（工程力学专业论文）CFRP混凝土界面粘结性能试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 碳纤维加固混凝土结构技术逐渐成为世界各国的研究人员和工 程师们研究的热点。用c f r p 加固混凝土结构的成功与否主要取决于 c f r p 与混凝土之间粘结性能的优劣。因此，了解和掌握c f r p 与混 凝土之间的粘结性能及其变化规律具有非常重要的意义。本文对 c f r p 混凝土界面的粘结性能进行了试验研究和理论分析，具体研究 内容如下： 本文设计了修正梁模型，在混凝土试件的跨中预制了一定深度的 裂纹，与一般的剪切试验试件的不同点之处是，其综合考虑了弯曲和 剪力的影响。通过对2 4 个外贴c f r p 条带加固混凝土试件进行了粘 结性能的试验研究，考察了c f r p 粘结长度、宽度、层数及试件初始 裂纹深度对粘结性能的影响；分析了c f r p 应变以及局部粘结剪应 力发展规律；探讨了粘结破坏的破坏机理。 本文通过对试验结果的分析，对n a k a b a 模型进行了修正，提出 了c f r p 加固混凝土时界面的粘结滑移本构关系模型，且该模型与试 验结果吻合较好。 此外，根据本文的粘结滑移本构关系，利用a n s y s 有限元对试 件进行了非线性有限元分析，分析结果与试验分析结果吻合较好。 关键词：碳纤维，混凝土试件，加固，粘结性能，本构关系 硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a t e s ( c f r p ) s t r e n g t h e n i n g t e c h n i q u e o fc o n c r e t es t r u c t u r e sh a sb e e ng r a d u a l l yb e c o m i n gt h ef o c u sb yt h es t a f f w h oe n j o y e dt h es t u d yo fi t s t r e n g t h e n i n gr cs t r u c t u r e s b yc f r pi s s u c c e e do rn o tm a i n l yl i e so nt h ee f f e c to ft h eb o n db e h a v i o rb e t w e e nt h e c o n c r e t ea n dc f 腿t h e r e f o r e t or e a l i z et h eb o n dp e r f o r m a n c ea n di t s c h a n g er u l eb e t w e e nt h ea d v a n c e dc o m p o s i t eg l a s sf i b e rs h e e ta n d c o n c r e t ei sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rf o c u s e so nf o l l o w e dc o n t e n t sb y p e r f o r m i n gt e s ta n da n a l y s i so ni n t e r f a c eb o n dw h i l es t r e n g t h e n i n g c o n c r e t es t r u c t u r eb yc f 照 t h ep a p e rd e s i g n e dam o d i f i e db e a mt e s ts p e c i m e n ，w h i c hw i t ht h e i n i t i a ld e p t ho fc r a c kc o n s i d e r e dt h ee f f e c t so fc u r v ea n ds h e a r , w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h ec o m m o ns h e a rt e s ts p e c i m e n t h et e s ts t u d yt h eb o n d b e h a v i o ro ft h ec f r pa d h e r e dt o2 4c o n c r e t es p e c i m e n s t h ei n f l u e n c e s o ft h eb o n dl e n g t h ，b o n dw i d t h ，b o n dl a y e ra n dt h ei n i t i a ld e p t ho fc r a c k o nt h eb o n db e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e d t h es t r a i na n dt h el o c a ls h e a rb o n d s t r e s sd e v e l o p m e n ta n dd i s t r i b u t i o ni nc f r ps h e e ta l o n gt h eb o n dl e n g t h w e r ea n a l y z e d ，a n dt h ef a i l u r em e c h a n is mo fc f i 冲s t r u c t u r e sw a s d i s c u s s e d b a s e do nt h et e s tr e s u l t s t h i sp a p e rm o d i f i e dt h en a k a b am o d e la n d p r o p o s e dt h el o c a lb o n ds t r e s s s li pc o n s t i t u t i v em o d e la b o u tt h ec f r p a d h e r e dt oc o n c r e t e t h em o d e lm a t c h e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l l o nt h eo t h e rh a n d ，b yu t il i z i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o r n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n di nc o m b i n a t i o n so fr e a s o n a b l e b o n d s l i pc o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dm a t e r i a l sc o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，t h et e s t s p e c i m e nw a sa n a l y z e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v e dt oc o i n c i d ew i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：c f r p , c o n c r e t es p e c i m e n ，s t r e n g t h e n i n g ，b o n db e h a v i o r , c o n s t i t u t i v em o d e l n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 翮签名型鳞期：丛年上月丛日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 结构加固的背景 第一章绪论 土木工程中最为普遍的结构类型是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土结构如果设 计得当、结构布置合理、施工质量可靠，在正常使用条件下具有良好的耐久性。 但当上述条件不能满足时，就会影响到结构的使用性、耐久性和安全性，由此可 能造成巨大财产损失和人员伤亡。出现问题的结构之中，有许多正担负着重要的 作用，客观上不允许将他们拆卸重建，因此对现有结构进行养护、检测和维修加 固是当今世界所有结构工程师关心和研究的重点。专家预测，如果不充分重视这 些问题和没有根本性的技术改革，几十年之后社会将负担不了庞大基础设施的维 修和管理费用。 据国外资料介绍，在过去的半个多世纪里，欧美等发达国家及经济成长较快 的国家大规模地兴建基础设施。在公路建设领域，法国最早于二十世纪二三十年 代开始建设高速公路。二战期间，法国公路遭到严重破坏，到战争结束时基本处 于瘫痪状态。在恢复国民经济的基础上，法国加速了公路建设，大力发展高速公 路，建成里程达7 7 0 0 多公里。意大利于1 9 2 4 年建成世界上第一条高速公路， 长约8 0 公里【l 】。据1 9 9 8 年的数据统计，意大利的公路总长约6 5 4 6 7 6 公里， 其中高速公路6 9 5 7 公里【2 】。美国也于五十年代开始大规模兴建高速公路，已建 成覆盖全美国的完整的公路运输网络。经过半个多世纪后，许多道路桥梁因为材 料老化、钢筋锈蚀等原因已经损坏严重。例如，在美国共有5 7 万多座桥梁，有 4 0 需要修补和加固，其中仅加利福利亚州就有约5 0 0 0 座桥梁需要各种形式的 维修、加固。美国每年因为钢筋锈蚀造成的损失高达7 0 0 亿美元，修复美国所有 高速公路桥梁的费用估计为5 0 0 亿美元；修复加拿大当时所有因钢筋锈蚀而损伤 的混凝土车库结构的费用将在4 0 - - 5 0 亿加元之间。在欧洲，由于钢材的腐蚀每 年将损失1 0 0 亿英镑。 在我国，根据国务院于2 0 0 5 年1 月审议通过的国家高速公路网规划，我 国将用3 0 年时间，形成8 5 万公里国家高速公路网。规划的8 5 万公里中，已建 成2 9 万公里、在建1 6 力公里、待建4 力公里，公路网完全建成后，高速公路 总里程将位居世界第一位。所以若干年后，我们国家仅在公路交通领域的维修、 加固任务将是非常繁重的。 颂f j 学化论文第啦绪论 红j = 、i k1 j 比川缱筑锄i 域，我州任建h l j 建造的人；i ；= 膀h ；彳j 的l 经达到或接 近改计坫准使j i 】期j ，订很多索会缩短建筑物的使川灯命，j - 包括：物础老 化、所：境腐蚀、礼会：船求的变化、设计标准的提高以及施一l ：质5 呲_ - i 锋。这些问题 的结构，实际情况j i ：f 允许将仑部推倒j f c 建，f f i i t i 能采取适? 。1 的 f j 施，对其进 行补强 - j ) j r l 吲处理，使这螳结构仍能满足人们对建筑物安个| ，f 、适川性冲l l 时久性 的要求，继续为利：会服务。随竹我国住宅j k 业化的发腠，用j - 对：t _ ：秤质量和使用 功能的要求越来越i 岛，! 。1 现巫改原结构设汁、施j i ：i i 现篪错，或栉发乍火灾 等意外损伤情况时，则i 需婴对原结构物进行补强加圳处理。图1 - l ( b ) 为匝庆- 民 房墙体 j j 现裂缝。 此外，海工建筑物样1 f i i 临符繁j 覆的加l 州处州_ - l ：f r 。例如，n i1 9 8 1 年对华 l 柯1 8 座钢筋混凝i ：码头的调a 发明，尽管使用j 纠仪7 1 5 年，f l l 仃1 6 庸伊5 头的 钢筋锈蚀7 限重。1 9 8 4 i i 对浙汀锁海的胜l f i 小，艘海：f 建筑物的渊 ，9 6 7 十m 构件中 i bf 俐筋锈蚀导敛顺筋j l ：裂破坏的订5 3 8 楸，i i 构件总数的5 6 。i 纠1 1 ( a ) 为广 州。桥i f i 现严最的裂缝。 i1 l 习i i 危险性建筑 f b j 地震火害对于房厶；、j 煎路桥梁及港i ：结f ；= i 等的破坏址f 燃的，严暇影响剑人 【屯的：1 - 命和财产安个。1 9 9 5 年l l 小阪f ：i | 1 人地f 芝造成3 9 9 6 1 人伤i 、：、仪神j i f 就 订1 9 11 5 5 叻i 膀燧损坏以及交通- lt l o i 、城f l r 瘫填等，破坏傲j e 严币：i 卡芟绛济损 火约合1 0 0 0 亿火元。肘。j ：震卮j 损：结掬嘤进行人i | 的加i ：作， 以i ：所述，【l ij ：钏筋锈蚀、 - 4 _ 科岂化、”q - r 1 x 、增j j | i 、使川功能变化、i 殳汁l 施i ：缺陷以及f ，i 然火j ；等行种惦i ，呼敛原仃结f ；= j 扣i 坏、i j f 尘川j 力能二戈乐技能 硕士学位论文 第一章绪论 力不能满足要求，都需要进行补强和加固，这项工作需要大量的资金。 因此，对建筑物的补强、加固技术进行开发研究是非常必要的，具有重要的 社会效益和巨大的经济效益。 1 2 现有混凝土结构加固技术及特点 混凝土加固技术最早始于上个世纪的六十年代，当时，由于人们意识到建筑 物结构补强加固技术对工程结构的重要性以及国家和政府对该项目的大量科研 资金的投入，相应的科研成果和加固技术也就越来越多1 4 j 。目前，对( 钢筋) 混 凝土构件进行补强加固的方法有很多种，比较成熟的加固技术主要有以下几种： 1 加大截面法：这种加固方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大构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的，一般用在一 些较小且对净空要求不高的结构中。这种方法在设计时必须解决好新加部分与原 有部分的整体工作协同受力的问题。这种结构在弹性阶段，结合面的剪应力和法 向拉应力主要是靠结合面两边的新旧混凝土的粘结强度承担；开裂及极限状态 下，则主要是通过结合面的锚固钢筋所产生的被动锚栓力传递。 这种方法的优点是减少成本，增大构件的刚度、承载力和变形能力，但是增 加原结构的自重较大，对于桥梁及楼板等结构减小了其净空，而且工期长，养护 时问长【5 刮，有很大的局限性。目前，在较大的工程中很少用。图1 2 示混凝土 柱加大截面法。 2 喷射混凝土法：喷射混凝土法是将混凝土配合料在高压气体的作用下直 接射到建筑物表面，因此混凝土密实度高且均匀、连续，有利于提高混凝土质量。 施工不需模板支护，不受断面形状限制，适应性强；设备简单，基本不受施工场 地限制。可广泛应用在混凝土结构超年限使用加固、混凝土结构受火灾后结构加 固、混凝土结构强度不足加固等方面。这种方法虽然有不少优点，但是也存在如 下缺点：成本较高，主要是混凝土回弹量较大，尤其是仰喷时回弹量更大；作业 面粉尘较大，作业条件差。图1 3 示楼板喷射混凝土加固法。 硕。i ：。学位论文第一常绪论 图1 - 2 柱加大截面加固法图1 - 3 板喷射混凝土加固法 3 粘钢法：粘钢加固法是以型钢( 一般为角钢) 外包于构件i j q 周的加固方 法。仵，i j 钢板加固时，。般将钢板贴在被加阎的结构受力部位的外边缘，同时封 闭粘贴洲i b z ”i ，的裂缝和缺陷，约束混凝上的变形。这i t n 网法的特点：( 1 ) 既可提 岛结构强度，又可提高刚度i ( 2 ) 适应结构( 钏结构) 义粘义铆，适应节点加网； ( 3 ) 延伸牢大，适应冲击、振动结构加同；( 4 ) 钢板表而处理要求，咙格，米i 结而 埸牛锈；( 5 ) 厚钢板端点处应力集巾，混凝土易剥离。图l _ 4 示一空心板桥而卜- 粘贴钢板加阎i ：程。 4 j l - d i l 预心j 加州法：采用外殴预心力钢筋对构件施加反向荷载( 拉杆、 钢绞线或撑i ：1 ：) 对结构构件或整体进行加吲的方法，它通过改变原结构的内力分 斫j 、降低结构原有应力水平米问接提高结构的承载能力。其优点是可以大幅度提 高构件或肯结构，段载力，降低裂缝宽度，对结构外观和使刚空问影响较小，尤其 适用于火跨度结构加同。预应力加同构件足二次受力构件，存在j , , z j j 超f j 和心变 滞后现缘。原结构构件受预加力作用产生的j i i 缩变形对控制张拉量的计算影响较 人。缺点是需婴二章f j 的力儿吲设帑，锚具复杂；而只当使用环境温度高于6 0 度时， j 喇址；f j ：防护处理1 4 l 。 i l 河1 i 要川f 人跨度结构的d i i i 占i ，以及采川一般方法无法加川或加川效果彳i 理怨的火型结构的d i l l ：i ! , l ，削1 5 乃驻1 川ir t s 公安千校1 6 m 跨框架梁体外横i ；, j g l 女 拉颅心力加同l ：程。 硕。匕学位论文 第乖绪论 图卜4 空心板桥梁粘贴钢板加固图1 - 5 体外横向张拉预应力加固技术 对丁上述加固方法，幽内外的 醍多科研机构都已进行r 大量的研究工作，并 只i f l ；l 三应j f j 于实际：i ：稃。然i i ，这些加阎方法都仃定的缺陷，除去带有芝性的 化学腐蚀问题外，像粘钢加吲法，还会增加构件白重、结点不易处理、施j i ：难度 火锋，为此，工程界需要新兴的、科技含鼻t 高的加硎技术。 近乍米，纤维复合材料在土小i ：程中的应用直是国内外研究的热点，随衙 材料技术的发腱，现已j i ：发f i j 来了多种商科技纤维材料，材料价格也越术越低， 为纤维复合材料在加网混凝上结构l i 的j 泛心用提供的基础f 4 1 。t - 足 现j ，纤维 复合材料j j i 川法。此种j j l l 圳法足采墩特定的方法把纤维复合材料州环氧树脂粘贴 住绛过处理的结构构 1 - 1 - 9 1 挪表面，达剑改善结构功能的r l 的。图1 6 示两安商 场j - i 】c f r p 加州板而的负弯矩区域。 圈1 - 6f r p 板面加闺 硕士学位论文 第一章绪论 1 3c f r p 加固技术特点及应用 1 3 1c f r p 加固技术特点 碳纤维复合材料c f r p ( c a r b o nf i b e r - r e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 的高强度、高刚度、 优良的疲劳性能、耐腐蚀、重量轻等优点，使其在结构工程加固中具有广泛的使 用前景。碳纤维复合材料加固技术与其他的加固技术相比具有很多的优点和先进 性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) c f r p 有很高的比强度，比强度为钢的8 倍，即通常所说的质轻高强， 因此采用c f r p 材料可减轻结构自重。在桥梁工程中，使用c f r p 结构或c f r p 组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。在建筑工程中，采用c f r p 材料的大跨空间结构体系的理论极限跨度要比传统材料结构大2 3 倍，因此， c f r p 结构和c f r p 组合结构是获得超大跨度的重要途径。 ( 2 ) c f r p 有良好耐腐蚀性。c f r p 的化学性质稳定，可以在酸、碱、氯盐和 潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的，所以c f r p 加固结构可 以明显地提高其耐腐蚀性和耐久性。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地 区的桥梁、建筑中较大规模地使用c f r p 结构或c f r p 配筋混凝土结构以抵抗海 水和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。 ( 3 ) 施工方便，没有湿作业，不需大型施工机械，无须现场固定设施，施工 占用场地少；工效高，施工周期短，仅为传统修复的1 2 - - - 1 4 。 ( 4 ) c f r p 材料质量轻且厚度薄，基本不增加原结构自重及原构件尺寸，从 而也不会影响原结构的使用功能和外观形式。 ( 5 ) 噪音小，对加固结构的使用环境影响小。 虽然采用c f r p 加固技术比采用粘钢或其他传统加固方法具有很多优点，但 在界面粘结性能和剥离、疲劳性能、二次受力、防火问题、耐久性以及环境影响 等方面仍值得深入研究，并且也存在着很多不足。比如，c f r p 加固技术相应的 技术规程相对贫乏；c f r p 的脆性使之在加固结构的弯角或曲率较大截面处不能 充分发挥其高强高模性能；很难在高温、高湿( 6 0 - 一8 0 ) 的环境下施工。 1 3 2c f r p 加固的应用 在实际加固工程中c f r p 主要形式是片材，并且在加固工程中由于c f r p 片 材所起到的作用不同，也就存在着如下几种不同结构加固的应用： 1 梁、板结构补强 各种类型公路、铁路桥梁、桥板和建筑物的梁、板都可应用碳纤维加固技术。 6 硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 抗弯加固碳纤维片贴在受拉一侧，即跨中的下部和连续板、连续梁、 悬挂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘贴。( 如图l 一1 ) 由于碳纤维板弹性模量比钢筋大，受力时延伸率小于钢筋，故在结构受力时 先行受力，随荷载逐渐增加达到两者变形协调时，两者共同受力并按一定比例分 配。往往在加固前或者因原有钢筋锈蚀造成截面积不足，或者因超载原有钢筋应 力过大，补强后碳纤维分担了拉力，但钢筋应力大大降低，结构承载力得以提高。 抗弯补强时，可以根据受力需要贴一层或多层碳纤维板。还可以应用高弹性模量 片材，补强效果更加显著。 ( 2 ) 抗剪加固通常是在待加固梁靠近端部主拉应力较大的区域和有次梁或 较大集中荷载作用的部位。补强时在梁的两侧面竖向粘贴，或与梁底形成u 型 环包。相当于增加抗剪箍筋的剪力。 ( 3 ) 抗疲劳加固工业厂房吊车梁、桥梁及桥面板，都可以粘贴碳纤维板以 及提高结构的疲劳抗力，桥面板上下同时粘贴效果更好。 2 柱、墩加固 对桥墩、高架柱、建筑物独立柱和有翼柱，都可有效补强。 ( 1 ) 中心受压柱的抗压补强，用碳纤维在柱中部横向环包，在受压区产生环 向束缚作用，能够提高抗压能力，降低柱的压曲系数。( 如图1 2 ) ( 2 ) 偏心受压柱，在柱受拉弯的侧面沿柱轴纵向粘贴，可以对结构进行有效 的补强。 ( 3 ) 抗震性能补强，在地震或者台风的横向作用力下，柱端弯矩和横向剪力 都很大，可以纵向粘贴和环包同时进行。既提高柱墩横向抗力，又改善能量吸收 性能，提高结构的延性，使结构的抗侧向能力显著提高。 3 剪力墙加固：在剪力墙单面或者双面沿抗剪配筋方向粘贴碳纤维片材。 4 高耸结构：对于高耸结构，如烟囱、水塔、筒仓、高杆灯架等，受力情 况与墩柱类似，加固方法也雷同。 5 环形受力结构：对于环形受力结构如水池、罐体的抗张力侧壁，可以在 单侧或者双侧缠绕粘贴。 6 涵洞、隧道及衬砌的加固：由于环向压力不均造成横截面各方位应力异 常而产生纵向受拉裂缝，甚至衬砌剥落，以及由于地基沉降不均造成的纵向错位， 都可以采取混凝土局部填补、置换和碳纤维片补强联合应用的办法。 7 封闭及防护功能 用碳纤维片材粘贴可以将结构裂缝密闭，较宽较深的裂缝还可以在贴片前用 环氧树脂灌缝进行密闭，从而控制裂缝的进一步扩展，阻止水分渗入引起钢筋的 锈蚀，同时还具有增强抗腐蚀性能的影响的作用。这就是在结构加固的同时，也 硕士学位论文第一章绪论 带来了封闭和防护的负效应，相反，有些虽然出现破损但是其承载力尚未降低的 结构，也可以封闭和防护维修为主效应，同时也有结构补强的负效应。 上述各种补强，以桥梁和一般建筑物的梁板结构补强占绝大部分，桥梁墩柱 的抗震补强次之，其他结构补强只占很少一部分。 1 4c f r p 加固技术的国内外研究现状 1 4 1 国外c f r p 加固技术的研究现状 在使用外部粘贴c f r p 进行加固的领域中，开创性的工作是在2 0 世纪8 0 年 代瑞士苏黎世附近的e m p a 学会进行的，随后国内外学者进行了大量这个方面 的研究，取得了大量的科研成果。 1 9 9 3 年日本建筑研究院颁布了世界上第一本关于c f r p 加固的设计指南， 之后又颁布了连续纤维加固混凝土结构诸性质和设计法和连续纤维材料补 强加固混凝土结构物的设计及施工规程等一系列的规程和行业标准，从而极大 地促进了c f r p 加固技术在日本的推广和应用。在8 0 年代，瑞士联邦实验室的 m e i e r 等人对c f r p 板代替钢板加固混凝土结构的技术进行了系统的研究，并在 1 9 9 1 年用c f r p 板成功地加固了瑞士的i b a c h 桥。美国于1 9 9 0 年丌始对f r p 进 行研究开发，当时主要集中在玻璃纤维( g f l 冲) 的研究。美国国家科学基金( n s f ) 资助开展了有关c f r p 片材的研究项目。加拿大也成立了与c f r p 增强和加固土 木建筑物有关的国家重点研究开发基地。用c f r p 对钢筋混凝土进行修复加固在 日、美等发达国家已成为一项较为成熟的技术，并制定了有关的技术标准、规范 和应用规程。 1 4 2 国内c f r p 加固技术的研究现状 我国有关c f r p 加固技术的应用研究始于2 0 世纪8 0 年代末。1 9 9 7 年，华 南理工大学黄培彦教授获得国家自然科学基金和广东省自然科学基金的资助，在 纤维薄板与混凝土构件的界面强度及剥离破坏机理和加固方法等方面做了较多 的研究。2 0 0 0 年6 月在北京召开了中国首届c f r p 混凝土结构学术交流会，对 c f r p 加固技术在我国快速地发展起到了很好的推动作用。目前，国家工业建筑 诊断与改造工程中心、香港理工大学、同济大学、清华大学、东南大学、浙江大 学、重庆大学、华南理工大学等多所高校和科研机构都在对c f r p 加固技术各项 力学性能进行研究，并取得了大量的科研成果，被应用于很多工程中。但我国在 c f r p 加固规范的制度方法还比较落后，于2 0 0 3 年颁布了相关技术标准碳纤 维片材加固混凝土结构技术规程，国家级高性能复合材料应用规范还在编 硕士学位论文 第一章绪论 制。现在，对c f r p 加固技术的研究及应用已经成为全国工程界高度重视的一项 课题。 1 4 3 粘结性能的研究现状 国内外的试验研究和工程实践结果表明忉f l0 1 ，用c f i 冲加固混凝土结构的成 功与否主要取决于c f r p 与混凝土之间粘结性能的优劣。在粘结质量有保证的情 况下，c f r p 的优良物理力学性能可以得到充分发挥，加固的可靠性高。反之， 粘结性能差时可能会导致在c f r p 性能没有充分发挥之前发生粘结剥离破坏，既 造成材料浪费，又降低了加固的可靠性。为此，国内外在关于c f r p 加固混凝土 结构的研究中，粘结性能的研究一直是一个大家关注的重要内容。 最早的关于c f r p 与混凝土受剪剥离的理论研究起于瑞典学者b j o r nt a l j s t e n 6 1 ，他用非线性断裂力学方法推导了单剪试件的剥离荷载公式，并得到了试验数 据验证，其研究结果解释了外贴c f r p 与混凝土粘结界面的一个重要特点：粘结 强度不会随着粘结长度的增加而持续提高。 其后，日本学者吴智深和香港学者滕锦光、陈建飞等做了进一步的工作，针 对这一现象提出了“有效粘结长度 的概念。有效粘结长度的定义为：当c f r p 与混凝土的粘结长度达到或超过某一长度后，两者的极限粘结荷载不再随着 c f r p 粘贴长度的增加而增加【l o l 。这里的“粘结强度 ，是指c f r p 混凝土受剪 破坏时c f r p 混凝土界面单位宽度所承受的极限荷载，“粘结荷载”指试件所能 承受的总荷载。 1 4 3 1 粘结性能的试验研究 粘结性能的的试验研究1 2 1 3 1 方法主要可分为三大类，即单剪试验、双剪 试验和梁式试验，如图1 7 所示。通过对这些试验的观察和研究，得出了c f r p 与混凝土间粘结性能的影响因素，为今后进一步的研究提供了相应的参考。 ( a ) 单剪试验 9 f r p ( b ) 双剪试验 硕士学位论文第一章绪论 ( c ) 梁式试验 图1 - 7 试验方法 姚谏、藤锦光【1 3 。4 】通过单剪搭接试验对c f r p 混凝土0 0 抗剪粘结强度进行了 研究。试验中共制作了3 0 个试件，用来研究混凝土强度、支座高度变化、板的 粘结长度、试件对中偏位和板与混凝土块的宽度比等因素对即c f r p 混凝土粘结 强度的影响。试验中共出现了两种破坏形式剥离破坏，这种破坏起因于接头加载 端附近的混凝土开裂，随着荷载增加，裂逢扩展引起接头加载端附近板与混凝土 剥离并向即自由端扩展，最终导致剥离破坏混凝土的拉剪破坏，这种破坏发生在 混凝土块内，破坏l j i 无任何征兆，破坏面始自自由端一直延伸至支座块上边缘。 最后通过在各影响因素下的试验结果与陈一滕抗剪粘结强度公式的计算值作了比 较，并对陈滕公式作了一定的探讨。 肖建庄、李杰等【l5 】设计了一种双剪试验装置。试件制成工字形截面，粘贴 纤维布之前要用砂轮对混凝土表面进行打磨与处理。试验装置中设定一个预制裂 缝位置，在此位置内布置应变片，从而得出各测点离端部距离应变关系曲线， 进而绘出布中沿粘结方向的粘结应力分布曲线，并提出粘结应力与所粘贴的纤维 布厚度以及沿纤维方向的应变梯度成正比。此文中最主要的是确定了其有效粘结 长度。 杨勇新、岳清瑞等i l6 】考虑到c f r p 与混凝土之问的粘结界面可能处于受拉、 受剪、受压或剪拉、剪压等复合应力状态，所以设计了正拉、推剪、拉剪、弯拉 四种受力状态下的粘结性能试验。文中共完成了2 0 8 个试件，试验中通过对参数 混凝土强度等级、c f r p 种类、c f r p 层数、粘结受力面积等的控制，从而考察 它们对四种受力状态下粘结强度的具体影响，并且对在同一条件下，四种受力状 态下粘结强度作了相关比较，指出彼此之间的相关关系，从而可以用其中某一个 受力状态下的粘结强度表示所有的粘结强度，文中同时也初步描述了c f r p 与混 凝土的粘结机理。一 以上是国内对粘结性能的试验研究现状，国外主要的研究学者有l a u r a 、 b r i a nm i l l e r 、m i c h a e lj c h a j e s 、u e d a 等人。 l o 硕士学位论文第一章绪论 l a u r a 等学者【1 。7 】设计了梁铰式构件。该构件为t 型梁，加载时预留裂缝将向 梁上部钢铰开展。这样，受压区混凝土合力和内力臂就可以确定，从而精确计算 出c f r p 的应力。由微分关系可求出粘结剪应力和滑移之间的关系。 m i c h a e lj c h a j e s t l 8 】等用一个单剪试验来研究与混凝土粘结的碳纤维环氧树 脂复合材料片材的粘结强度和力的传递。在试验中固定混凝土块体，张拉粘贴于 混凝土表面的。该试验方案可以对与混凝土之间的剪力传递规律进行具体测量， 研究混凝土界面处理、粘着物类型以及混凝土强度对粘结强度的影响，只要保证 在试验过程中轴心张拉即可。 u e d a 等【l9 】采用双面剪切试件试验研究了纤维布的粘结强度，根据观察到的 粘结应力，提出了预言最大局部粘结强度的方程。 1 4 3 2 粘结性能的理论研究 c f r p 混凝土间粘结性能的理论研究，主要可以将其可归纳为三类：基于弹 性理论的解、基于非线线理论的解、半理论半经验的解。典型的研究成果扼要综 述如下。 杨勇新( 2 0 】基于试验结果建立了碳纤维布与混凝土粘结的层状结构模型，并 应用断裂力学知识对碳纤维布与混凝土的粘结失效判据和极限状态进行了初步 分析。认为粘结失效的实质是由于在碳纤维布、混凝土表层以及两者之间的粘 结材料层中不可避免地存在细观尺度上的初始缺陷，在荷载作用下，当断裂能达 到其临界值时，这些初始缺陷就将产生不稳定扩展，最终导致粘结失效。 陆新征，叶列平【2 1 】等采用精细单元有限元模型对c f r p 混凝土界面粘结性 能进行了研究。提出了一组新的界面本构模型以及界面剥离强度计算公式。根据 本构模型简化程度不同，分别命名为：精确模型、简化模型和双线性模型。其中 精确模型可以考虑不同界面胶层刚度的影响。 t a l j s t e n l 2 2 1 最早提出层合板技术中的断裂力学途径，t r i a n t a f i l l o u 2 3 】第一个采 用这一途径来研究c f r p 混凝土界面的早期破坏，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，并指出有效粘结长度几乎不受c f r p 宽度的影响， 同时提出混凝土与c f r p 粘结剪切应力与滑移的双线型关系曲线及各关键点的 计算方法。 y u a n 掣2 4 l 引入了能描述c f r p 混凝土界面开裂前后性质的四种非线性界面 本构关系，成功地解决了非线性界面应力传递问题，解析地得到承载力、有效粘 结长度、界面应力分布及界面裂纹产生和传播的表达式。w u 等【2 5 1 1 2 6 1 研究了 c f r p 混凝土界面断裂能和界面本构关系，指出弹性一软化一剥离断裂模型可以 用来合理描述各种界面性质。l b i z i n d a v y i1 2 7 1 建立了碳纤维与混凝土粘结的分析 模型，y j l e e 2 8 】进一步发展了碳纤维薄板粘结混凝土的拉剪分析模型，获得界面 的滑动模量。 硕十学位论文第一章绪论 在这些研究中，主要是研究界面粘结应力的分布规律，计算锚固长度，分析 各种参数对界面粘结强度的影响。近年来的研究发现，应用非线性破坏力学( 非 线性断裂力学) 能较有效地解析界面剥离破坏，并可以简单明了地解释界面性能 的影响原因。 我国在这方面仍无成熟的研究成果，在加固设计与施工中基本上都采用其它 国家已有的粘结强度指标或加以修正后应用。因此，了解和掌握碳纤维布与混凝 土之间的粘结性能及其变化规律具有特别重要的意义，它将为加固工程设计和施 工提供科学依据，为进一步深入研究碳纤维布加固混凝土结构技术奠定基础。 1 5 本文的研究目的及研究内容 综合上述国内外过对c f r p 混凝土界面粘结性能的研究，可以看出，碳纤维 布与混凝土之间粘结性能的研究主要集中在对界面粘结强度模型的研究和界面 粘结滑移本构模型的研究两个方面。其中，粘结强度模型只是给出一个极限剥 离承载力，而无法解释剥离过程。粘结滑移本构模型则可以给出整个剥离过程 中粘结应力以及c f r p 应变分布规律。 本文研究目的如下： 1 考虑粘结长度、宽度、层数及试件初始裂纹深度对c f r p 混凝土界面的粘 结性能的影响。 2 研究c f l 冲加固混凝土试件中应变及粘结应力的分布及发展情况。 3 通过对本文试验的分析总结，修正了n a k a b a 模型，建立了本文的粘结滑 移本构模型。 考虑到研究的目的是应用于实际工程，故本文考虑了粘结界面的受力状态接 近于实际构件中的受力情况，设计了修正梁模型( 具体的修正梁模型见第二章试 件的设计与制作) 。 本文研究内容如下： 1 本文设计了修正梁模型，并完成了碳纤维布与混凝土粘结界面的性能试 验。考察了c f r p 粘结宽度、长度、层数及试件初始裂纹深度四个要素对粘结性 能的影响。 2 列举了目前存在的粘结滑移本构模型及其存在的不足，针对其中的 n a k a b a 粘结滑移模型，通过对试验数据的回归分析，修正了n a k a b a 粘结滑移本构 关系中的参数，并与试验结果进行了对比分析。 3 通过a n s y s 有限元分析本试验的c f r p j n 固混凝土试件，比较了有限元分 析结果与修正公式计算结果。 1 2 硕士学位论文第一章绪论 1 6 本章小结 本章介绍了目前c f r p 加固方法的优点及前景，提出了c f r p 加固中c f r p 混凝土粘结性能的重要性。概述了研究c f r p 混凝土界面粘结性能的国内外现 状。最后提出了本文研究的内容及目的。 硕士学位论文 第二章c f i u 混凝土粘结性能的试验研究 2 1 引言 第二章c f r p 一混凝土粘结性能的试验研究 在实际工程中，c f r p 加固的混凝土构件受力形式是多样的，其中受弯的受 力状态是最常见的。因此，本文设计了修正梁模型，对外贴c f r p 加固混凝土构 件的粘结性能进行研究。与剪切( 单剪、双剪) 模型相比，修正梁模型的优点是综 合考虑了弯曲和剪切的影响，考察碳纤维布与混凝土粘结界面在正应力、剪应力 双重作用下的受力和破坏情况。 本章试验考察的问题有： ( 1 ) 考虑c f r p 粘结长度、宽度、层数及试件初始裂纹缺口深度四个因素对 粘结强度的影响。 ( 2 ) 考察c f r p 应变及粘结应力沿粘贴长度在各级荷载下的分布及发展情 况。 ( 3 ) 考虑c f r p 混凝土界面的粘结应力与滑移量之间的关系。 ( 4 ) 分析粘结破坏的破坏机理。 2 2 试件设计与制作 2 2 1 试件设计材料 1 混凝土 本次试验所用混凝土为c 3 0 。混凝土采用4 2 5 级普通硅酸盐水泥、中砂、 碎石( 最大粒径为2 0 m m ) 及水搅拌捣注而成，其配合比见表2 1 。 表2 - 1 混凝土试件配合比及实测强度 混凝七 材料j j 量k g m 一3 实测立方体强轴心抗拉强 强度等级水泥水砂子石子度m p a度m p a c 3 04 0 91 8 05 7 91 2 2 83 4 12 7 3 注：表中，混凝土的轴心抗拉强度z 与立方体抗压强度厶的经验关系式为： 2 t = q 2 6 0 。 1 4 硕十学位论文 第二章c f r p 混凝土粘结性能的试验研究 2 c f r p 布 混凝土结构加固用片材根据纤维排列方向可分为以下两类：单向纤维片材和 双向纤维片材。前者是一种纤维均匀排列的单向带，用质量1 1 0 的纱网，涂以 纱网质量的5 0 以下的粘结剂，将单向纤维固定而成。由于单向纤维被连成一体， 有利于施工操作。因为纵向纤维不弯曲，制成复合材料不会因此而应力集中，保 持纤维高强度，这类片材广泛使用，因此本论文试验亦采用的是单向碳纤维材料。 试验中所用的c f r p 是日本东丽公司生产的系列产品，型号为u t 7 0 3 0 。 c f r p 的主要性能指标见表2 2 所示。 表2 - 2 碳纤维布主要性能指标 型号 单位面积重g m 一2 设计厚度m m抗拉强度m p a弹性模量m p a u t 7 0 3 03 0 0 0 1 6 7 3 9 0 0 2 5 1 0 5 注：表中数据是厂家提供的测试数据。 3 粘结材料 一般的碳纤维加固专用胶系a 、b 两组分改性环氧树脂类胶粘剂，试验中所 用的a 、b 胶是湖南固特邦土木技术发展有限公司生产的系列产品：j n c e 碳纤 维粘贴找平胶( 修补胶) 及j n c 3 p 碳纤维浸渍粘贴胶，两种胶分别在加固工程 施工不同工序中使用。符合g b 5 0 3 6 7 2 0 0 6 混凝土结构加固设计规范a 级胶 技术要求，胶的性能指标见表2 3 所示。 表2 - 3j n c 碳纤维加固专用胶的主要性能 抗拉强度抗弯强度抗压强度伸长率 受拉弹性模量 枯结材料 ( m p a )( m p a )( m p a )( ) ( g p a ) 浸渍胶 5 57 58 82 o 4 0 找平胶 3 66 59 21 55 2 注：表内数据是厂家提供的测试数据。 粘结胶的配比是严格按照重量配比的，找平胶的配比是a 胶：b 胶= 1 0 - 3 ； 浸渍胶的配比是a 胶：b 胶= 5 ：2 。 以上粘结材料的作用和特点分别是： 1 ) 找平胶：填充表面空隙，形成平整表面。碳纤维布很有可能因混凝土表 面的锐利突起物、错位和转角部位等产生损伤或空洞，并引起强度降低。整平材 料可补平由于混凝土表面劣化或表面处理造成的空洞和斜面。因此，找平材料要 硕士学位论文 第二章c f r p 混凝十粘结性能的试验研究 求有良好的触变性、高拉伸强度和抗压强度。 2 ) 浸渍胶：将连续纤维状的碳纤维结合在一起，使之呈板状硬化，使碳纤 维布之间相互结合，均匀抵抗外力，发挥碳纤维布的整体强度：同时将碳纤维布 与混凝土粘结在一起，形成一个复合性的整体，共同抵抗外力。因此，浸渍胶要 求和碳纤维的良好浸润性以及较高的断裂韧性。 2 2 2 试件的设计及制作 本文采用的修正梁模型综合考虑了弯曲和剪切的影响，与实际受弯加固工程 中粘结界面受力状态基本相同。试验模型如图2 1 所示，混凝土试件长5 0 0 m m ， 横截面尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m ，净跨4 0 0 m m 。梁底跨中预先锯开一定深度的裂 纹缺口，用来考虑不同初始裂纹深度的混凝土用c f r p 加固后的加固效果。梁底 受拉面粘贴c f r p 条带，为避免预制裂缝两边的混凝土受剪破坏，预制裂缝两边 各留2 0 m m 长混凝土为非粘结区。 梁立面图 一结长群鹎糊屿 似、 j o m m 觅非粘结壁 碱 气 姆 篥。 笠g 2 3 q 上 2 3 q 监妙 梁底平面图 图2 i 试件具体情况 试件制作： 1 裂缝的制作 用小型切割机超薄砂轮切割混凝土试件的预制裂缝，裂缝有三种情况： 1 0 m m ，3 0 m m ，5 0 m m 。由于切割机切割的厚度有限，没有达到深度的试件用钢 锯来完成其余的部分。 2 粘贴c f r p c f r p 加固时的施工质量对加固效果