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                        嵌入FRP板加固鋼筋混凝土工程研究

                        添加時間:2020/05/20 來源:吉林建筑大學 作者:王熠
                        纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)具備輕質高強耐腐蝕等諸多優點,通過在待加固構件表面開槽,嵌入FRP材料,再使用環氧樹脂結構膠使 FRP 與構件緊密結合,以達到提高建筑結構抗彎、抗剪承載力的目的。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          土木工程結構在使用期間,由于材料出現腐蝕、老化和遭受地震等意外作用,結構出現了安全隱患。許多土木工程結構受到經濟、文化等因素的制約,并不能拆除,對土木工程結構進行加固研究日益受到各界的關注。"嵌入式加固技術"是近些年興起的一項加固技術,具有較好的發展前景。纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic,FRP)具備輕質高強耐腐蝕等諸多優點,通過在待加固構件表面開槽,嵌入FRP材料,再使用環氧樹脂結構膠使 FRP 與構件緊密結合,以達到提高建筑結構抗彎、抗剪承載力的目的。

                          本文通過六根試驗梁(其中兩根對比梁,四根加固梁)對嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能進行試驗研究,考慮了FRP板間距、FRP粘結面積和箍筋間距三個參數,探討了嵌入FRP加固梁抗剪的破壞機理,討論了加固梁的荷載-撓度曲線,荷載-應變曲線和斜裂縫的開展情況,研究各參數對抗剪承載力的影響;總結了嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的破壞機理,推導出嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的計算公式,理論計算值和試驗值吻合較好,為 FRP 嵌入式加固工程提供參考。

                          關鍵字:嵌入式加固;FRP,抗剪承載力計算;破壞模式

                          Abstract

                          During the normal use of the civil infrastructure, along with the corrosion degrading material of the structure, and the earthquake, the structure presents a safety hazard. Many structure are restricted by economic and cultural factors, and they cannot be dismantled. Research on structural strengthening of buildings has received increasing attention. "Near surface mounted" is a new and promising strengthening technology in recent years. Fiber Reinforced Plastic (FRP) has many advantages such as light weight, high strength and corrosion resistance, the concrete cover is grooved on the surface of the member to be strengthened. The FRP material is embedded, and the epoxy resin is put into the groove, and the component tightly combined to achieve the purpose of improving the bending and shear bearing capacity of the building structure.

                          In this paper, the shear behavior of reinforced concrete beams embedded with FRP plates is tested by six test beams (two of which are comparative beams and four strengthened beams)。 Three effect factors of FRP plate spacing, FRP bonding area and stirrup spacing are considered. The failure mechanism of the FRP strengthened beams is discussed. The load-deflection curves, load-strain curves and cracks of the strengthened beams are summarized. The influence of shear capacity is summarized. The failure mechanism of reinforced concrete beams strengthened with FRP plate is summarized. The ultimate-shear wad carry capacity is derived. The theoretical calculation value and experimental value are compared to determine the rationality of the formula.

                          Keywords: near-surface mounted; FRP; shear strength calculation; failure mechanism.

                        目錄

                          第1章緒論

                          1.1混凝土結構加固的目的

                          作為土木工程結構的主要材料,鋼筋混凝土的使用已有近兩個世紀[1].在混凝土中加入適量鋼筋,組成鋼筋混凝土結構。由于兩者之間存在粘結應力,受荷載后能協調變形,因此鋼筋和混凝土這兩種力學性能不盡相同的材料能有效地結合共同在結構中持載,兩種材料的溫度線膨脹系數相近;炷鳛殇摻畹谋Wo層,保證鋼筋不受外界的腐蝕,同時能加強構件的防火性能。鋼筋混凝土結構能合理利用兩者力學性能的優勢,能形成強度較高,剛度較大的結構。使用鋼筋混凝土結構能保證結構的耐久性能和防火性能[2],可塑性好,靈活性強,整體性以及延性都優于以往的磚混結構,能在多震地區更好地抵抗外力作用,因此在土木工程領域中能得到廣泛應用。隨著時間的推移,國內外的鋼筋混凝土結構工程大多已經歷時彌久。

                          工程已存在不小的安全隱患,多年來結構的自身材料受到人為和自然環境的共同作用下,發生不同程度的老化和損傷。比如在持載過程中材料受到腐蝕進而導致混凝土結構損傷和破壞;混凝土的碳化、凍融和腐蝕等損傷;自然和人為災害(如:地震、爆炸等)引起混凝土的破壞等。在我國,設計基準期一般是五十年,建國后建造的建筑物大多已超過五十年,對于這些建筑物從歷史、文化、經濟上的角度考慮,無法拆除重建[3],急需進行加固修復,以保證土木工程結構的安全性,因此結構加固工程應運而生。

                          鋼筋混凝土結構是目前存在最多、應用最廣泛的建筑結構。這些建筑物在使用過程中,建筑材料受到化學腐蝕等多方面因素的影響,建筑結構存在諸多安全隱患,結構的安全性無法保證。因為人為設計失誤、偷工減料,縮短施工周期等問題,無法達到預期要求。針對這些建筑物要及時采取有效措施進行加固補強,避免發生安全事故。隨著國民經濟的飛速發展,結構加固產業擁有廣闊的發展前景。

                          為響應我國節能減排的環保政策,推進綠色建筑發展,對已存在的建筑物進行加固修復,既能達到延長建筑結構使用壽命的目的,又能滿足節能減排的國家戰略,符合我國的綠色建筑理念。

                          1.2混凝土結構加固技術

                          混凝土結構由于受到酸堿鹽等惡劣環境的侵蝕以及地震等自然災害的影響,出于結構安全以及經濟的原因,結構工程師們已在加固補強混凝土結構領域中進行了大量開發研究,已有多種針對建筑物的加固方法。傳統的混凝土結構加固方法[4]主要有:(1)加大截面加固法[5]

                          該方法就是采用同種材料增加對原有的結構構件或建筑物的截面尺寸進而提高結構構件承載力和構件剛度的方法。該方法增加了構件的截面剛度并且提高構件的承載力,改變其固有振動頻率,并在一定程度上提高正常使用階段的性能。施工過程簡易,適應性強,并具有成熟的設計理念及施工經驗,經濟可靠;其主要缺陷是加大構件自重及截面尺寸,加固后的建筑物使用面積可能減小,幾何協調性差,明顯減小建筑物凈空間,現場施工的濕作業時間較長,對周邊環境影響較大。

                         。2)粘鋼加固法是一種使用結構膠粘貼在構件表面鋼板加強結構構件的方法,粘鋼加固法[6]在不增加構件截面尺寸的前提下,大大增大了結構的延展性及剛度,并且具備良好的完整性來提高承載力。該加固法的施工快速,且加固后不會影響原結構的外觀;粘鋼加固法使用的鋼材數量大,濕工作量多,對施工要求較高,操作難度大。

                         。3)預應力加固法通過額外施加預應力鋼筋[7],將預應力施加在鋼筋構件上,對部分荷載進行承擔,使得構件的承載力大大提高,并利用將撓度與縫寬的縮小來將結構的剛度增大。采用預應力加固既不增加試件的橫截面,又不影響平面的視覺效果,能較大幅度地提高結構整體承載力,加固成本較低,加固效果較好。

                          但該加固法存在應力超前和滯后的問題,初始構件受預應力出現壓縮變形使其控制張力的影響很大,難于精確控制,并產生反拱效應,因此不宜用于混凝土收縮徐變大的結構。

                         。4)增加支點加固法增加支點法[8]是通過增加諸如梁和板之類的構件下的支點的數量,來減小計算構件的長度和變形,并將構件在進行受力時的彎距與荷載效應減小,使得構件的承載力大大提高,也可以將其裂縫的寬度縮小,這樣就能顯著改善結構的穩定性。結構的穩定性得到顯著改善,支點主要分為兩種類型:剛性和彈性,并用于不受限制的梁、板、桁架等。

                         。5)增設構件加固法增設構件法[9]是在原始結構中的添置新部件,并降低原始構件的受力作用面積,從而達到結構加固的目的。此種加固方法施工時對原有結構保護較好,操作上簡單便捷,但是要注意會對原結構產生一定程度上的影響,該方法通常用于增強對于使用功能無具體要求的結構或是大跨度結構的加固。

                         。6)繞絲法這種結構加固方法是將鋼絲纏繞在混凝土構件周圍,同混凝土協調作業以提高承載能力。它適用于混凝土結構構件抗剪承載能力不足,或者受壓構件需要添加橫向約束時采用,施工限制因素多,不易操作。

                         。7)置換混凝土加固法[10]

                          該方法主要適用于加固混凝土承重構件,例如構件受壓區強度不夠或缺陷嚴重的的梁和柱。優點類似于前面加大截面的方法,并且加固后對原建筑空間的影響較小,但建筑也面臨著長時間濕作業的不足。

                          上述方法在一定程度上均能達到改善結構功能并且提高極限承載力的目的,但也同時存在以下缺陷:

                         、俳Y構自重增加了,節點不易處理;②影響了建筑物的外觀和使用和功能;③耐疲勞性差,結構功能不能發揮作用;④施工周期較長施工質量難以保證,影響施工進度。

                          采用新型復合材料(FRP)對混凝土結構進行加固已經逐步取代傳統加固法,復合材料加固法具有諸多傳統加固方法(如預應力加固法、粘貼加固法等)不具備的特性,能彌補傳統加固法的缺點。在歐美日等發達國家或地區,已經開始采用粘結碳纖維增強聚合物的方法對建筑物進行加固補強。復合材料加固后優勢在于原始構件的尺寸基本上不改變,幾乎不增加結構自重、適用于橋、梁、樓板等結構,施工工藝較為簡單且加固效果明顯提高,在工程界應用廣泛,發展規模逐步壯大,目前,采取新型復合材料加固構件已經成為結構加固的第一選擇。

                          我國在復合材料加固領域內起步較晚,但發展速度很快。到了上世紀末期,我國有關學者針對FRP復合材料在建筑結構加固的應用領域展開研究,實際建筑工程中已有相關成果被采用,我國住建部于2003年首次頒布《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》、《建筑抗震加固技術規程》等相關規范[11],再一次證明了FRP這一新型復合材料的優越性,可以在建筑工程、橋梁工程和巖土工程中廣泛應用。

                          1.3FRP材料特性纖維增強

                          復合材料[12](FiberReinforcedPlastic)是近幾十年來土木工程中發展起來的一類新型結構材料,由碳纖維(Carbon)、玻璃纖維(Glass)、芳綸纖維(Aramid)等纖維材料與基體材料(樹脂)按一定比例混合,按照特定的加工工藝形成的高性能型材料,新型復合材料具有比強度高、抗腐蝕、抗疲勞性能好、和良好的可設計性、絕緣等特性,能滿足結構加固的要求。下表1-1為各種類型的FRP材料性能。

                          近些年,FRP原材料價格和制作成本逐漸下調,加工工藝日漸成熟,采用FRP復合材料適用于新建結構和原有結構的加固中,對建筑結構進行加固已經成為國內外加固領域的首選。各國已有相關成熟的設計規范可供參考,比如美國混凝土協會ACI440.1R?06《FRP筋增強混凝土結構設計與施工規范》[13]、ACI440.2R?08《FRP外粘結加固混凝土結構設計與施工規范》,我國在2003年出臺的《纖維片材加固混凝土結構技術規程》[14].

                          FRP材料具備有以下性能特點[15]:

                          1.抗拉強度高,FRP材料的抗拉強度明顯比鋼筋的抗拉強度強,一般是普通鋼筋的3倍甚至10倍,FRP材料在達到抗拉強度前幾乎不產生塑性變形,因此FRP材料可用于住宅橋梁等結構構件中提高構件的抗彎和抗剪能力。

                          2.抗腐蝕性好,FRP材料抗腐蝕性能好,可無需考慮腐蝕問題,能在酸、堿及潮濕的環境中穩定使用,尤其是在寒冷地區和海港,使用FRP結構來抵抗除冰鹽的腐蝕,可大大降低維護費用并延長結構壽命,這是普通結構材料無法比擬的。

                          3.高強重量比,FRP材料輕質高強,相對密度在1.5~2.0之間,其重量是普通鋼筋的五分之一,能減輕結構自重,并提高施工作業效率。

                          4.絕緣、隔熱及電磁波,熱膨脹系數與混凝土接近,當環境溫度發生變化時,FRP復合材料能與混凝土相互協調,兩者之間的溫度應力相差不大,能提高材料與混凝土的粘結應力。

                          5.結構穩定,開裂少。FRP材料添加預應力使結構在正常使用的情況下不產生裂縫或者開裂得較晚。

                          6.FRP筋與傳統鋼筋材料及設計區別鋼筋在混凝土結構中受力存在屈服狀態,而FRP材料則是線性行為,沒有屈服的狀態,同時FRP筋的彈性模量小于鋼筋的彈性模量,而FRP材料抗拉強度是鋼筋的5倍以上,因此FRP加固砼結構受力所產生的裂縫寬度和撓度對比鋼筋混凝土結構要大得多,為了利用混凝土的非線性特性來提供足夠結構預警,FRP筋往往采用超筋的設計理念,使結構在斷裂前提供充分預警。

                          1.4兩種FRP加固技術比較

                          FRP纖維增強復合材料憑借自身輕質高強,耐腐蝕性強,施工便捷,可設計性強等多種特性近年來在建筑結構工程得到廣泛關注及應用。隨著工藝流程的進步和更新,FRP的制作成本也在逐漸降低,在定期需要結構加固的建筑、橋梁、隧道等結構工程中采用FRP加固比采用鋼筋加固性價比更高,對于提高建筑結構的抗彎抗剪效果更明顯。國內外已有多項采用FRP加固的實例。

                          FRP加固混凝土結構的加固方式按照加固位置分為外貼加固和嵌入式加固,下面對這兩種方法進行介紹。

                          表面粘貼FRP加固法[16]

                          該方法是將纖維增強復合材料(主要是纖維織布材和纖維板材)配合結構膠粘結在待加固的混凝土結構表面進行加固補強,也被稱作外貼纖維復合材料法。材料是以碳纖維、玻璃纖維等復合材料為主,該方法能提高加固構件的截面抗彎、抗剪承載力,加固后能進一步加強構件的結構穩定性。表面粘結法使用的纖維材料輕質高強、耐疲勞、耐腐蝕、施工便捷、工效高,可在多種形狀的結構構件上加固。工程上常用的表面粘貼加固方法[17]有三種:(1)側面粘貼(2)U形粘貼(3)包裹粘貼。如圖1-2所示:

                          表面粘貼FRP加固法存在以下的缺點:

                         。1)FRP材料通過結構膠外貼在構件表面上,相當于FRP材料直接與外部環境接觸,容易受到日照、高溫、高濕度、腐蝕的環境因素影響,也易受到外力的撞擊破壞;

                         。2)防火性差,這是表面粘貼法不可避免的問題所在,由于加固膠防火性較差,這是表面粘貼FRP加固方法不可避免的問題;

                         。3)由于使用表面粘貼法對養護要求較高,即使養護完成后也很容易發生剝離脫落的現象,導致采用表面粘貼的構件加固質量較差;因此,近些年來有關學者[18]提出了"嵌入式加固技術"Nearsurfacemounted簡稱NSM)。

                          嵌入式加固法[19]是在待加固構件表層開槽,將FRP材料填入其中,最后灌入粘結劑保證FRP材料與結構構件緊密結合,填平凹槽的方法。嵌入式加固法在養護一段時間后能達到提高構件抗剪和抗彎承載力的目的。嵌入FRP材料的加固法具有施工及養護周期短,施工工藝要求較低的特點;FRP材料嵌入構件內部能有效避免材料受到外界(如高溫、外力)的不利影響;而且克服了表面粘貼法難以在溫度高、濕度大的環境下施工的弱點;安裝時便于與相鄰構件錨固。

                          與FRP表面粘貼法相比嵌入式加固法具備以下優勢[20]:

                         。1)采用嵌入FRP加固法,由于FRP材料完全嵌在混凝土內,能避免FRP材料與外界接觸,能最大限度發揮FRP材料的強度;由于FRP材料與混凝土的粘結面積增加,材料與原構件粘結性更好,這樣有利于FRP材料加固效率的提高,同時減少構件的表面處理工作量,節省時間;

                         。2)采用嵌入FRP加固法,可以用材料性能更好的結構膠或粘結劑代替環氧樹脂,應用于環境惡劣的結構加固工程中。

                         。3)能提高構件的防火性、耐腐蝕性。

                          參考LauraDerenzis[21]等人嵌入FRP板條加固法對鋼筋混凝上梁進行的相關試驗,試驗結果顯示,被FRP板嵌入加固的構件梁的抗剪承載力比同條件下未加固的構件梁抗剪承載力有大幅度提升?梢,嵌入FRP加固法能明顯提高結構構件的極限承載力。







                          1.5 嵌入式加固的發展情況
                          1.5.1 嵌入式加固的國內外現狀
                          1.5.2 嵌入式 FRP 抗剪加固計算公式
                          1.5.3 影響嵌入式 FRP 加固混凝土梁抗剪性能的因素
                          1.6 本文的主要研究目的與內容
                          1.7 本文小結

                          第 2 章嵌入式 FRP 加固混凝土梁受剪性能試驗研究
                          2.1 試驗概況
                          2.1.1 試件的參數選擇
                          2.1.2 試件制作
                          2.2 試驗加載裝置與試驗測試內容
                          2.2.1 試驗加載裝置
                          2.3.2 試驗記錄內容

                          2.4 材料的力學性能
                          2.4.1 混凝土強度
                          2.4.2 鋼筋性能
                          2.4.3 FRP 板性能
                          2.4.4 粘結劑性能指標
                          2.5 控制梁抗剪承載力的計算
                          2.6 抗剪承載力的基本假定
                          2.7 本章小結

                          第 3 章 試驗過程與結果分析
                          3.1 對比梁 BS1
                          3.2 加固梁 BC1
                          3.3 加固梁 BF1
                          3.4 加固梁 BF2
                          3.5 對比梁 BS2
                          3.6 加固梁 BF3
                          3.7 實驗結果分析
                          3.8 本章小結

                          第 4 章嵌入FRP板加固混凝土梁抗剪承載力分析
                          4.1 普通鋼筋混凝土梁受剪破壞機理和公式計算
                          4.1.1 有腹筋鋼筋混凝土梁的受剪破壞機理
                          4.1.2 有腹筋鋼筋混凝土梁的受剪計算
                          4.2 嵌入FRP加固混凝土梁受剪破壞機理和計算
                          4.2.1 嵌入FRP加固混凝土梁的受剪破壞機理
                          4.2.2 影響嵌入FRP加固混凝土梁的主要因素
                          4.3 嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的公式推導
                          4.4 本章小結

                          第 5 章 結論與展望

                          5.1 結論

                          本文通過 6 根試件的試驗和理論分析,通過對FRP間距、FRP粘結面積和箍筋間距這三個試驗參數對嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能進行試驗研究,并討論了嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁的破壞過程、斜裂縫發展情況、梁的破壞機理,極限抗剪承載力的分析等,并在此基礎上推導出嵌入FRP加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力的計算公式,得到以下結論:

                          1. 通過實驗表明,嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁能有效提高未加固構件梁的抗剪承載力。FRP加固率,箍筋配筋率均能對抗剪承載力的提高起到一定的積極作用;嵌入FRP板加固后的混凝土梁能延緩限制斜裂縫發展,提高構件梁截面抵抗變形的能力,增強了梁的延性。應用到實際工程中,能達到延長建筑物使用壽命的目的。本試驗采用的是結構膠,其強度較高,在保證不發生彎曲破壞的前提下,構件梁的破壞模式主要是剪壓破壞。

                          2. 嵌入FRP板的作用機理與箍筋相似,故引用FRP加固率,發現FRP加固率和構件極限承載力提高幅度呈正相關,縮小FRP板間距能提高構件梁的極限承載力,采取雙板加固比縮小FRP板間距更能提高構件梁的極限承載力;嵌入FRP板的加固梁在加固率相同的前提下,箍筋間距的大小在配筋率較低時,影響不大。

                          3. 考慮到FRP應變在高度上分布的不均勻性,在推導加固梁的極限抗剪承載力公式時,對FRP板的應變進行折減;本文采用協調壓力場理論推導出嵌入FRP板加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力的計算公式,與本試驗及相關試驗結果吻合度較好。

                          5.2 展望

                          采用嵌入FRP板對鋼筋混凝土梁進行抗剪加固是目前結構加固工程中較新穎的加固方法,優點明顯,有廣闊的應用前景,而相關的研究目前國內外還沒有適用性較廣的統一結論,本文僅對構件梁的三個影響參數進行研究,仍有許多問題需要進一步研究:

                         。1) 本試驗應考慮預加荷載情況下對抗剪加固的影響,現有的試驗結果不能廣泛應用于實際加固工程中。

                         。2) 由于試驗條件有限,在對嵌入FRP板的混凝土梁進行抗剪加固時,還應該制作同樣尺寸的構件梁進行表面粘貼法加固,作對比分析。

                         。3) 尺寸效應、剪跨比、FRP嵌貼角度、混凝土強度等因素都能對嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪性能產生影響,相關因素需要更多試驗探索研究。

                         。4) 本試驗所推導公式得到現有數據的驗證,公式能否應用于更多的嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪計算中還需要更多試驗數據支持;同時加固梁抗剪性能中FRP板的最優間距,箍筋最優間距需要更多的試驗加以驗證。

                          以上存在的問題,仍需大量試驗數據區驗證嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪設計公式,以便將來更好地為加固工程服務。

                          參考文獻

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                        致謝

                          行文至此,百感交集,三年來的碩士生涯已到尾聲,在此特以致謝:

                          本文從準備到結稿,離不開碩士導師 XX 教授的細心指導;感謝王勃老師的悉心栽培,王勃老師對待工作的態度,對待學術的嚴謹,對待學生的友善,對待生活的積極……每一項都深深影響著我,是我未來的楷模,由衷感謝王勃老師三年來為我們的付出。

                          感謝三年來同門的同學們,是我們的互助互進,和對學術的堅持讓我們走到了最后,沒有你們的幫助,本文也不會順利完成,三年同窗,此生不忘,在此感謝我的同學們,他們是:李凌碩士、董元正碩士、邢建國碩士、馬震浩碩士、蒙 博碩士。

                          感謝我的父母二十年多來對我養育,在求學路上對我無條件的支持,你們是我永遠的依靠;感謝多年來共處的朋友,你們是我人生的財富;感謝我的女朋友,十年后重遇,這份來之不易的感情我會倍加珍惜。

                          在此,謹向在百忙之中抽出時間審閱本論文的專家和教授表達最真誠的謝意,謝謝你們提出寶貴的意見和建議。

                          最后感謝我的母校吉林建筑大學,七年校園生涯,獲益良多,愿母校的未來越來越美好!

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