华中科技大学硕士学位论文粘贴纤维片材的钢筋混凝土梁力学行为分析姓名：夏凯申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：张仲先20051105I摘 要材料科学的发展生产水平的提高使得复合材料在土木工程结构中得到日益广泛的应用在改善人居环境提高生活质量建设节约型社会的大环境下结构加固与改造的需求与工程越来越多纤维片材的轻质高强性能使其在结构加固与改造领域中如鱼得水纤维片材加固钢筋混凝土梁的研究在大量工程实践的推动下不断发展与完善工程结构加固中的抗弯抗剪锚固等方面的理论通过试验验证和实践检验正在逐步形成一套完整的理论体系研究对象从单一构件向连续构件和结构体系深入本文根据近年来课题组完成的对 8 根钢筋混凝土适筋简支梁和 11 根钢筋混凝土适筋连续梁在不同纤维布和加载历史条件下的试验研究了在经纤维片材加固的钢筋混凝土梁中纤维片材对钢筋混凝土梁力学行为产生的影响得出梁裂缝的发生发展过程延缓裂缝分布的离散性加大抗弯刚度变化过程可依裂缝发展过程分为四个阶段的结论并对不同的纤维片材类型与用量对刚度产生的影响进行分析探讨了经纤维片材加固的钢筋混凝土梁的破坏原因得出裂缝形态的不同会产生不同的破坏模式改变纤维片材的粘贴位置数量与方向可控制梁裂缝的发展并进而控制梁的破坏形态提高梁在破坏前的塑性变形能力的结论阐述了加固时梁的受荷水平对加固效果的影响为加固设计从单一构件向结构体系的迈进作了铺垫本文研究以该试验为依据在其大量翔实的试验数据的基础上进行了分析提出对经纤维片材加固的钢筋混凝土连续梁调幅的可能性并且对下一步的研究给出了建议关键词纤维片材 钢筋混凝土梁 加固 裂缝 抗弯刚度IIAbstractThe developed materials science and the increased production level make thecompound materials widely used in construction field. The request for improving theresidence circumstance, enhancing the living quality and constructing a saving societybrings more and more strengthening and rebuilding projects. Fiber reinforced polymer(FRP) which is light and strong is neatly applied in the areas. The study on reinforcedconcret beams strengthened with FRP has been continually perfected under the practice.The theoretics on bending, shearing, anchoring in strengthened components have beenchecked up by the test and exertion. The objects studied has been changed from the simplemember to the structure system. In recent years, our team accomplished a series of test on 8simple reinforced concret beams and 11 continues reinforced concret beams, whichchanged different FRP and disparate load history. Based on those, this thesis has researchedthe mechanics behavior affect on reinforced concret beams by the FRP, concluded thatcracks in the beams grow slowly and distribute discretely; the bending stiffness can bedivided into four phases according to the cracks developments; analyzed the impact to thestiffness caused by the quantity and type of FRP; discussed the failing reason;summariedthat different cracks bring different broken modes; changed position, quantity, direction cancontrol the crack transformation and the broken modes, increase the plasticability of thebeam; paved a way for the strengthening design object changing from single component tothe structure system.Based on the test , this thesis analyzes the data, brings forward the possibility ofadjusting the bending moment of the reinforced concret beams strengthened with FRP,gives suggestion for the later research.Keywords: fiber reinforced polymer lamina reinforced concrete beamstrengthen crack bending stiffness441 绪 论1.1 工程结构改造与加固的工程背景1.1.1 结构改造与加固的社会需求第二次世界大战以后世界上经济发达国家的建设大体上经历了三个阶段1大规模建设兴建与维修改造并重除部分新建外重点转向旧建筑物的维修和改造我国从 20 世纪 50 年代开始进行大规模经济建设那时经济基础薄弱所采用的规范要求相对较低同时施工主要依靠手工操作目前这些建筑物都已步入“老龄化”阶段2这些带有隐患的建筑物亟待鉴定与加固维修改造根据 2001 年 12 月国家统计局和建设部对全国 28 个省市自治区 323 个城市5000 个县镇的各类房屋状况普查的结果我国城镇房屋建筑面积已超过 676 亿平方米但是由于年久失修失养的情况比较严重每年旧房的自然淘汰率都在 0.10.2%左右20 世纪 90 年代开始由于种种原因我国各地程度不同的出现一批无规划无证设计无证施工未办理报建未办理质量监督未委托建设监理未竣工验收的建筑3这批建筑中既有民用建筑也有生产经营性建筑有的空置未用但大多数已投入使用不少建筑无设计图纸或者图纸有程度不同的问题无施工资料或者只有混乱无章无法证明施工质量的残缺资料从而留下了大量工程隐患严重的影响建筑物的安全正常使用和耐久性随着世界范围内科学技术和工业化的快速发展4产业调整设备更新和生产工艺更新日趋频繁这一要求彻底改变了既有房屋功能持续不变使用的现状随着我国市场经济的快速发展功能单一的临街建筑物已经成为商家必争之地对这类房屋的改造是促进和保障我国第三产业快速发展的基础随着交通流量的迅猛增加和单体运输能力的增大桥梁码头已不堪重负急需维修加固451.1.2 工程结构改造与加固的原因进行工程结构改造与加固的原因多种多样有人为因素也有材料因素还有科学技术发展的因素归纳起来大致有如下几种1设计失误5结构设计时考虑因素不足或者计算选取的力学模型不合理施工做法和构造措施不能满足设计时的简化和假定导致建筑物不能满足实际使用要求2施工不当6浇注混凝土时用水量过大导致干缩和徐变变形过大混凝土开裂梁板柱中钢筋布放方式和位置错误使得钢筋无法发挥作用拆模过早或拆除支撑过早导致混凝土构件开裂或破坏3使用功能改变业主改变建筑使用目的或者所作用的荷载出现变化导致设计承载能力无法满足新要求对既有建筑进行加层7或加大空间的改造8导致结构传力途径发生改变4偶然荷载影响火灾9爆炸地震10战争等意外事件对建筑物或构筑物造成严重创伤当这些建筑物或构筑物具有可修复价值或必要时需要对它们进行修复使其功能得以继续发挥5耐久性原因11工业建筑受到高温或化学腐蚀引起构件承载能力下降随着使用年限的增长钢筋混凝土在外界影响下逐渐老化发生混凝土碳化钢筋锈蚀混凝土胀裂6设计标准提高随着社会经济的发展人们对建筑物的安全性适用性耐久性的要求越来越高这就需要采用更高的设计标准尤其是现行规范12对建筑物延性的要求有所提高不少既有建筑物经过抗震鉴定后必须进行加固处理1.1.3 钢筋混凝土结构常用的加固方法针对工程中钢筋混凝土结构承载能力不够延性要求不足的各种情况应分别采取不同的加固补强方案目前在工程上针对钢筋混凝土结构或构件采用的加固方法主要有以下几种1加大截面法13通过采用与结构相同的材料 钢筋混凝土来增大构件截面尺寸从而提高构件承载能力满足使用要求该法工艺简单适用面广被广泛46应用于一般梁柱墙等混凝土构件的加固但这种方法要求的现场湿作业工作量大养护时间较长对生产和生活有一定影响而且构件的截面增大后对结构的外观和房屋净空也有一定的影响2外包钢法14以型钢钢板外包于构件四角以加强其受力性能的加固方法该法根据型钢和构件之间的共同受力与否可分为湿式和干式两种当型钢与构件之间灌注了乳胶水泥或环氧树脂等粘结材料以使型钢和构件能良好的协同工作共同受力时为湿式当型钢与构件之间无任何粘结措施所填的水泥砂浆仅为填塞空隙并不起传递剪力和拉力作用时为干式外包钢法施工简便现场工作量小受力较为可靠适用于在不允许增大原构件截面尺寸但又要求大幅度提高截面承载能力的混凝土结构主要用于钢筋混凝土柱梁桁架弦杆和腹杆的加固3粘钢加固法15用结构胶将钢板粘贴在混凝土构件表面使两者共同受力以提高结构承载能力粘贴钢板加固法简单快速对结构的外形和净空以及生产生活的影响较小4纤维片材加固法16在结构构件表面粘贴纤维布或者纤维板材通过纤维片材与混凝土结构的共同工作提高构件的承载能力延迟裂缝的开展约束裂缝的发展提高构件的延性和刚度5预应力加固法采用外设预应力拉杆或撑杆17或者采用型钢预起拱18的方式对原结构构件或整体进行加固施加预应力影响并改变原结构的内力分布从而降低结构原有应力水平并提高结构的承载能力此法能较好的消除一般加固方法中普遍存在的应力应变滞后现象的影响使后加结构能与原结构较好的共同工作结构承载能力得到较大提高6改变传力途径法主要有增设支点法19和托梁拔柱法20增设支点加固法是通过增设支承点来减小结构计算跨度改变结构内力分布并提高其承载能力的加固方法该法简单可靠但对于使用空间有一定影响适于梁桁架网架等水平结构的加固托梁拔柱法是在不拆除或少拆除上部结构的情况下拆除更换和接长柱子的加固方法该方法适用于使用功能改变增大空间的改造加固7喷射混凝土方法21借助喷射机械利用压缩空气或其他动力将一定比例47配合的拌合料通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而生成混凝土喷射混凝土具有较高的力学性能和良好的耐久性特别是与混凝土砖石和钢材有很高的粘结强度可以在结合面传递拉应力和剪应力8绕丝加固22根据混凝土三向受压可以提高其单轴抗压强度的原理用高强钢丝在混凝土构件表面横向缠绕从而提高其承载力和延性23在用于提高梁的抗剪承载能力时对于剪跨比在 13 的梁