第七講-纖維復(fù)合材(FRP)加固法

FRP（fibrereinforcedpolymer）玻璃纖維復(fù)合材GFRP（glassfibrereinforcedpolymer）玄武巖纖維復(fù)合材BFRP（basaltfibrereinforcedpolymer）芳綸纖維復(fù)合材AFRP（aramidfibrereinforcedpolymer）碳纖維復(fù)合材CFRP（carbonfibrereinforcedpolymer）纖維復(fù)合材分類玻璃纖維布芳綸纖維布玄武巖纖維布碳纖維布玻璃纖維（BFRP）（0.7~1.0）X105MPa芳綸纖維（AFRP）1.2X105MPa玄武巖纖維（BFRP）（0.9~1.1）X105MPa碳纖維（CFRP）（2.4~4.5）X105MPa各類纖維彈性模量（參考）

在各種纖維復(fù)合材中，碳纖維復(fù)合材（CFRP）以其高模量、高強(qiáng)度、良好的耐環(huán)境性能在結(jié)構(gòu)工程加固領(lǐng)域獲得廣泛的用途基層處理（打磨、修補(bǔ)）↓刷底膠（符合條件時(shí)免底涂膠）↓涂浸漬膠↓粘碳纖維↓面層處理（拋砂，為抹灰作準(zhǔn)備）↓表層防護(hù)處理（防撞，防火）碳纖維片材加固的基本操作程序碳纖維復(fù)合材的主要安全性指標(biāo)項(xiàng)目單向織物條形板高強(qiáng)度I級(jí)高強(qiáng)度II級(jí)高強(qiáng)度I級(jí)高強(qiáng)度II級(jí)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）>3400>3000>2400>2000受拉彈性模量（MPa）>2.4×105>2.1×105>1.6×105>1.4×105伸長率（%）>1.7>1.5>1.7>1.5層間剪切強(qiáng)度（MPa）>45>35>50>40纖維體積含量（%）-->65>55單位面積質(zhì)量g/m2<300<300--底膠的安全性指標(biāo)鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）當(dāng)與A級(jí)膠匹配>14當(dāng)與A級(jí)膠匹配>10GB/T7124與混凝土的正拉粘接強(qiáng)度（MPa）>2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞規(guī)范附錄不揮發(fā)物含量（固體含量）（%）>99GB/T2793修補(bǔ)膠的安全性能指標(biāo)膠體抗拉強(qiáng)度（MPa）>30GB/T2568膠體抗彎強(qiáng)度（MPa）>40，且不得呈脆性（碎裂狀）破壞GB/T2570與混凝土的正拉粘接強(qiáng)度（MPa）>2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞規(guī)范附錄碳纖維復(fù)合材浸漬膠/粘結(jié)用膠安全性能指標(biāo)性能指標(biāo)A級(jí)膠B級(jí)膠標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度（MPa）>40>30GB/T2568受拉彈性模量（MPa）>2500>1500伸長率（%）>1.5抗彎強(qiáng)度（MPa）>50>40GB/T2570且不得呈脆性（碎裂狀）破壞抗壓強(qiáng)度（MPa）>70GB/T2569鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）>14>10GB/T7124鋼-鋼不均勻扯離強(qiáng)度（MPa）>20>15GJB94與混凝土的張拉粘接強(qiáng)度（MPa）>2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞規(guī)范附錄碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（梁抗彎）碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（板抗彎）碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（梁抗彎）碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（梁抗剪）碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（柱子抗剪加固、延性增強(qiáng)）碳纖維加固應(yīng)用的幾種典型方式（柱子抗彎）碳纖維復(fù)合材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系碳纖維復(fù)合材設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)性能項(xiàng)目單向織物（布）條形板高強(qiáng)度I級(jí)高強(qiáng)度II級(jí)高強(qiáng)度I級(jí)高強(qiáng)度II級(jí)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft（MPa）重要構(gòu)件1600140011501000一般構(gòu)件2300200016001400彈性模量設(shè)計(jì)值Ef（MPa）重要構(gòu)件2.3×1052.0×1051.6×1051.4×105一般構(gòu)件拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值重要構(gòu)件0.0070.0070.0070.007一般構(gòu)件0.010.010.010.01

?被加固的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘接強(qiáng)度不得低于1.5MPa。

?外貼纖維復(fù)合材加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)將纖維受力方式設(shè)計(jì)成僅承受拉應(yīng)力作用。

?粘貼在混凝土表面上的纖維復(fù)合材，不得直接暴露在陽光或有害介質(zhì)中，其表面應(yīng)進(jìn)行防護(hù)處理。

?采用碳纖維復(fù)合材加固的構(gòu)件，其長期使用的環(huán)境溫度不應(yīng)高于60oC；處于特殊環(huán)境（高溫、高濕、介質(zhì)腐蝕等）的混凝土結(jié)構(gòu)除應(yīng)按國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采取防護(hù)措施外，尚應(yīng)采用耐環(huán)境作用膠粘劑，并按專門的工藝進(jìn)行粘貼。碳纖維復(fù)合材用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的條件基本假定1.加固前截面應(yīng)變服從平截面規(guī)律，加固后應(yīng)變?cè)隽糠钠浇孛娣植家?guī)律。2.纖維復(fù)合材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取直線形式，拉應(yīng)力等于拉應(yīng)變與彈性模量的乘積。3.當(dāng)考慮二次受力影響時(shí)，應(yīng)按構(gòu)件加固前的初始受力情況，確定纖維復(fù)合材的滯后應(yīng)變。4.在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，加固材料與混凝土之間不出現(xiàn)粘結(jié)剝離破壞。受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)碳纖維片材所在的受拉邊緣取矩：實(shí)際上是碳纖維片材的強(qiáng)度利用率受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算加固時(shí)碳纖維的滯后應(yīng)變?yōu)?/p>

計(jì)算系數(shù)值受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算<0.007<0.010<0.020<0.030<0.040>0.060單排鋼筋0.700.901.151.201.251.30雙排鋼筋0.751.001.251.301.351.40承載能力極限狀態(tài)下碳纖維應(yīng)變與設(shè)計(jì)極限應(yīng)變之比率為（利用率）：其中容易看出，受壓區(qū)高度x越大，碳纖維強(qiáng)度發(fā)揮程度低。受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算為確保碳纖維片材在承載能力極限狀態(tài)下能得到恰當(dāng)?shù)陌l(fā)揮，要求加固后構(gòu)件的界限相對(duì)受壓區(qū)高度滿足：對(duì)重要構(gòu)件對(duì)一般構(gòu)件受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算需要多層粘貼時(shí)，實(shí)際粘貼面積應(yīng)在計(jì)算面積基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整：當(dāng)采用預(yù)成型板時(shí)取當(dāng)采用多層粘貼時(shí)，取受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算加固方式：環(huán)形箍或U形箍受彎構(gòu)件斜截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算受彎構(gòu)件加固后的斜截面應(yīng)符合當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)受彎構(gòu)件斜截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算加固構(gòu)件受剪承載力取為原有受剪承載力與箍條貢獻(xiàn)之和：碳纖維箍條強(qiáng)度折減系數(shù)；同一截面碳纖維箍條斷面積；箍條側(cè)面高度；箍條間距。受彎構(gòu)件斜截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算受彎構(gòu)件斜截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)值受彎構(gòu)件斜截面加固設(shè)計(jì)計(jì)算條帶加錨方式環(huán)形箍及加錨封閉箍膠錨或鋼板錨U形箍加織物壓條的一般U形箍受力條件均布荷載或剪跨比1.00.920.850.680.630.58正常使用條件下碳纖維材料的利用率極低，一般不超過材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的10%。不能有效改善加固結(jié)構(gòu)的使用性能，如減小裂縫寬度、提高結(jié)構(gòu)剛度、降低結(jié)構(gòu)撓度等。正截面加固時(shí)片材端部容易產(chǎn)生界面高剪應(yīng)力，導(dǎo)致端部剝離；裂縫兩側(cè)界面容易產(chǎn)生高剪應(yīng)力導(dǎo)致剝離；簡(jiǎn)支構(gòu)件斜裂縫的發(fā)展容易誘發(fā)片材剝離；抗剪加固時(shí)U形箍自由端容易產(chǎn)生剝離。普通粘貼碳纖維用于受彎構(gòu)件加固的技術(shù)瓶頸鋼筋受拉屈服-纖維拉斷（不選擇）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)鋼筋受拉屈服-纖維不斷-壓區(qū)混凝土壓碎（選擇）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)受彎能力增強(qiáng)，抗剪能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致剪切破壞（限制）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)沿鋼筋的表層混凝土剝離破壞（撕裂，debondingofsurfaceconcretefromrerar)（限制）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)纖維片材自端部而起的剝離破壞（脫層,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)纖維片材自裂縫截面的剝離破壞（脫層,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)斜裂縫剪錯(cuò)導(dǎo)致的纖維片材剝離破壞（限制）受彎構(gòu)件抗彎加固的破壞形態(tài)可以大幅度提高CFRP材料強(qiáng)度利用率；大幅度降低同等拉應(yīng)力條件下CFRP片材與基層混凝土之間的剪應(yīng)力，降低因彎曲裂縫導(dǎo)致的剝離風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)張拉的CFRP片材在端部設(shè)置專用錨固裝置后，可以有效防止端部剝離破壞和因剪切裂縫導(dǎo)致的剝離破壞。對(duì)纖維片材施加預(yù)應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)

反拱法產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力度很低，能有效說明對(duì)FRP材料施加預(yù)應(yīng)力帶來的明顯優(yōu)勢(shì)，但該方法在實(shí)際工程中難以采用。施加預(yù)應(yīng)力的方法：反拱法

?國內(nèi)外較早采用反拱法對(duì)GFRP材料建立預(yù)應(yīng)力。Saadatmanesh和Ehsani[5]（美國Arizona大學(xué)，1991）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用千斤頂在跨中將混凝土梁頂起產(chǎn)生反拱，保持荷載使梁維持彎曲狀態(tài)，然后在梁底凹面粘貼GFRP板，待膠層固化獲得強(qiáng)度后卸除千斤頂，混凝土梁回彈使GFRP板受拉，從而建立起預(yù)應(yīng)力。該試驗(yàn)混凝土梁尺寸為4570mm×200mm×460mm，四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的開裂荷載提高了100%，承載力提高400%。施加預(yù)應(yīng)力的方法：反拱法

?Yu，Silver和Nanni[6]（美國Missouri-Rolla大學(xué)，2003）采用反拱法對(duì)尺寸6300mm×1000mm×220m