5)外加预应力加固法。外加预应力加固是通过预应力钢筋对结构构件施加预应力,来承担梁、板承受的部分荷载,进而提高结构构件的承载力。预应力加固的特点是通过对后加的拉杆或型钢撑杆施加预应力,改变原有受力特征,消除加固后应力滞后现象,使后加部分与原构件较好协调工作,提高原结构承载力、减小挠度变形、缩小裂缝宽度等。
6)增设支点加固法。增设支点加固是在梁板等构件下增设支点,改变结构受力体系,来达到提高桥梁承载力的目的。梁板在跨中增设支点以后,减小跨度及内力,提高结构总体承载力,减小并限制梁、板挠曲变形。
7)喷射混凝土技术。喷射混凝土技术是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将配合好的混凝土拌合料,通过管道输送并以高速喷射到受喷面上,凝结硬化成混凝土的一种加固技术。喷射混凝土具有较高力学性能和良好耐久性,特别是与混凝土、砖石、钢材具有很高的粘结强度,可以在结合面上传递拉应力和剪应力。
2.2常见两种加固方法技术特点举例
1)碳纤维布加固技术特点。与其它加固方法相比,外贴碳纤维布加固技术具有技术主要优势在于:①高强高效。CFRP具有良好的力学性能,在工程中可以充分利用其高强度、高弹性模量等优点来提高结构构件的承载力,改善结构受力性能,达到高强高效加固的目的;②施工便捷,工效高,不需要大型施工机具,施工占用场地少;③具有耐腐蚀性能及耐久性;④使用范围广,粘贴CFRP加固混凝土结构,可以广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固维修改造且不改变结构形状及外观;⑤施工质量易保证。CFRP片材是柔性的,对构件的有效粘贴率近似100%;⑥基本不增加原结构自重及原构件尺寸。
2)粘贴钢板加固技术特点。近几年来,粘贴钢板加固方法被广泛应用于各类建筑工程的加固,与其它几种加固方法相比,粘贴钢板加固有自身的一些特殊优点:①基本不增加原构件及原结构的荷载,基本不改变原设计的结构形式和受力体系;②胶粘剂硬化时间相对较快,施工周期相对较短,基本不影响正常的建筑使用;③胶粘剂强度指标高于混凝土自身强度,故可以使加固钢板与原构件协同受力、共同工作、受力均匀;④粘贴钢板加固不仅补充了原构件钢筋量的不足,有效的提高原有构件的承载能力;还通过大面积的钢板粘贴,原构件的混凝土得到了有效地保护,裂缝开展受限,提高原构件刚度及抗裂能力;⑤节约成本。
3国内外研究现状
3.1碳纤维布加固
国外方面,碳纤维布加固钢筋混凝土结构的研究在日本、德国等国家起步较早,早在八十年代初期美国就开始大量工程应用,他们研究成果比较成熟且拥有自己的碳纤维布加固设计规范。国内,上世纪九十年代引进碳纤维布加固技术,之后,国内众多科研机构及高效投入大量人力、物力进行了很多科学研究,取得许多成果,并编制出行业标准和规范。国内外主要研究有:
1)剥离破坏研究。Granju等研究粘贴破坏原因在与结合面的层间垂直应力。并详细讨论在设计中采用不同材料及不同粘结形式对实际工程应用的重要性。Amir M.Malek等提出在碳纤维板切断处τ和σ集中计算方法,研究沿梁长裂缝影响,和试验结果进行对比,结果较吻合。Christoper K.Y.Leung分析弯曲裂缝时,得出裂缝处引起剥离的最大层间剪应力,并用matlab语言进行了仿真模拟,与试验结果对比较吻合。国内,吴刚等对各种碳纤维布粘贴方式下碳纤维布与混凝土的平均粘贴应力计算方法等方面的研究。张继文等研究了外贴板加固梁中粘结界面应力分布及主要因素并用有限元分析。
2)剪切模型研究。AmirM.Malek等提出CFRP板在开裂之前剪力分析方法。其考虑碳纤维板各项异性,假设CFRP材料与混凝土无滑移、协调工作,解释重要变量参数影响,可用于完好梁和损伤梁的应力分析。国内,曹双寅等加固后主要研究承载力的提高,抗剪及开裂等性能的研究。杨勇新等对粘结界面处于正拉、纤维布与混凝土粘结强度进行了分析,提出了粘结强度的设计取值方法及具体数值。赵彤等通过试验,研究了碳纤维布对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响和作用,碳纤维布可以明显地提高梁的抗剪承载力,增强构件的变形能力,提高梁的整体性。胡孔国等在正截面承载力计算研究中,提出了考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面承载力计算方法。
3)疲劳研究。Matsni对CFRP加固板进行了疲劳试验研究,表明采用碳纤维加固可以提高板的疲劳寿命;Yoshizawa和Wu根据非线性断裂机理提出了一个分析方法来预测用碳纤维板加固后的钢筋混凝土杆件得裂缝、变形和失效特性。
4)抗弯及计算分析方法研究。Francois Buyle-Bodin等研究碳纤维板外贴钢筋混凝土试验梁抗弯性能,提出非线性有限元模型分析方法,即假定钢筋混凝土为弹塑性材料,对梁开裂进行数值模拟。通过试验来验证数值模拟的正确性。外贴碳纤维布有效增大梁抗弯承载能力,对完好试验梁提高更多Oualidlimam等研究碳纤维薄板加固,采用三层碳纤维板来加固试验梁,用极限分析理论来研究多层板的承载能力,确立不同破坏模型,并通过试验验证。国内,叶列平等研究一次受力,二次受力的公式简化计算方法及界面剥离机理等方面研究。胡孔国等在正截面承载力计算研究中,提出了考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面承载力计算方法。
3.2钢板加固
国外方面,上世纪中期,粘贴钢板加固技术最先在南非等地得到应用并取得良好的效果,进入七十年代末,该技术在世界范围内许多国家逐渐推广,广泛用于建筑、交通、水利等工程的维修改造加固。国内,粘钢加固技术在我国的应用已经有20多年的历史,随着建筑结构胶粘剂逐渐发展成熟,更为粘贴钢板加固技术在我国的应用开辟了广阔的前景。国内外其主要成果如下:
1)抗弯加固研究。Fleming、King采用外粘钢板加固素混凝土受弯梁取的成功,这是该技术的首次应用。S. K. Solomon在试验的基础上提出抗弯计算公式。R. Jones等通过少筋梁粘钢加固、超筋梁粘钢加固试验分析,提出粘贴钢板加固试验梁的破坏形式。黄勤等通过计算及试验对比研究,分析粘钢加固受力机理、强度、刚度等一系列指标进行研究,中屠龙等对低强度等级钢筋混凝土梁的粘钢加固进行试验研究,认为只要采用适当的加固方案,粘贴钢板能够与梁共同工作,并显著提高其承载能力。
2)受剪剥离加固研究。R.N.Swamy对粘贴钢板加固后构件的耐久性进行试验分析研究。之后,又对粘钢加固混凝土梁抗剪性能试验对比分析,分析各种参量对加固后抗剪性能的影响。Oehles, Deric John对剥离破坏进行了详细的试验研究。吴耀辉等通过试验探讨分析粘贴滑移、破坏状态、锚固长度等性能指标。李文盛等对粘贴钢板加固试验梁的受弯剪承载能力、破坏形态及机理、在动荷载作用下的粘钢加固试验梁的刚度、挠度进行等指标了一系列试验研究,肖建庄等对三种不同的抗剪加固方法进行对比试验后得出结论并建议粘钢加固时采用膨胀螺栓进行锚固,张素梅对外粘钢板加强钢筋混凝土梁正截面强度进行分析。
3)有限元分析研究及疲劳研究。T.M.Roberts等采用弹塑性力学对粘钢加固混凝土试验梁进行理论研究,分析降低钢板端部应力集中原因,讨论粘钢加固梁τ和σ在胶结处应力的分布规律。刘祖华等采用弹性塑性梁理论及有限元法对粘钢加固梁进行分析,给出钢板和混凝土层间剪应力的解析解,推导出钢板σ和f的计算公式。梁丛中通过动载试验,对粘贴钢板加固框架梁在抗震荷载作用下进行了分析研究,万墨林等采用胶粘、膨胀螺栓锚固和胶栓共同粘锚三种方案进行加固梁进行抗疲劳性能研究。
4目前研究中存在的不足
粘贴纤维片材加固与粘贴钢板加固是工程界最常用的加固方法,现行研究及规范偏向于加固基本公式的推导、系数的修订。而加固后安全性即依据加固规范所制定的方案与构件在实际工程中的区别、承载力能否达到要求研究较少;加固后可靠度特别是基于实际检测数据的加固后构件及结构可靠度研究更少,因此,加强在此方面研究就显得十分必要、也相当关键。
4.1碳纤维布加固
碳纤维布加固技术在钢筋混凝土结构中的研究及应用已经相当的普及,目前设计有GB50367-2006、JTG/TJ122-2008、CECS146:2003等规范规程,但仍有一些尚待进一步研究的问题。
1)碳纤维布加固钢筋混凝土试验梁计算分析理论方法尚未形成统一的观点,截面应变分布采用平截面假定认为宜用和不宜用的各占到50%左右,但均认为这个假定不理想。
2)目前规范针对碳纤维布的应用更多的局限于静荷载状态,而对承受动荷载状态下的碳纤维布加固混凝土研究相对较少。
3)对于U型箍抗剪加固的计算公式的推导研究相对较少,规范设计偏于保守。
4)碳纤维加固后的可靠度方面相关研究较少,特别是基于实际检测值加固后的可靠度计算分析更少。
4.2钢板加固
目前针对外粘钢板加固的设计规范有GB50367-2006、JTG/TJ122-2008,但其中仍有一些问题需进一步研究。
1)目前规范中,钢板加固局限于静荷载状态,而对承受动荷载作用下的钢板加固混凝土研究较少。
2)规范中没有给定控制构件变形和裂缝开展的措施、早期破坏受力机理、计算方法的研究现在还处于探讨阶段。
3)钢板加固后的可靠度方面相关研究较少,特别是基于实际检测值加固后的可靠度分析计算更少。
4)在特殊环境下,钢板加固混凝土结构的耐久性、耐腐蚀、耐高温等受力性能的研究尚研究较少。
5展望
结构加固研究是一门涉及问题多、范围广、影响因素多且分析较为复杂的一门课题,本文所做的工作很基础,限于试验深度、广度以及本人的理论水平,仍有以下问题需进一步研究,概括如下:
1)碳纤维布加固。目前,对于碳纤维布加固钢筋混凝土试验梁计算方法尚未形成统一的观点,其截面应变分布采用平截面假定持可用和不宜用的各占50%,但均认为这个假定不理想,因此,计算公式仍需要进一步完善;针对碳纤维布加固钢筋混凝土结构的应用,规范只局限于静荷载状态,而对于承受动荷载的钢筋混凝土结构理论研究较少,实际工程应用更少,碳纤维布加固能否在动荷载状态下应用需进一步研究;对于U型箍抗剪加固的计算还未有计算公式,在此方面研究甚少,规范设计偏于保守。
2)钢板加固。钢板加固研究目前也局限于静荷载状态,而对承受动荷载作用下的钢板加固混凝土的实际工程应用甚少,因此加强此方面研究很有必要;粘钢加固后,钢板与原梁一起受力,钢板应变滞后于原梁内钢筋,如何考虑二次受力问题,保证加固后不脱粘且有效粘结,也是一个值得研究探讨的问题;在特殊环境下,钢板加固混凝土结构的耐久性、耐腐蚀、耐高温等受力性能的研究尚待进一步加强。
参考文献
[1]薛飞.旧桥梁检测理论与试验研究[D].武汉大学,2004.
[2]黄兴棣,田炜,王永维,娄宇.建筑物鉴定加固与增层改造[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
[3]王文炜.FRP加固混凝土结构技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[4]曹双寅,邱洪兴,王恒华.结构可靠性鉴定与加固技术[M].中国水利水电出版社,2002.
[5]GB 50367-2006 混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[6]JTG/T J22-2008 公路桥梁加固设计规范[S].北京:人民交通出版社,2008.
[7]CECS 146:2003 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版设,2003.
关键词碳纤维布;钢板;受弯加固;可靠度
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)052-0194-02
1混凝土桥梁后期加固的意义
调查数据显示,我国的干线公路,超过80%的桥梁采用简支桥梁,在平原地区此比例甚至超过90%,而简支桥梁上部结构多采用空心板与T型梁,小箱梁结构占有比重较小且发展较晚,出现的病害也不十分明显。病害主要表现为:支座一般采用橡胶支座或其它简易支座;伸缩缝多为简易断缝或油浸甘蔗板伸缩缝;铺装层以水泥混凝土铺装居多。桥梁病害主要表现为:桥面铺装层纵向裂缝开展,混凝土起皱、破损;主梁底部裂缝开展严重,锈胀裂缝分布明显;盖梁渗水,顶部受损严重,钢筋锈蚀;桥台台帽混凝土老化、破损,存在渗水、污水冲蚀和钢筋锈胀痕迹。由于桥梁结构出现了各种不同程度的隐患、缺陷或损伤,导致桥梁结构耐久性、适用性、安全性降低,情况严重时,还会导致桥梁结构失效,造成资金巨大浪费。
出现病害的梁桥结构,实际并不允许将其推倒重建的情况下,如果能够科学的评估这种损伤的程度和规律,对其自身损伤病害进行分析并采取适当的加固处理措施,即可使结构恢复原有可靠度或提高可靠度或延长使用寿命。通过科学、可靠地加固改造措施,使一批具有损伤的结构能够继续发挥其结构和使用功能,这对国力相对薄弱、经济欠发达、住房相对紧缺的国家来说是具有重要的经济意义和现实意义。
总之,延缓混凝土结构的损伤进程,以期达到延长结构使用寿命的目的,对旧有混凝土梁桥结构进行维修加固具有重大的社会效益、经济效益及广阔的推广应用前景,所以混凝土梁桥的加固日益受到人们广泛的关注,加固技术已逐渐成为工程界关注的热点问题,加强混凝土结构加固技术进行开发和研究十分有必要,更具有重要的社会效益和经济效益,是一项极具现实意义和深远影响的重大研究课题。
2结构常用加固方法概述
2.1钢筋混凝土加固方法概述
目前,需维修加固的结构大致分为两种;其一、建筑物到中后期,需加固维修改造来延长正常使用年限和提高安全性耐久性;其二、新建建筑由于设计资料不全面、施工管理较松散、施工质量低劣、结构功能的变更和使用环境变化、自然灾害等原因而存在缺陷及安全隐患,同样需要加固维修改造。
国内外工程界对混凝土结构及构件加固补强的方法主要有:
1)加大截面加固法。加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋,同时在外侧重新浇筑混凝土以增加构件截面的尺寸,来达到提高强度、刚度、稳定性和抗裂性承载力的目的,部分情况也可以用来修补裂缝。该方法施工工艺简单、适应范围广,并且具有成熟的设计及施工经验。
2)外粘型钢加固法。外粘型钢加固法是对混凝土构件外包型钢,通过外粘型钢与原构件协同受力、共同作用,来达到提高构件承载力和刚度的目的。该法主要是通过对原构件的约束来提高其承载能力和变形能力,可以大幅度提高构件承载力,多用于柱体加固,也可用于梁体加固。
3)粘贴纤维复合材加固法。粘贴纤维复合材加固法是以树脂类胶结材料为基础,将碳纤维布或板材粘贴于被加固构件的表面,利用纤维的高强度和高弹性模量达到提高结构承载力或延性的目的。粘贴纤维复合材加固法有很高的抗化学腐蚀能力和被加固结构的保护能力,提高了耐久性,强度高,不改变原有结构的外型尺寸,施工周期短,操作简单,环境影响较小,采用粘贴纤维复合材加固具有广阔的前景。
4)粘贴钢板加固法。粘钢加固加固法是以结构胶作为胶粘剂,在混凝土构件表面粘结一定厚度的钢板,使之与原结构整体协同受力,从而提高结构承载力及变形能力的一种加固方法。粘贴钢板加固法施工简便、快速,现场湿作业较少,对生产、生活影响较小,加固后对原结构外观和净空无明显影响等优点。
5)外加预应力加固法。外加预应力加固是通过预应力钢筋对结构构件施加预应力,来承担梁、板承受的部分荷载,进而提高结构构件的承载力。预应力加固的特点是通过对后加的拉杆或型钢撑杆施加预应力,改变原有受力特征,消除加固后应力滞后现象,使后加部分与原构件较好协调工作,提高原结构承载力、减小挠度变形、缩小裂缝宽度等。
6)增设支点加固法。增设支点加固是在梁板等构件下增设支点,改变结构受力体系,来达到提高桥梁承载力的目的。梁板在跨中增设支点以后,减小跨度及内力,提高结构总体承载力,减小并限制梁、板挠曲变形。
7)喷射混凝土技术。喷射混凝土技术是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将配合好的混凝土拌合料,通过管道输送并以高速喷射到受喷面上,凝结硬化成混凝土的一种加固技术。喷射混凝土具有较高力学性能和良好耐久性,特别是与混凝土、砖石、钢材具有很高的粘结强度,可以在结合面上传递拉应力和剪应力。
2.2常见两种加固方法技术特点举例
1)碳纤维布加固技术特点。与其它加固方法相比,外贴碳纤维布加固技术具有技术主要优势在于:①高强高效。CFRP具有良好的力学性能,在工程中可以充分利用其高强度、高弹性模量等优点来提高结构构件的承载力,改善结构受力性能,达到高强高效加固的目的;②施工便捷,工效高,不需要大型施工机具,施工占用场地少;③具有耐腐蚀性能及耐久性;④使用范围广,粘贴CFRP加固混凝土结构,可以广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固维修改造且不改变结构形状及外观;⑤施工质量易保证。CFRP片材是柔性的,对构件的有效粘贴率近似100%;⑥基本不增加原结构自重及原构件尺寸。
2)粘贴钢板加固技术特点。近几年来,粘贴钢板加固方法被广泛应用于各类建筑工程的加固,与其它几种加固方法相比,粘贴钢板加固有自身的一些特殊优点:①基本不增加原构件及原结构的荷载,基本不改变原设计的结构形式和受力体系;②胶粘剂硬化时间相对较快,施工周期相对较短,基本不影响正常的建筑使用;③胶粘剂强度指标高于混凝土自身强度,故可以使加固钢板与原构件协同受力、共同工作、受力均匀;④粘贴钢板加固不仅补充了原构件钢筋量的不足,有效的提高原有构件的承载能力;还通过大面积的钢板粘贴,原构件的混凝土得到了有效地保护,裂缝开展受限,提高原构件刚度及抗裂能力;⑤节约成本。
3国内外研究现状
3.1碳纤维布加固
国外方面,碳纤维布加固钢筋混凝土结构的研究在日本、德国等国家起步较早,早在八十年代初期美国就开始大量工程应用,他们研究成果比较成熟且拥有自己的碳纤维布加固设计规范。国内,上世纪九十年代引进碳纤维布加固技术,之后,国内众多科研机构及高效投入大量人力、物力进行了很多科学研究,取得许多成果,并编制出行业标准和规范。国内外主要研究有:
1)剥离破坏研究。Granju等研究粘贴破坏原因在与结合面的层间垂直应力。并详细讨论在设计中采用不同材料及不同粘结形式对实际工程应用的重要性。Amir M.Malek等提出在碳纤维板切断处τ和σ集中计算方法,研究沿梁长裂缝影响,和试验结果进行对比,结果较吻合。Christoper K.Y.Leung分析弯曲裂缝时,得出裂缝处引起剥离的最大层间剪应力,并用matlab语言进行了仿真模拟,与试验结果对比较吻合。国内,吴刚等对各种碳纤维布粘贴方式下碳纤维布与混凝土的平均粘贴应力计算方法等方面的研究。张继文等研究了外贴板加固梁中粘结界面应力分布及主要因素并用有限元分析。
2)剪切模型研究。AmirM.Malek等提出CFRP板在开裂之前剪力分析方法。其考虑碳纤维板各项异性,假设CFRP材料与混凝土无滑移、协调工作,解释重要变量参数影响,可用于完好梁和损伤梁的应力分析。国内,曹双寅等加固后主要研究承载力的提高,抗剪及开裂等性能的研究。杨勇新等对粘结界面处于正拉、纤维布与混凝土粘结强度进行了分析,提出了粘结强度的设计取值方法及具体数值。赵彤等通过试验,研究了碳纤维布对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响和作用,碳纤维布可以明显地提高梁的抗剪承载力,增强构件的变形能力,提高梁的整体性。胡孔国等在正截面承载力计算研究中,提出了考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面承载力计算方法。
3)疲劳研究。Matsni对CFRP加固板进行了疲劳试验研究,表明采用碳纤维加固可以提高板的疲劳寿命;Yoshizawa和Wu根据非线性断裂机理提出了一个分析方法来预测用碳纤维板加固后的钢筋混凝土杆件得裂缝、变形和失效特性。
4)抗弯及计算分析方法研究。Francois Buyle-Bodin等研究碳纤维板外贴钢筋混凝土试验梁抗弯性能,提出非线性有限元模型分析方法,即假定钢筋混凝土为弹塑性材料,对梁开裂进行数值模拟。通过试验来验证数值模拟的正确性。外贴碳纤维布有效增大梁抗弯承载能力,对完好试验梁提高更多Oualidlimam等研究碳纤维薄板加固,采用三层碳纤维板来加固试验梁,用极限分析理论来研究多层板的承载能力,确立不同破坏模型,并通过试验验证。国内,叶列平等研究一次受力,二次受力的公式简化计算方法及界面剥离机理等方面研究。胡孔国等在正截面承载力计算研究中,提出了考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面承载力计算方法。
3.2钢板加固
国外方面,上世纪中期,粘贴钢板加固技术最先在南非等地得到应用并取得良好的效果,进入七十年代末,该技术在世界范围内许多国家逐渐推广,广泛用于建筑、交通、水利等工程的维修改造加固。国内,粘钢加固技术在我国的应用已经有20多年的历史,随着建筑结构胶粘剂逐渐发展成熟,更为粘贴钢板加固技术在我国的应用开辟了广阔的前景。国内外其主要成果如下:
1)抗弯加固研究。Fleming、King采用外粘钢板加固素混凝土受弯梁取的成功,这是该技术的首次应用。S. K. Solomon在试验的基础上提出抗弯计算公式。R. Jones等通过少筋梁粘钢加固、超筋梁粘钢加固试验分析,提出粘贴钢板加固试验梁的破坏形式。黄勤等通过计算及试验对比研究,分析粘钢加固受力机理、强度、刚度等一系列指标进行研究,中屠龙等对低强度等级钢筋混凝土梁的粘钢加固进行试验研究,认为只要采用适当的加固方案,粘贴钢板能够与梁共同工作,并显著提高其承载能力。
2)受剪剥离加固研究。R.N.Swamy对粘贴钢板加固后构件的耐久性进行试验分析研究。之后,又对粘钢加固混凝土梁抗剪性能试验对比分析,分析各种参量对加固后抗剪性能的影响。Oehles, Deric John对剥离破坏进行了详细的试验研究。吴耀辉等通过试验探讨分析粘贴滑移、破坏状态、锚固长度等性能指标。李文盛等对粘贴钢板加固试验梁的受弯剪承载能力、破坏形态及机理、在动荷载作用下的粘钢加固试验梁的刚度、挠度进行等指标了一系列试验研究,肖建庄等对三种不同的抗剪加固方法进行对比试验后得出结论并建议粘钢加固时采用膨胀螺栓进行锚固,张素梅对外粘钢板加强钢筋混凝土梁正截面强度进行分析。
3)有限元分析研究及疲劳研究。T.M.Roberts等采用弹塑性力学对粘钢加固混凝土试验梁进行理论研究,分析降低钢板端部应力集中原因,讨论粘钢加固梁τ和σ在胶结处应力的分布规律。刘祖华等采用弹性塑性梁理论及有限元法对粘钢加固梁进行分析,给出钢板和混凝土层间剪应力的解析解,推导出钢板σ和f的计算公式。梁丛中通过动载试验,对粘贴钢板加固框架梁在抗震荷载作用下进行了分析研究,万墨林等采用胶粘、膨胀螺栓锚固和胶栓共同粘锚三种方案进行加固梁进行抗疲劳性能研究。
4目前研究中存在的不足
粘贴纤维片材加固与粘贴钢板加固是工程界最常用的加固方法,现行研究及规范偏向于加固基本公式的推导、系数的修订。而加固后安全性即依据加固规范所制定的方案与构件在实际工程中的区别、承载力能否达到要求研究较少;加固后可靠度特别是基于实际检测数据的加固后构件及结构可靠度研究更少,因此,加强在此方面研究就显得十分必要、也相当关键。
4.1碳纤维布加固
碳纤维布加固技术在钢筋混凝土结构中的研究及应用已经相当的普及,目前设计有GB50367-2006、JTG/TJ122-2008、CECS146:2003等规范规程,但仍有一些尚待进一步研究的问题。
1)碳纤维布加固钢筋混凝土试验梁计算分析理论方法尚未形成统一的观点,截面应变分布采用平截面假定认为宜用和不宜用的各占到50%左右,但均认为这个假定不理想。
2)目前规范针对碳纤维布的应用更多的局限于静荷载状态,而对承受动荷载状态下的碳纤维布加固混凝土研究相对较少。
3)对于U型箍抗剪加固的计算公式的推导研究相对较少,规范设计偏于保守。
4)碳纤维加固后的可靠度方面相关研究较少,特别是基于实际检测值加固后的可靠度计算分析更少。
4.2钢板加固
目前针对外粘钢板加固的设计规范有GB50367-2006、JTG/TJ122-2008,但其中仍有一些问题需进一步研究。
1)目前规范中,钢板加固局限于静荷载状态,而对承受动荷载作用下的钢板加固混凝土研究较少。
2)规范中没有给定控制构件变形和裂缝开展的措施、早期破坏受力机理、计算方法的研究现在还处于探讨阶段。
3)钢板加固后的可靠度方面相关研究较少,特别是基于实际检测值加固后的可靠度分析计算更少。
4)在特殊环境下,钢板加固混凝土结构的耐久性、耐腐蚀、耐高温等受力性能的研究尚研究较少。
5展望
结构加固研究是一门涉及问题多、范围广、影响因素多且分析较为复杂的一门课题,本文所做的工作很基础,限于试验深度、广度以及本人的理论水平,仍有以下问题需进一步研究,概括如下:
1)碳纤维布加固。目前,对于碳纤维布加固钢筋混凝土试验梁计算方法尚未形成统一的观点,其截面应变分布采用平截面假定持可用和不宜用的各占50%,但均认为这个假定不理想,因此,计算公式仍需要进一步完善;针对碳纤维布加固钢筋混凝土结构的应用,规范只局限于静荷载状态,而对于承受动荷载的钢筋混凝土结构理论研究较少,实际工程应用更少,碳纤维布加固能否在动荷载状态下应用需进一步研究;对于U型箍抗剪加固的计算还未有计算公式,在此方面研究甚少,规范设计偏于保守。
2)钢板加固。钢板加固研究目前也局限于静荷载状态,而对承受动荷载作用下的钢板加固混凝土的实际工程应用甚少,因此加强此方面研究很有必要;粘钢加固后,钢板与原梁一起受力,钢板应变滞后于原梁内钢筋,如何考虑二次受力问题,保证加固后不脱粘且有效粘结,也是一个值得研究探讨的问题;在特殊环境下,钢板加固混凝土结构的耐久性、耐腐蚀、耐高温等受力性能的研究尚待进一步加强。
参考文献
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