纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)研究進(jìn)展

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)研究進(jìn)展

纖維增強(qiáng)纖維材料（frp）加固技術(shù)是用粘合劑將frp連接到結(jié)構(gòu)外部，以提高結(jié)構(gòu)承載能力的加固方法。FRP優(yōu)良的材料特性使該加固方法有以下主要技術(shù)優(yōu)勢(shì):高強(qiáng)高效;不影響結(jié)構(gòu)自重及尺寸;施工方便,操作性強(qiáng),不需要大型施工設(shè)備,施工占用空間少;適用于各種類(lèi)型和形狀結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ);抗疲勞、耐腐蝕性能好。1frp混凝土加固技術(shù)的研究與實(shí)踐20世紀(jì)80年代,主要由日本發(fā)起了FRP用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的研究。此后,美國(guó)、加拿大及歐洲部分國(guó)家和地區(qū)的眾多大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和材料生產(chǎn)廠家等相繼進(jìn)行了大量的纖維材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的研究。美國(guó)于1990年開(kāi)始對(duì)FRP進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),當(dāng)時(shí)主要集中在玻璃纖維(GFRP)的研究。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(NSF)資助開(kāi)展了有關(guān)FRP片材的研究項(xiàng)目。加拿大也成立了與FRP增強(qiáng)和加固土木建筑物有關(guān)的國(guó)家重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)基地。用FRP對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行修復(fù)加固在日、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已成為一項(xiàng)成熟技術(shù),并制定了有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和應(yīng)用規(guī)程,同時(shí)還組織了各種促進(jìn)團(tuán)體和學(xué)會(huì)等。我國(guó)有關(guān)FRP片材粘貼加固的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代末。1997年,華南理工大學(xué)黃培彥教授主持的項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金的資助,在纖維薄板與混凝土構(gòu)件的界面強(qiáng)度及剝離破壞機(jī)理和加固方法等方面做了較多的研究。2000年6月在北京召開(kāi)了中國(guó)首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì),對(duì)FRP加固技術(shù)在我國(guó)健康地發(fā)展起到了良好的引導(dǎo)作用。目前,國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程中心、同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、香港理工大學(xué)等多所高校和科研機(jī)構(gòu)都在對(duì)FRP加固技術(shù)進(jìn)行研究,取得了大量的科研成果,并應(yīng)用于許多工程中。但我國(guó)在FRP加固規(guī)范的制定方面還比較落后,我國(guó)已制定了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,其他2個(gè)材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家級(jí)《高性能復(fù)合材料應(yīng)用規(guī)范》還在編制中。現(xiàn)在,對(duì)FRP加固技術(shù)的研究及應(yīng)用已經(jīng)成為全國(guó)工程界高度重視的一項(xiàng)課題。2混合纖維材料加固技術(shù)的研究2.1雜纖增強(qiáng)復(fù)合材料的制備混雜復(fù)合材料(HFRP)是從20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合材料,它指由2種不同纖維、或2種不同基體、或2種不同形狀的增強(qiáng)材料(如長(zhǎng)與短纖維)復(fù)合而成的復(fù)合材料?；祀s方式大致有3種形式:將2種或2種以上纖維或纖維束在1層預(yù)制片內(nèi)的層內(nèi)混雜;將不同的纖維預(yù)制片(布)按一定方式疊層復(fù)合的層間混雜;夾層板形式的夾芯混雜?；祀s復(fù)合材料主要應(yīng)用于飛機(jī)、汽車(chē)和船舶制造工業(yè),近幾年才出現(xiàn)用于混凝土加固的研究報(bào)道。目前,用于建筑結(jié)構(gòu)加固的混雜復(fù)合材料主要是將碳纖維復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)作為增強(qiáng)相的混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。混雜纖維加固法可以結(jié)合這2種材料的優(yōu)點(diǎn),提高材料的綜合性能。有研究表明,GFRP與CFRP體積比為2的混雜纖維復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變比CFRP高30%~50%;在CFRP中加入15%的GFRP,抗沖擊強(qiáng)度可增加2~3倍,且價(jià)格低廉。通過(guò)調(diào)整這2種纖維的比例,還可使混雜纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈模在GFRP與CFRP的強(qiáng)度及彈模之間變化,擴(kuò)大了材料與構(gòu)件設(shè)計(jì)的自由度。2.2混凝土基復(fù)合材料汕頭大學(xué)熊光晶等首次提出混合采用CFRP和GFRP對(duì)鋼筋混凝土梁柱進(jìn)行復(fù)合加固的方法,即層間混雜纖維布復(fù)合材料加固法,并開(kāi)展了系列的試驗(yàn)研究。對(duì)CFRP/GFRP復(fù)合加固混凝土梁的抗彎試驗(yàn)研究表明,將2種纖維復(fù)合使用,高延伸率的纖維(GFRP)可承受由于低延伸率的纖維(CFRP)斷裂而引起的額外荷載,從而使復(fù)合纖維的平均斷裂應(yīng)變明顯提高;復(fù)合加固梁塑性大幅度提高,但剛度增加效果不如CFRP加固梁。蔣小青、熊光晶等提出以無(wú)緯單向CFRP粘貼梁底,以L型有緯單向GFRP粘貼梁底和梁側(cè)的加固方案,這種HFRP匹配和加固方法能在承載力提高的基礎(chǔ)上,有效防止梁端及跨中發(fā)生剝離破壞,且使加固梁延性顯著高于CFRP加固梁。對(duì)柱的加固,近年來(lái)提出用預(yù)制FRP圓形套筒加固混凝土方柱的新方法。楊建中、熊光晶等用混雜纖維復(fù)合材料預(yù)制圓套筒加固混凝土方柱,套筒和混凝土柱之間填充混凝土,套筒既作為模板,又為圓截面混凝土提供約束。試驗(yàn)研究表明,由于混雜效應(yīng),這種套筒既有較好的約束剛度,又有較高的延伸率,它給核心混凝土提供足夠空間產(chǎn)生剪切滑移后還能提供強(qiáng)而有力的約束,直到核心混凝土被壓碎成小碎塊才被脹破。CFRP/GFRP復(fù)合加固柱承載力和變形能力的提高均比單一纖維加固要好,而且在承載力提高幅度相同的情況下,成本顯著低于CFRP加固柱。2.3混凝土梁的加固高強(qiáng)玻璃纖維(SGF)的力學(xué)性能和耐久性均遠(yuǎn)優(yōu)于普通GFRP。由于高強(qiáng)玻璃纖維的延伸率顯著高于普通GFRP,用高強(qiáng)玻璃纖維與CFRP混雜而成的HFRP具有“屈服”特征,混雜效應(yīng)更佳。熊光晶、蔣小青等進(jìn)行了高強(qiáng)玻璃纖維和CFRP層間混雜加固混凝土梁的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)2層GFRP和1層CFRP混雜加固的梁的承載力和延性分別比2層CFRP加固的梁高7.8%和109%,僅剛度比后者低10%,加固價(jià)格卻比后者低38%,混雜效果顯著。蔣小青、熊光晶等提出將延伸率高、價(jià)格低、彈性模量也低的高強(qiáng)玻璃纖維和彈性模量高、延伸率低、價(jià)格高的CFRP混雜預(yù)制套筒對(duì)混凝土方柱進(jìn)行改圓截面加固。HFRP加固采用層間混雜方式,將一層CFRP置在內(nèi)側(cè),兩層高強(qiáng)玻璃纖維在外,試圖發(fā)揮CFRP抗剪更好、延伸率更高的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明,采用2層高強(qiáng)玻璃纖維和1層CFRP的HFRP加固柱的承載力、縱橫向極限應(yīng)變分別是采用3層CFRP加固柱的1.01,1.71和1.88倍,而成本降低42%。3frp加固塊結(jié)構(gòu)的研究3.1砌體加固技術(shù)frp在非織造材料中的應(yīng)用砌體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)工程中占據(jù)著重要的地位,許多砌體結(jié)構(gòu)具有比較高的歷史價(jià)值和使用價(jià)值。由于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的接近、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震標(biāo)準(zhǔn)的提高、設(shè)計(jì)和施工產(chǎn)生的隱患以及人們對(duì)建筑物的安全性、實(shí)用性和耐久性的要求不斷提高等原因,許多砌體結(jié)構(gòu)需要維修加固。近年提出采用FRP加固砌體結(jié)構(gòu)的新型技術(shù),既適用于墻體局部開(kāi)裂的加固又適用于墻體承載力不足情況下的加固,可以避免傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方法的缺點(diǎn)。該技術(shù)主要有建筑空間利用率高、耐久性好、不增加結(jié)構(gòu)的自重和體積、施工方便快捷、修復(fù)加固效果明顯等特點(diǎn)。當(dāng)前研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用FRP材料進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)加固是發(fā)展的趨勢(shì)。Croco等于1987年采用低彈模的聚丙烯編織物對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗剪加固試驗(yàn)。Sweidan于1991年提出采用FRP預(yù)應(yīng)力筋加固砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)想。在應(yīng)用上,歐洲的許多古建筑采用了FRP進(jìn)行修復(fù)加固,取得了良好的效果。國(guó)內(nèi)在FRP材料加固砌體結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步,目前有武漢理工大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)及清華大學(xué)等少數(shù)幾家單位在進(jìn)行研究,理論和應(yīng)用還不夠成熟。3.1.1抗剪加固研究砌體結(jié)構(gòu)往往由于抗剪承載力不夠而發(fā)生破壞。1997年,Ehsani等對(duì)用FRP加固磚砌體的抗剪性能進(jìn)行了系統(tǒng)地試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:粘貼GFRP可以明顯提高砌體的抗剪強(qiáng)度和剛度;GFRP的抗拉強(qiáng)度和粘貼錨固長(zhǎng)度對(duì)加固砌體的抗剪強(qiáng)度和破壞形式都有較大的影響;FRP布粘貼方向?qū)庸唐鲶w的剛度有一定的影響,但對(duì)抗剪強(qiáng)度影響不大。2002年,Corradi等對(duì)在意大利翁布里亞地震中遭受損傷的石砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)粘貼FRP布的抗剪加固試驗(yàn)研究,石砌體分別采用粘貼GFRP和CFRP的剪壓試驗(yàn),結(jié)果顯示,對(duì)于抗剪強(qiáng)度的提高沒(méi)太大區(qū)別。蔡志鴻、黃奕輝等對(duì)27件芳綸纖維布加固磚砌體雙剪試件與4件芳綸纖維布加固磚砌墻體進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,芳綸纖維加固磚砌體破壞時(shí)仍具有較明顯的脆性。芳綸纖維布受拉時(shí),其與灰縫平行的分力直接提高了水平承載力,而與灰縫垂直的分力對(duì)灰縫產(chǎn)生壓應(yīng)力,間接地提高了水平承載力,計(jì)算中應(yīng)考慮兩部分的共同作用。加固效果的主要影響因素是芳綸纖維布的有效發(fā)揮系數(shù)、摩擦系數(shù)和芳綸纖維布條帶軸線與灰縫方向的夾角。需要指出的是,隨著加固率的提高,FRP有效應(yīng)變即有效發(fā)揮系數(shù)減小,在無(wú)可靠錨固的情況下,過(guò)高的加固率容易引起FRP的剝離破壞。另外,由于加固試件的破壞是由砌體破壞引起的,FRP基本上不會(huì)開(kāi)裂。因此對(duì)于低強(qiáng)度的砌體結(jié)構(gòu),采用過(guò)高強(qiáng)度FRP材料和過(guò)高的加固率來(lái)提高抗剪承載力并不可取。3.1.2抗沖層加固研究FRP加固可改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,主要是由于FRP約束墻體而阻止了裂縫,改善了墻體的受力狀態(tài)。FRP的作用相當(dāng)于桁架模型中的受拉桿,在加載過(guò)程中屈曲穩(wěn)定,FRP的存在使滯回環(huán)飽滿,面積增大,變形能力得到加強(qiáng),延性增加,骨架曲線下降段平緩,從而改善了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能,避免了由于磚砌體的脆性破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的突然破壞。趙彤等進(jìn)行了CFRP加固磚砌體在低周反復(fù)荷載作用下受力性能的試驗(yàn)。結(jié)果表明,粘貼FRP可以有效地提高墻體的抗震能力,對(duì)于提高結(jié)構(gòu)延性,增強(qiáng)墻體的耗能能力,減少墻體的剪切變形和防止砌體受壓區(qū)破碎,都是非常有效的。王欣等進(jìn)行了對(duì)已破壞墻體經(jīng)CFRP加固后在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,對(duì)由于地震等原因?qū)е缕茐牡钠鲶w,當(dāng)砌體未出現(xiàn)磚被壓碎等嚴(yán)重破壞現(xiàn)象時(shí),用CFRP或GFRP加固的效果非常顯著,可以恢復(fù)原有的最大承載力,提高極限位移,改善砌體的抗震性能。當(dāng)出現(xiàn)磚被壓碎等破壞時(shí),用CFRP加固可以提高延性,但抗震承載力提高程度不明顯,需要同時(shí)采取其他提高抗震承載力的措施。Schwegler在博士論文中首次做了對(duì)CFRP板材加固足尺的混凝土砌塊墻體的抗震性能試驗(yàn)研究,并建立了CFRP板加固墻體的抗剪性能的力學(xué)計(jì)算模型。彭少民、盧會(huì)芳等研究了CFRP加固低強(qiáng)度無(wú)構(gòu)造柱帶窗洞墻片和有構(gòu)造柱帶側(cè)門(mén)洞墻片的抗震性能。研究結(jié)果表明,采用CFRP板斜向交叉成“X”形粘貼,并在端部錨固處理的加固方式比整片粘貼CFRP板的加固效果更明顯。他們的研究進(jìn)一步指出,CFRP垂直“X”型裂縫粘貼的試件加固效果比沿“X”型裂縫粘貼的試件要好。然而強(qiáng)度低的砌塊在加載過(guò)程中局部碎裂,使CFRP局部剝離,端部剝離最為嚴(yán)重,影響了CFRP強(qiáng)度的發(fā)揮,所以在CFRP端部進(jìn)行錨固是必要的。對(duì)于帶窗洞墻片的加固,在窗洞四角加斜向壓條,既能起到錨固作用,同時(shí)又起阻裂作用。3.1.3砌體的平面外抗彎性能試驗(yàn)研究Ehsani等對(duì)粘貼GFRP片材加固磚砌體的平面外抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)分析了環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑類(lèi)型、砌筑砂漿強(qiáng)度、GFRP材料強(qiáng)度以及表面處理方法等對(duì)加固效果的影響。試驗(yàn)表明,GFRP的抗拉強(qiáng)度對(duì)加固砌體的最終破壞形式起控制作用。2001年,Michael等分別采用粘貼CFRP和GFRP對(duì)砌塊墻體進(jìn)行平面外抗彎加固試驗(yàn)研究,分別研究了砌塊抗壓強(qiáng)度、FRP布類(lèi)型、粘貼條數(shù)、粘貼寬度、布置方式、豎向壓力大小等因素對(duì)抗彎加固效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,粘貼FRP片材可以有效地提高墻體的平面外抗彎極限承載力和延性,砌體的平面外抗彎強(qiáng)度和剛度都有較大的提高。FRP加固砌體的抗彎破壞形式主要有FRP布剝離破壞、FRP布受彎斷裂破壞、端部剪切破壞、彎剪聯(lián)合破壞等。Michae根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了FRP布加固砌體的抗彎承載力計(jì)算公式,提出了荷載-變形曲線的2階段模型,第1階段為弧線段,到砌體出現(xiàn)初始裂縫為止,主要體現(xiàn)砌體本身對(duì)剛度的貢獻(xiàn);第2階段基本上是直線段,主要體現(xiàn)FRP布對(duì)加固砌體剛度的貢獻(xiàn),其中FRP類(lèi)型和用量對(duì)第2階段的剛度變化影響較大。砌體上作用的豎向壓力對(duì)第1階段的剛度有增大作用,而對(duì)第2階段的剛度則有減少作用。FRP粘貼布置方式對(duì)整體剛度影響不大,但對(duì)2個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置有一定影響。3.2frp加固墻體的結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)研究尚未形成共識(shí)1)對(duì)于一些特殊的建筑,抗疲勞設(shè)計(jì)可能成為設(shè)計(jì)的控制因素,關(guān)于FRP加固砌體結(jié)構(gòu)疲勞特性的研究在國(guó)內(nèi)外還較少。2)目前國(guó)內(nèi)外尚未制定有關(guān)FRP加固砌體結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的規(guī)定,我國(guó)尚未制定有關(guān)FRP在砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的規(guī)定,制約了FRP的推廣應(yīng)用。3)FRP加固墻體的破壞機(jī)理還未形成共識(shí),理論尚不完善,存在爭(zhēng)議。4)砌體材料與混凝土有很大區(qū)別,FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在剝離方面的結(jié)論不一定適用于砌體結(jié)構(gòu),目前華僑大學(xué)正在全面展開(kāi)該方面的研究。4預(yù)應(yīng)力cfrp加固技術(shù)在試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),在結(jié)構(gòu)表面直接粘貼CFRP材料的加固方法雖然對(duì)結(jié)構(gòu)的極限荷載提高明顯,但由于CFRP的應(yīng)變往往會(huì)滯后,對(duì)其開(kāi)裂荷載和屈服荷載提高不大,限制了CFRP材料的發(fā)揮。為改善這種狀況,根據(jù)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的原理,提出了預(yù)應(yīng)力CFRP加固方法。從理論上講,預(yù)應(yīng)力CFRP加固方法是可行的,用預(yù)應(yīng)力可以平衡掉梁的一部分荷載,有效減小梁的撓度變形,進(jìn)一步提高梁的承載力,并可避免剝離破壞,其加固效果比普通CFRP加固受彎構(gòu)件要顯著。目前,國(guó)內(nèi)外已對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)做了較多的研究,但是還有許多問(wèn)題有待研究,如:如何有效地對(duì)預(yù)應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算,預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件承載力的計(jì)算等問(wèn)題。由于預(yù)應(yīng)力錨具的限制,使這項(xiàng)技術(shù)還未完全推廣到工程實(shí)際中。4.1抗彎性能方面的應(yīng)用飛謂、尚守平、葉列平、Wight等進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)利用預(yù)應(yīng)力CFRP加固的梁,其開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載的提高幅度遠(yuǎn)大于非預(yù)應(yīng)力加固的提高幅度,并可以改善裂縫發(fā)展。承載力提高的原因是由于預(yù)應(yīng)力CFRP的存在,梁的工作性能發(fā)生了變化,梁的內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力重分布。Y.Piyong等用預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土板,其抗彎能力提高約80%,并極大改善了混凝土板工作性能。此外,Wight對(duì)預(yù)應(yīng)力加固梁的疲勞性能的研究表明,預(yù)應(yīng)力CFRP加固對(duì)疲勞破壞更有效,降低了內(nèi)部鋼筋的應(yīng)力。4.1.1預(yù)應(yīng)力控制值1991年,Triantafillou和Deskovic提出在保證預(yù)應(yīng)力體系不發(fā)生錨固破壞的條件下最大預(yù)應(yīng)力水平的分析模型,預(yù)測(cè)最大預(yù)應(yīng)力水平,確保釋放預(yù)應(yīng)力時(shí)端部錨固處不會(huì)破壞,試驗(yàn)結(jié)果與模型分析結(jié)果符合較好。Garden等認(rèn)為較高的預(yù)應(yīng)力水平可以較大地提高結(jié)構(gòu)的剛度及混凝土的承載力,CFRP板的預(yù)應(yīng)力度至少為0.25。Deuring主張為了獲得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上合理的預(yù)應(yīng)力,應(yīng)變應(yīng)控制在50%的板材極限應(yīng)變范圍內(nèi)。Meier認(rèn)為預(yù)應(yīng)力控制值影響加固梁的極限荷載和破壞模式。當(dāng)預(yù)應(yīng)力控制值是FRP抗拉強(qiáng)度的60%~70%時(shí),鋼筋屈服,然后FRP板被拉斷。因?yàn)榇藭r(shí)鋼筋和FRP板都被充分利用,所以此時(shí)為最佳。牛赫東等通過(guò)理論分析,基于破壞力學(xué)的概念,提出取決于界面破壞能的最大可施加預(yù)應(yīng)力值為σpmax=2GfE2/t???????√σpmax=2GfE2/t式中:Gf代表界面破壞能;E2代表FRP的彈性模量;t代表FRP的厚度。此公式僅適用于不采取任何應(yīng)力減小措施的情況下,計(jì)算不發(fā)生由端部剪應(yīng)力集中造成的剝離破壞時(shí)的最大預(yù)應(yīng)力值。4.1.2試驗(yàn)2:u型再錨固試驗(yàn)Merier發(fā)現(xiàn),如果沒(méi)有特殊的端部錨固,FRP布在預(yù)應(yīng)力水平為其抗拉強(qiáng)度的5%時(shí)錨固區(qū)域就發(fā)生了早期破壞。試驗(yàn)證明,在梁端使用U形箍進(jìn)行加固對(duì)阻止端部剝離破壞起到了明顯的作用;但當(dāng)荷載達(dá)到一定水平后,U型箍?jī)?nèi)側(cè)又發(fā)生剝離。U型箍的施加數(shù)量與施加位置有待于進(jìn)一步研究。牛赫東等在試驗(yàn)中對(duì)比了3種錨固方式:U型纖維箍、方形纖維錨固、螺栓錨固。結(jié)果證明錨固區(qū)域?yàn)?5cm×20cm的用8個(gè)鉚釘?shù)腻^固措施最為有效。他建議增加錨固面積及螺栓數(shù)量可提高荷載承受能力。Y.Piyong在試驗(yàn)中采用了GFRP錨釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行錨固,在試件的兩端各鉆了6個(gè)孔,然后用GFRP錨釘將FRP布錨固于混凝土板上。試驗(yàn)證明GFRP錨釘能有效防止FRP布的剝離,但是開(kāi)孔的位置以及數(shù)量問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。4.1.3放張預(yù)應(yīng)力時(shí)混凝土的抗剪強(qiáng)度Wight認(rèn)為預(yù)應(yīng)力損失的幅度主要取決于預(yù)應(yīng)力水平和梁的剛度。EI-Hacha等人在試驗(yàn)中對(duì)預(yù)應(yīng)力損失做了研究。試驗(yàn)中分別對(duì)2個(gè)試驗(yàn)梁粘貼了3m和2m的預(yù)應(yīng)力CFRP布。當(dāng)放張預(yù)應(yīng)力時(shí),3m布和2m布的預(yù)應(yīng)力分別為原來(lái)的92%和91%。5h后,預(yù)應(yīng)力值分別為原來(lái)的67%和84%。5d后,預(yù)應(yīng)力值分別為原來(lái)的66%和76%。他認(rèn)為長(zhǎng)期的預(yù)應(yīng)力損失主要是混凝土的收縮和徐變?cè)斐傻?。飛謂、葉列平等研究指出,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的因素有張拉設(shè)備的變形、FRP布與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的摩擦、混凝土壓縮變形及徐變、CFRP的松弛及蠕變、釋放預(yù)應(yīng)力引起的損失等。其中前4種因素的影響都較小,張放引起的預(yù)應(yīng)力損失是最重要的因素。損失與預(yù)應(yīng)力布的層數(shù)、寬度、長(zhǎng)度、彈性模量以及施加預(yù)應(yīng)力控制值有關(guān)。4.2預(yù)應(yīng)力cfrp加固鋼梁對(duì)鋼梁的加固作用直接粘貼CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的加固效果不明顯,且往往不能將CFRP高強(qiáng)度的特性充分發(fā)揮出來(lái)。為了能將CFRP加固的技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)中,筆者提出了預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼梁這一新型的加固方式。采用設(shè)置永久錨具和反拱施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了加固鋼梁的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼梁后,其屈服荷載和極限荷載相對(duì)于對(duì)比梁有明顯的提高,其提高的程度隨著預(yù)應(yīng)力CFRP的用量和預(yù)應(yīng)力水平的提高而增大,而且預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)對(duì)鋼梁的剛度提高作用也比較明顯。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼梁后的正截面承載力和撓度變化進(jìn)行了理論分析,初步建立了預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼梁的理論計(jì)算體系。5cfrp與鋼板復(fù)合加固混凝土的組合結(jié)構(gòu)的研究用CFRP圍覆約束鋼筋混凝土柱對(duì)承載力的提高程度是有限的,但可以約束混凝土的橫向變形,提高其延性。用角鋼來(lái)加固鋼筋混凝土柱可以顯著地提高承載力,但對(duì)橫向變形的約束能力卻較低。對(duì)于粘貼CFRP加固梁,由于纖維材料的脆性性能,梁的破壞都具有一定的突然性,截面延性大幅度降低;而粘鋼加固梁可在加載至破壞過(guò)程中均保持較好的延性,但其對(duì)梁的承載力提高有限。因此,筆者提出了用CFRP和鋼板復(fù)合加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法,以發(fā)揮CFRP和鋼材各自的材料優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)單一材料加固方法的不足,形成一種性能更加優(yōu)越的組合結(jié)構(gòu),達(dá)到既能大幅度提高構(gòu)件承載力,又能大幅度提高構(gòu)件延性的目的,滿足對(duì)加固有特殊要求的工程需要。筆者近年來(lái)對(duì)CFRP與鋼板復(fù)合加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究[39,40,41,42,43,44,45]。研究表明,復(fù)合加固混凝土構(gòu)件在各個(gè)方面均具有比單一加固方法更優(yōu)越的性能。該技術(shù)已在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。5.1外包鋼和cfrp復(fù)合加固混凝土支架的研究5.1.1cfrp與混凝土柱的復(fù)合加固研究用外包角鋼和粘貼CFRP來(lái)提高柱的軸向承載力。主要機(jī)理是:在軸力作用下激發(fā)纖維的環(huán)向應(yīng)變,產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力,使混凝土處于三向受力狀態(tài),抗壓強(qiáng)度大大提高,構(gòu)件延性大為改善;另一方面,角鋼直接參與軸向受力,角鋼和綴板形成的骨架約束混凝土的橫向變形,同時(shí)可以提高CFRP的利用效率。柱的復(fù)合加固方式是先在表面粘貼CFRP,然后在4個(gè)角部粘貼角鋼,采用橫向綴板進(jìn)行連接。復(fù)合加固方法見(jiàn)圖1。復(fù)合加固短柱軸壓試驗(yàn)表明,混凝土與角鋼在應(yīng)變上符合平截面假定,各種材料可以共同工作。CFRP加固混凝土柱可以顯著提高柱的極限承載力達(dá)60%以上,柱延性也有顯著提高。復(fù)合加固試件破壞時(shí),混凝土的橫向變形比單獨(dú)角鋼或CFRP加固試件更為充分,橫截面較單材加固的柱更趨向于圓形。外包角鋼主要依靠綴板和螺栓的作用,與混凝土變形協(xié)調(diào),保證其整體工作性能。鋼筋混凝土加固后的混凝土柱在承載力的提高幅度和變形能力的增加方面均優(yōu)于素混凝土柱,能更有效地發(fā)揮加固材料的橫向約束作用,加固效果更好。中長(zhǎng)柱復(fù)合加固試驗(yàn)表明,復(fù)合加固柱的承載力隨角鋼含鋼率近似線性增長(zhǎng),荷載提高的原因首先是角鋼直接承載而導(dǎo)致承載力增加;其次,中長(zhǎng)柱在外包CFRP再粘角鋼加固后,由于角鋼增加了柱截面剛度,減少了相應(yīng)荷載下柱產(chǎn)生的二次彎矩。中長(zhǎng)柱復(fù)合加固后極限承載力的提高幅度比單獨(dú)包CFRP或單獨(dú)包角鋼兩者之和要大。偏壓柱復(fù)合加固試驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)合加固柱承載力隨含CFRP率、含角鋼率的增加而增加,隨偏心距、柱長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小。復(fù)合加固后,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有約束混凝土的特征,荷載—應(yīng)變關(guān)系具有兩段性,CFRP約束混凝土柱的荷載—位移曲線為2個(gè)上升段。在荷載較小時(shí),角鋼和CFRP的橫向約束作用較小,角鋼和CFRP在中后期發(fā)揮約束作用。破壞時(shí)在綴板中間處角鋼不能全截面屈服,使角鋼的軸壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮,CFRP的強(qiáng)度發(fā)揮效率問(wèn)題依然存在。從實(shí)際測(cè)得各點(diǎn)應(yīng)變可以看出,復(fù)合加固柱的CFRP的應(yīng)力分布是不均勻的,CFRP橫向應(yīng)變?nèi)匀粵](méi)有得到充分發(fā)揮,但比CFRP單獨(dú)加固柱的作用要充分。5.1.2加固柱結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響對(duì)復(fù)合加固試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)表明,復(fù)合加固柱的抗剪性能較未加固柱有較大程度改善,其抗剪極限承載力、延性以及耗能能力都得到顯著提高。復(fù)合加固柱在達(dá)到其極限承載力后,其承載力并未急劇下降,其滯回曲線的捏攏現(xiàn)象得到很大的緩解。試驗(yàn)結(jié)果也表明,剪跨比、軸壓比、鋼綴板加固量是影響復(fù)合加固柱抗震和抗剪性能的主要因素。復(fù)合加固柱隨著剪跨比增大其承載力降低,其延性也有所下降;在較低的軸壓力水平下,隨著軸壓比的提高,柱的承載力有所提高,但其變形能力與延性有所下降;外加鋼綴板的加固量增大也可在一定程度上提高復(fù)合加固柱的抗剪承載力與延性。鋼綴板和纖維布對(duì)構(gòu)件抗剪的貢獻(xiàn)類(lèi)似于箍筋,其作用通過(guò)桁架機(jī)構(gòu)得以發(fā)揮,桁架-拱模型從受力機(jī)制方面較好地揭示了復(fù)合加固柱的受力機(jī)理。5.1.3復(fù)合加固柱的特性用外包鋼與CFRP復(fù)合加固混凝土柱,以改善其抗震性能。用CFRP與外包鋼復(fù)合加固混凝土柱來(lái)提高其延性時(shí),對(duì)混凝土柱起約束作用的材料主要是CFRP及外包鋼骨架,箍筋受上述2種材料制約對(duì)混凝土起到的約束作用遠(yuǎn)不及以上兩者。試驗(yàn)研究表明,復(fù)合加固柱較單材加固柱具有更大的極限應(yīng)變和更好的延性。復(fù)合加固混凝土柱具有更強(qiáng)的耗能能力,且試件的剛度衰減得很慢。外包角鋼與纖維布復(fù)合加固柱纖維布部分發(fā)生斷裂時(shí),在加載過(guò)程中柱內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量沒(méi)有因?yàn)槔w維布部分發(fā)生斷裂而釋放,而由角鋼來(lái)承擔(dān)。柱的延性大大提高,破壞前有明顯的預(yù)兆。其破壞較CFRP或角鋼加固柱的破壞更具有可預(yù)測(cè)性,這對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常重要的。在影響試件滯回性能的因素中,CFRP對(duì)試件耗能有很大影響。隨著CFRP加固量增加,試件的滯回環(huán)