（岩土工程专业论文）聚合物基纤维增强结构构件耐温性试验研究与数值分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 聚合物基纤维增强塑料f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r p l a s t i c s ) 具有重量 轻、强度高、易于施工、耐腐蚀性好等优点，因此在建筑结构加固工程领域中 作为一种新型材料被大力推广与使用。其中常用的是外贴纤维补强技术，它利 用树脂类胶结材料将增强纤维粘贴于结构构件表面，从而达到对原有结构构件 的加固及其受力性能的改善。但是加固后的建筑结构仍然会受到环境温度变化 的作用，其承载力和使用寿命如何是工程技术人员颇为关注的问题。 本文首先讨论了温度变化对结构胶粘结性能的影响，设计制作3 6 个试件进 行粘结抗拉试验，温度在1 8 5 - - 1 2 0 0 c 之间。1 8 个试件进行粘结剪切试验， 温度在2 5 。c - 一6 0o c 之间。研究表明：温度对粘结性能的影响较显著，超常温状 态下结构胶粘结承载力急剧下降，表现在温度升高至6 0 。c 粘结抗拉强度急剧下 降，而温度升高至4 5 c 后粘结抗剪强度与剪切模量急剧下降。接着对纤维复合 物f r p 试件进行温度梯度下的拉伸力学试验，分析了温度效应对f r p 材料力学 性能的影响。 其次设计了f r p 增强混凝土梁的模型，对2 4 根矩形截面无腹筋梁进行了 温度梯度下的三点弯曲试验。分析温度、纤维的粘贴层数、纤维的宽度、端部 有无锚固等因素对加固效果的影响。并且对试验梁不同温度下的承载力、挠度 变化等作了分析。试验结果表明：温度变化影响了纤维布与混凝土之间的粘结 效果，随着温度的升高，结构胶受热软化，粘结强度降低，进而使得试验梁的 极限承载力下降，挠度增加。结合试验情况，按照结构设计原理有关理论，对 试验梁的极限载荷进行了理论推导，并与试验结果相比较，基本吻合。 最后采用a n s y s 有限元软件对纤维增强混凝土简支梁的受力性能进行了 数值分析，并把数值分析的结果同试验结果作比较。 关键词：纤维增强塑料；温度；粘结性能；混凝土梁；三点弯曲；有限元 分析 v 上海大学硕十学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h en e wt y p eo fs t r e n g t h e n i n gm a t e r i a l s ，t h ea d v a n c e dc o m p o s i t e f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r p l a s t i c s ) h a sb e e ng e n e r a l i z e da n da p p l i e dm o r e a n dm o r ew i d e l yi nt h er e i n f o r c e ds t r u c t u r e sa n db u i l d i n g sw i t hi t sg o o d a d v a n t a g e s o fl i g h t w e i g h t ，h i g ht e n s i l es t r e n g t h ，e a s yc o n s t r u c t i o n ，a n d n o n c o r r o s i o n ，e t c b yu s e o fr e s i n ，f i b e r - r e i n f o r c e dp l a s t i cc a nb ea d h e r e dt ot h e s u r f a c eo fs t r u c t u r e st oi m p r o v et h e i rm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s h o w e v e r , t h e s t r e n g t h e n e ds t r u c t u r e sm a ym ee n d u r e dt h ec h a n g e so ft h et e m p e r a t u r e ，w h o s e b e a r i n gc a p a c i t ya n ds e r v i c el i f ea r ep a i dm o r ea t t e n t i o nb ye n g i n e e r s f i r s t l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee f f e c t so fe l e v a t e dt e m p e r a t u r e t ot h e b o n d i n gb e h a v i o ro fs t r u c t u r a la d h e s i v e s 3 6s p e c i m e n sw e r ec o n d u c t e du n d e r t e n s i l et e s ta tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n1 8 5 c - 1 2 0 c i na d i t i o n ，1 8s p e c i m e n s w e r ec o n d u c t e du n d e rs h e a rt e s ta tt h et e m p e r a t u r eb e t w e e n2 5 c 6 0 c i ti s c o n c l u d e di nt h i sp a p e rt h a tt h et e m p e r a t u r ee f f e c to nt h eb o n d i n gb e h a v i o rw a s q u i t eo b v i o u s ，a n da th i g h e rt e m p e r a t u r e t h eb o n d i n gc a r r y i n g c a p a c i t yo f s t r u c t u r a la d h e s i v e sd e c l i n e dr a p i d l y t h eb o n d i n gt e n s i l es t r e n g t hw a sr e d u c e d g r e a t l yw h e nt h et e m p e r a t u r er e a c h e d6 0 。c ，w h i l et h eb o n d i n gs h e a rs t r e n g t h a n ds h e a rm o d u l u sw a sr e d u c e dd r a m a t i c a l l yw h e nt h et e m p e r a t u r er e a c h e d 4 5 * c a l s o18s p e c i m e n so ff r pw e r ed e s i g n e da n dt e s t e du n d e rt e n s i l es t r e n g t h a t6d i f f e r e n te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s s e c o n d l y , t h em o d e lo fc o n c r e t eb e a ms t r e n g t h e n e db yf r p w a sd e s i g n e d b a s e do nt h ef l e x u r a lb e h a v i o ro f 2 4b e a m sw i t h o u tw e br e i n f o r c e m e n tu n d e r t h e t h r e e p o i n tb e n d i n g t e s ta te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，t h ei n f l u e n c eo n s t r e n g t h e n i n gf u n c t i o ni sa n a l y z e dw i t ht h ep a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e f r p l a y e r s ，f r pw i d t h ，e n da n c h o r a g e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb o n d i n g b e h a v i o r b e t w e e nf r pa n dc o n c r e t ew a sa f f e c t e db yt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r e w i t h 一卜海人学硕上学位论文 t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，s t r u c t u r a la d h e s i v e ss o f t e n e d ，i t sb o n d i n gs t r e n g t h d e c l i n e d ，w h i c hl e a d st ot h er e d u c t i o no ft h eu l t i m a t ef l e x u r a ll o a d c a r r y i n g c a p a c i t yo fb e a m sa n d t h ei n c r e a s i n go ft h ed e f l e c t i o n a c c o r d i n gt ot h er u l e so f s t r u c t u r ed e s i g n ，a n dc o m b i n e dw i t ht h et e s t i n g ，t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l af o rt h e u l t i m a t ef l e x u r a ll o a d - c a r r y i n gc a p a c i t yo fb e a m ss t r e n g l h e n e dw i t he x t e r n a l l y b o n d e df r ps h e e t sh a sb e e nd e v e l o p e da n dc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t so ft h e t e s t a n dt h et h e o r yi si na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i n a l l y , t h ef l e x u r a lb e h a v i o ro fc o n c r e t eb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hf r pi s a n a l y z e db yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mn a m e da n s y s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa lew e l li nc o n c o r d a n c ew i t ht h et e s to n e s k e y w o r d s ：f r p ；t e m p e r a t u r e ；b o n d i n gb e h a v i o r ；c o n c r e t eb e a m ； t h r e e p o i n tb e n d i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s v i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：_ 刘缈导师签名： 翠吼蟛 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 引言 聚合物基复合材料是把高性能的纤维织物放置在有机聚合物等基材上，经胶 合凝固后形成的一种复合材料，简称为f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 。其中有机 聚合物( 如聚酷基、乙烯基或环氧基树脂) 称为基体，纤维为增强材料。典型的 f r p 大约有6 0 6 5 的纤维，其余是基体。纤维是用单丝织成不同的几何形状， 可以是单一方向的，也可以是不同方向的，它决定复合材料的结构特性。树脂则 是作为粘结介质，传递分布纤维问的应力，保证其形成整体均匀性受力。 聚合物复合材料发展阶段，以1 9 4 2 年玻璃钢出现为标志，1 9 4 6 年出现玻璃纤 维增强尼龙。1 9 6 5 年碳纤维在美国诞生，1 9 7 2 年美国杜邦公司研制出高强度、高 模量的有机纤维聚芳酰胺纤维( 商品名为“k e v l a r ) 。 聚合物基复合材料具有如下特点：( 1 ) 比强度高，比模量大；( 2 ) 材料性能具 有可设计性；( 3 ) 抗腐蚀性和耐久性能好；( 4 ) 热膨胀系数与混凝土相近。这些 特点使得聚合物基复合材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及 在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求， 因此被越来越广泛的应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水利以及地下结 构等领域中。， 聚合物基纤维复合材料从材料构成上主要有碳纤维( c f r p ) 、玻璃纤维( g f r p ) ， 芳纶纤维( a f r p ) ，各种纤维的主要特性如表1 1 所示【卜3 1 。按形式分为片材( 包括 板材和纤维布) 、棒材、型材、短纤维。 表1 1f r p 的主要特性 性能指标 玻璃纤维( g f r p )碳纤维( c f r p )芳纶纤维( a f r p ) 密度( g 硎3 ) 1 6 2 o1 6 1 91 2 1 5 强度( g p a ) 1 5 4 62 1 5 63 5 4 1 模量( g p a ) 7 0 - - - 9 02 3 0 5 7 06 0 - - - 1 3 0 伸长率( ) 2 7 - - - 2 9 0 2 1 7 1 5 1 8 上海大学硕十学位论文 与传统的加固补强方法及粘钢板、喷射混凝土等加固技术相比，粘贴纤维复 合材料加固修补混凝土结构具有明显的技术优势，主要表现在【t 刀： ( 1 ) 高强高效。由于f r p 优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可 以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延 性，改善其受力性能，达到高强高效的目的。 ( 2 ) 施工便捷，工效高，没有湿作业，不需要大型施工机具，施工占用场地 少。成品的f r p 加固材料是一种织物，其幅宽可以为2 0 c m ，3 0 c m ，5 0 c m ，甚至 于1 0 0 c m 不等，长度为5 0 1 0 0 c m 。现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片将其任 意剪裁。根据有关统计资料，同为粘贴加固法，粘贴f r p 是粘贴钢板施工工效的 4 - - 8 倍。 ( 3 ) 适用面广。粘贴f r p 加固修补混凝土结构可以广泛应用于各种结构类型 ( 如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱等) 、各种结构形状( 如矩形、圆 形、曲面结构等) 、各种结构部位( 如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等) 的加固 修补，而且不改变结构形状及不影响结构的外观，这是目前任何一种结构加固方 法所不可比拟的。尤其对一些大型土木工程等，采用旧有的加固手段几乎无法实 施，而采用该项目加固技术都能很好顺利地解决。 ( 4 ) 具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。试验表明，粘贴f r p 力r l 固修补混凝土 结构有良好的耐腐蚀及耐久性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结 ”构的腐蚀。 ( 5 ) 耐疲劳性能好。桥梁结构经常承受往复荷载、移动荷载的作用，对这类 结构加固后要考虑结构的抗疲劳性能。试验研究表明，f r p j j h 固混凝土经过一 定次数的疲劳循环荷载，其强度及延性指标并没有显示出有所降低，而普通混凝 土试件经过同样的疲劳循环荷载后，其强度和延性指标都会有不同程度的降低。 当然，f r p 复合材料也有一些缺点： ( 1 ) f i 冲是一种线弹性脆性材料，没有相似于钢筋一样的屈服点，在其达到极 限抗拉强度之前基本上是弹性状态。这种脆性特征在许多情况下会导致结构的脆 性破坏，因此现有设计理论中基于延性材料的设计方法不太适用。 ( 2 ) f r p 耐高温性能较差：在高温作用下其力学性能会迅速退化，加固后的结 2 上海大学硕十学位论文 构很难达到防火的要求，在建筑工程中需进行防火设计。 ( 3 ) f i 冲属于科技含量高的材料，其价格比较昂贵，尤其是c f r p 的高价格制 约了其应用，但随着f r p 材料的进一步应用与开发研究，以及其在施土中的高效 性，可以预见，其价格将不断的下降，经济性也将得到不断的提高。 。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 纤维材料加固混凝土结构构件的研究 纤维增强复合材料开始应用于土木建筑行业是在二次世界大战后，在2 0 世 纪6 0 年代，为解决近海及气候寒冷地区钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题， 美国m a r s h a l l v e g a 公司生产一种玻璃纤维增强复合材料( g f r p ) 加强筋用于 混凝土结构。1 9 8 2 年瑞士人m e i e r 首先开始了粘贴纤维增强聚合物( f r p ) 对桥 梁结构进行加固的研究，此后日本、美国以及欧洲的发达国家相继开展了纤维 增强复合材料应用于加固建筑结构的研究。但在这期间，纤维增强复合材料应 用于土木工程中的研究工作只是试探性的，发展较缓慢。直到2 0 世纪9 0 年代， 特别是1 9 9 4 年美国的n o r t h b f i d g e 地震和1 9 9 5 年的日本阪神大地震后，纤维增 强复合材料加固结构技术得到迅猛发展。我国于1 9 9 7 年开展纤维布补强加固钢 筋混凝土构件的研究工作，应用起步较晚，1 9 9 8 年开始完成第一项加固工程。 此后，这一技术得到推广，相应的研究也逐步开展。 在此研究基础上，美国【8 】、加拿大 9 1 、日本及欧盟【l l 】等国家和地区先后 发行了纤维复合材料加固钢筋混凝土结构的设计手册或规程。我国在2 0 0 3 年颁 布了碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程，并于2 0 0 6 年正式出版了混 凝土加固设计规范 1 2 】，此技术规范涵盖了在混凝土加固领域中的一些常用的 方法，对f r p 加固混凝土结构进行了全面的修订，提出了更加合理的设计方法 和计算公式，为规范f r p 加固混凝土结构的应用起到了积极的作用。 近些年来，各国研究人员认识到碳纤维复合材料在土木工程领域的广泛应 用前景，相关的研究工作日益活跃，从已发表的研究成果来看，研究工作主要 集中在以下几个方面： 3 i ：海人学硕上学位论文 ( 1 ) 纤维材料加固混凝土柱的研究 国外方面a m i r m i r a n 等【1 3 1 研究了2 4 个轴压g f r p 约束混凝土试件，并与 4 个素混凝土试件的试验进行了比较，表明了g f r p 对核心混凝土约束的有效 性。 a n a n n i 等【1 4 】研究了a f r p 约束混凝土的轴压性能，并讨论了预制芳纶管 和先浇注混凝土后缠绕芳纶材料的不同。试验表明缠绕芳纶纤维的方法受力性 能优于预制芳纶纤维管，圆截面的受力性能优于方形截面。 a z a d e hp a r v i n 和w dw a n g 等【1 5 】进行了单向碳纤维布加固钢筋混凝土偏压 柱的特性研究。考虑了粘贴碳纤维布的层数，偏心距的大小等影响因素。试验 结果表明c f r p 套箍能显著提高偏压柱的强度和延性。 j l i 和m n s h a d i t l 6 】研究了外包复合材料加固高强混凝土偏压柱的受力 性能，并且评估两种约束材料( 碳纤维和e 玻璃纤维) 的有效性。试验结果表明： 外包碳纤维布某种程度上能够增强偏压柱的结构性能。 国内方面贾明英等1 7 1 对1 5 根g f r p ，c f r p 和a f r p 约束混凝土圆柱轴心 受压构件进行了试验研究，结果表明在这三种f r p 约束混凝土中a f r p 的约 束效果最明显，c f r p 次之，g f r p 最差。 肖岩等 1 8 1 对碳纤维布包裹混凝土圆柱进行过系列试验，试验结果表明，碳 纤维布包裹的圆柱破坏承载力比未加固的混凝土柱的承载力大6 0 ，发现环向 缠绕最有效的发挥效率。 冼巧玲等 1 9 】分析了在单调荷载作用下粘贴碳纤维布的偏压柱及其对比柱加 固前后的承载力、延性及破坏形态。试验结果表明：粘贴c f r p 使柱的承载力 有不同程度的提高，c f r p 对于低配筋率的偏压柱的加固效果要好于高配筋率 偏压柱的加固。 刘涛2 0 1 对1 8 个c f r p 布约束混凝土矩形柱进行了轴压实验( 截面形状从完全 矩形截面逐步变化至圆形截面) ，研究了混凝土截面形状及c f r p 布层数变化对加 固混凝土矩形柱应力应变关系的影响，以及加固试验中c f r p 布的有效应变问题。 李玉鹏【2 u 则对c f r p 布约束混凝土矩形柱在轴压和偏压作用下进行试验研 究，探讨了加固柱受压作用机理及c f r p 的约束效应。 4 上海人学硕上学位论文 ( 2 ) 纤维材料加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力的研究 对于碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力的研究开始较早，各国学者先 后完成了大量的试验，研究的成果有： 国外方面u m e i e r 等2 2 根据试验结果指出：粘贴了c f r p 的混凝土梁，平 截面假定仍然是有效的，并提出了一个与其试验结果吻合较好的分析模型。 r i t c h i e 等幽对g f r p ，c f r p ，a f r p 等复合材料加固后的混凝土梁进行了 试验，并在平截面假定基础上提出了分析模型，对加固梁的强度和刚度进行了 预测。 a n a n n i 等【2 4 】对外贴f r p 加固混凝土梁的抗弯性能进行了研究，并对外 贴f r p 板加固混凝土梁进行了参数研究，其影响参数包括：粘贴胶、f r p 类型、 f r p 厚度、f r p 锚固长度等。 h a m i d r a h i m i 等用c f r p ，g f r p 对钢筋混凝土梁做了加固试验，试验 表明：与未加固梁相比较，钢筋混凝土梁用上述材料进行加固后，强度和刚度 都有不同程度的提高。还有其他一些学者【2 7 之9 】对外贴f i 心加固后梁的破坏特征 和承载力计算进行了研究。 国内方面，赵彤等 3 0 】采用9 根钢筋混凝土简支梁，对碳纤维织物加固钢筋 混凝土梁的受弯性能进行研究，并提出了加固梁受弯承载力计算公式，供工程 应用参考。 邓宗才3 1 1 通过试验证明：碳纤维布对于提高梁的抗弯承载力效果十分显著， 同时它对于增强梁的抗弯刚度也有良好的作用。 岳清瑞等3 2 1 考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面抗弯性能，提 出了二次受力时碳纤维抗弯加固承载力的计算方法；同时根据不同受力状态下 碳纤维布与混凝土间粘结性能的试验，统计分析了碳纤维与混凝土之间粘结性 能的变化规律。 吴继峰进行了8 根钢筋混凝土梁的抗弯试验研究，考虑了不同加载水平 对加固梁承载力的影响，以及c f r p 、g f r p 与c f r p g f r p 三种不同加固材料 的比较，推导了加固梁二次受力状态下承载力计算公式。 ( 3 ) 纤维材料加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力的研究 5 上海人学硕上学位论文 国外方面，t o mn o m s 【3 4 1 ，g h a z ij a i s u l a i m a n i 等 3 5 1 对受剪加固梁的性能 进行了试验研究，试验结果表明：当碳纤维方向垂直于裂缝时，可以大幅提高 受剪承载力及刚度；纤维方向与裂缝有一定角度时，可以较小提高受剪承载力 和刚度：不同的粘贴方法产生不同的破坏形态，碳纤维环包粘贴时，加固梁的 破坏状态为碳纤维断裂，侧面及u 形粘贴时，加固梁容易发生碳纤维剥离破坏： f r p 对受剪承载力的贡献与其破坏时最大应力有关，不同的粘贴方式其最大应 力不同，且加固梁破坏时碳纤维的最大应力远小于其极限应力。 a m i rm m a l e 等 3 6 1 3 7 1 对受剪加固梁中f r p 承担的剪力的计算进行了理论分 析，讨论了各种参数对受剪承载力的影1 1 1 f i j ( f r p 的厚度，粘贴方向，箍筋间距等) 。 在国内方面，吴刚等【3 8 】通过对碳纤维增强塑料加固混凝土抗剪梁的试验， 得出影响加固效果的参数有：碳纤维的用量、粘贴方式、剪跨比、加固前梁本 身受荷情况、锚固方式等，同时提出了加固梁受剪承载力的计算公式。 欧阳煜等【3 9 】在弹性理论的基础上分析了线性荷载作用下粘贴片材加固的钢 筋混凝土梁端粘结剪应力和最大粘结剪应力，提出了对最大粘结剪应力的影响 因素及在均布荷载和集中荷载作用下的剪应力计算方法。 冯雪松【删通过2 1 根外包c f r p 加固混凝土梁抗剪试验研究，分析了加固梁 的极限承载力、荷载一挠度关系、破坏形态以及影响抗剪效果的因素；在试验 基础上提出了加固梁的抗剪承载力计算公式。 ( 4 ) 纤维材料加固钢筋混凝土板的研究 碳纤维加固钢筋混凝土单向板的受力机理与加固钢筋混凝土梁相似，因此 可以借用梁的设计计算进行。但是对于双向板，其受力机理较为复杂，国外学 者o u a l i d 掣4 l 】对其进行了一定的研究。 而在国内对上述方法加固板的研究较少，其中有代表性的包括胡孔国等【4 2 】、 赵彤等【4 3 】对碳纤维布加固混凝土桥面板的受弯性能进行了一些试验研究，试验表 明粘贴碳纤维布后，试验板的受弯承载力明显提高。 ( 5 ) 纤维材料加固钢筋混凝土柱和框架抗震性能的研究 纤维加固钢筋混凝土结构抗震方面的研究主要集中于对钢筋混凝土柱加固 后抗震性能的研究。国内外学者s e i b l e 卅、s a a d a n t l a n e s h 4 5 1 、b a l s 锄oa 【4 6 1 、卢亦 6 上海大学顾十学位论文 焱【4 7 1 、周长东【4 8 1 、陈忠范【4 9 】等进行了大量的试验，对采用纤维加固后的框架柱 从破坏形态、延性及承载能力等多方面开展了研究。 1 2 2 纤维材料加固混凝土结构耐久性研究 往往建筑物从施工开始便经受到各种环境因素的作用，而在建筑的某些部位 经过加固改造后仍然会受到环境因素的影响。由于建筑物的固定性，用纤维材料 加固后的混凝土结构，不可避免地还要受到各种环境，譬如酸、碱、水、盐和碳 化等环境的作用以及冻融循环、干湿循环作用，加固后的混凝土结构能否经受住 环境作用的检验、其寿命延续情况如何，成了研究人员亟待探讨的问题。 对于纤维加固混凝土结构而言，它是由混凝土、树脂和纤维三者构成的整体， 研究其耐久性不仅要考虑三种材料各自的耐久性能，更重要的是加固后结构的整 体耐久性能。目前，国外己有一些专家学者做过关于f r p 耐久性的研究，但国内 只有少数科研院校在开展部分相关的研究工作。f r p 耐久性研究的劣化环境主要 包括：干湿循环、冻融循环、酸腐蚀、碱腐蚀、氯离子渗透等，研究的成果主要 有： c h a j e smj 掣5 0 1 研究了芳纶纤维、e 玻璃纤维、碳纤维外贴加固钢筋混凝土 梁在氯化钙溶液历经冻融、干湿循环的耐久性问题。研究结果表明，外贴芳纶、 e 玻璃纤维、碳纤维的试验梁在侵蚀性环境下承载力有不同程度的减弱。 h o u s s a m 并h w i l l i a m e 5 1 1 在干湿循环条件下对5 6 根用f r p 力i 固的混凝土梁进行 了耐久性试验。试验持续7 5 d ，经过了3 0 0 次干湿循环后，对梁进行抗弯试验。试 验表明，干湿循环使f i 冲加固梁相对没有经过劣化的加固梁其抗弯强度有所降 低。这可能是干湿循环使树脂强度退化，从而降低了f r p 布与混凝土之间的粘结 强度。 n a b i l f g r a c c 署h s b s i n g h t 5 2 1 进行了钢筋混凝土梁外贴( c f r p ) 片材和( c f r p ) 布在相对湿度、海水环境、碱环境、冻融循环、热膨胀、干热及重复荷载下的挠 度、应力、破坏荷载及破坏模式的试验研究。根据试验结果提出了强度折减因素， 认为采用纤维材料加固的的混凝土梁，长期的湿度暴露对纤维材料的粘结强度破 坏严重。 7 卜海大学硕士学位论文 k a d e rl a o u b i 等5 3 1 对2 1 根用g f r p 筋增强的混凝土梁在不同冻融循环次数下 的弯曲性能作了试验研究，结果表明单一或者有联系的冻融次数与持续不变的弯 曲应力对于试验梁受长期作用下的裂缝、应变以及最终承载力的性能所起的影响 不明显。 肖建庄和于海生【5 4 1 研究了酸碱环境下纤维布与混凝土之间的剪切和正拉粘 结强度随时间变化的规律。研究表明，酸性介质对粘结强度的影响较明显一些； 相对于正拉粘结强度，腐蚀介质对剪切粘结强度的影响较为显著。 任慧韬、胡安妮、赵国藩【5 5 1 对纤维增强复合材料与混凝土粘结的抗冻融性能 进行了研究，认为采用f r p j n 固受到冻融损伤的混凝土结构时，f r p 与混凝土的 粘结强度会有所下降；f r p 力h 固混凝土结构在受到冻融循环影响时，f r p 与混凝 土之间的粘结强度也会降低，同时还提出了冻融循环对f r p 加固混凝土结构的效 果会产生不利的影响。 任慧韬、姚谦峰、胡安妮【5 6 1 通过快速冻融试验、耐碱性试验、浸水试验、湿 热暴露试验、人工加速老化试验，研究了腐蚀环境对纤维增强复合材料的复合体 及粘结剂力学性能的影响，认为碳纤维复合材料的耐久性较好，而玻璃纤维增强 复合材料的耐久性略差：水环境、碱环境、湿热环境以及冻融循环对其均产生了 较大影响，粘结剂试件在人工加速老化后、湿热暴露试验后，其力学性能发生了 一定变化。 1 2 3 纤维材料加固混凝土结构耐火性能的研究 火灾是当今世界上发生频率最高、造成人员伤害、经济损失最严重的灾害之 一，给人们的日常生活和生产活动带来巨大威胁。而其中大部分是城市的建筑物 发生的火灾，尽管混凝土材料本身不会燃烧，但是受火灾高温产生的热量的作用， 结构内部温度场不均匀而产生很大内力，导致构件开裂、变形乃至失效，需要进 行加固修复。对于采用f r p ! j i 固修复后的结构再次经历火灾作用时，其性能怎样 变化同样受到越来越多专家学者的关注。 国外专家学者在f r p 材料加固混凝土结构耐火方面进行了一些试验研究，而 在国内这方面的报道还不多见。所取得的主要研究成果如下： 上海大学硕上学位论文 m o h a m e ds a a f i 5 7 1 作了f r p 加固混凝土梁受火条件下的试验研究。随着受火时 间的增加，f r p 筋的强度迅速退化，加固梁的抗剪、抗弯强度下降明显。并且提 出了保护层的最小厚度。 m o u r i t z 等 5 8 】【5 叨对各类纤维( 玻璃纤维、碳纤维和k e v l a r 纤维) 和粘结材料所组 成的f r p 片材在受火条件下的拉、压、弯曲性能进行了研究。提出随着受火时间 的增加或温度提高，主要由于粘结材料的燃烧和力学性能受热退化造成f r p 板材 受力性能降低。 b i s b y 矛i k o d u r 等删进行了f r p 环包混凝土圆柱火灾后的承载能力试验研究， 以及采取隔热措施的效果。试验表明，环包f r p 布的柱对高温非常敏感，但是如 果有足够的防火涂层，仍能使耐火时间达到5 小时以上，但是保持f r p 箍约束效 应需要的隔热层厚度实际上很难做到。 一 w i l l i a m s 和k o d u r 【6 u 研究t f r p 筋增强的混凝土板的火灾性能，试验结果表 明，f r p 板的耐火性能较差，混凝土保护层厚度对f r p 板的火灾性能影响很大， f r p 板的防火设计不能仅根据纤维强度确定耐火极限，而应考虑粘结胶高温软化 造成的粘结失效。 e r s h a du c h o w d h u r y 6 2 1 等也做了关于f r p 环包混凝土圆柱的受火承载力的试 验，得出有隔热层的f r p 加固柱耐火时间比没有隔热层的加固柱要长至少9 0 m i n ， 通过研究表明有隔热层的保护是可以改善加固柱的耐火承载力的。 徐志胜【6 3 1 等分析了火灾试验后6 根用c f r p 布增强的混凝土梁加固前后的极 限荷载、变形、裂缝以及延性等指标。研究表明：混凝土梁遭受火灾作用后，由 于材料性能的衰退而使梁的承载力下降，并且推导了火灾后加固混凝土结构的计 算公式。 陆洲掣删等对碳纤维加固火灾后预应力框架进行了试验研究。试验表明采用 碳纤维和预应力加固火灾后的框架，承载力有所提高，延性得到改善。 1 3 问题的提出 目前，在国外采用f r p 复合材料来加固混凝土结构以改善原有结构的性能已 逐步得到广泛应用，近年来国内也进行了相关的试验研究和工程应用，取得了一 9 一卜海大学硕上学位论文 批实用成果。 通过这些工程实践和试验研究发现，f r p 加固混凝土结构成功与否关键在于 f r p 与混凝土之间粘结性能的优劣。在粘结质量确有保证的前提下，f r p 的优良 物理力学性能可以得到充分发挥，加固的可靠性就高。反之，当粘结性能较差时， 可能会导致在f r p 性能没有充分发挥之前界面已发生粘结剥离破坏，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f r p 力n 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。 而温度效应的影响，作为可能引起纤维材料与加固混凝土材料问粘结性能的 因素之一也开始受到国内外学者的重视。 在f r p 增强混凝土高温性能方面，对f r p 筋的研究较多，k a t z 6 5 1 等研究了螺 纹f r p 筋在2 0 - - 一2 5 0 。c 范围内的高温性能，发现粘结强度下降了8 0 - 9 0 ，而 在此温度范围内螺纹钢筋的粘结强度仅下降3 8 ，相对而言f r p 筋对温度更为敏 感。 m a m d o u he l b a d r y s 阳o m e re l z a r o u g 6 6 1 研究了用c f r p 螺纹筋增强的混凝土 梁受温度梯度影响，其弯距和裂缝发展的情况。证明了用c f r p 增强的混凝土梁 比普通钢筋混凝土梁承载力更高，提出了为控制裂缝所需的c f r p 的用量的分析 模型。 y c w a n g 等【6 7 】通过两种f r p 增强筋在高温环境- f ：0 学性质的试验研究，发 现f r p 筋的应力一应变曲线在温度升高时仍然保持线弹性直到破坏；弹性模量在 温度到了3 0 0 一，4 0 0 时几乎没变化，而过了4 0 0 急剧下降。 l l 彩 b e l k h m e r 禾1 d a h o r d i j k 6 8 】通过双剪试验研究了不同温度对c f r p 与混 凝土之间粘结性能的影响。研究表明，随着温度的增加，f r p 与混凝土之间的粘 结强度明显的降低。而且，温度变化使粘结破坏的形式和发生破坏的位置也不相 同。 熊杰【6 9 】等研究了温度对c f r p 粘贴水泥砂浆试件抗弯性能的影响，当温度低 于环氧树脂的玻璃态温度时，环氧树脂基体通常能保持其原有的力学性能，超过 时，c f r p 片材与混凝土间的粘结强度很快降低。 l o 上海大学硕十学位论文 1 4 论文的主要研究内容 从所查阅的国内外文献资料来看，国外有些学者对温度变化情况下碳纤维加 固结构开展了一些研究，而国内在温度方面对纤维加固结构的研究还很少，对于 超常温条件下碳纤维加固混凝土梁所开展研究的更少。因此超常温条件下碳纤维 加固混凝土结构的力学性能与变形性能尚待研究。正基于此，本文对超常温下碳 纤维布加固混凝土梁的极限承载能力、变形等性能进行了试验研究，并在试验研 究的基础上进行了理论分析和数值计算。 第一章介绍了聚合物基纤维材料的优缺点。概括总结了纤维复合材料发展 的历史和国内外研究现状，阐述了纤维材料用于加固结构方面的有效性，并且 提出了本文的主要研究内容； 第二章首先对加固工程中常用的结构胶粘结材料，进行超常温条件下粘结 性能的试验研究，比较不同温度下粘结强度的衰减情况，以及不同类型粘结材 料的区别；接着进行了纤维复合材料温度梯度下拉伸性能的试验研究，探讨温 度对其力学性能的影响； 第三章在第二章的基础上，采用三点弯曲试验来研究粘贴碳纤维的试验梁 在温度变化下的承载力以及变形性能；分析温度效应、纤维的粘贴层数、纤维 宽度、端部有无锚固等因素对加固效果的影响； 第四章根据结构设计原理，结合本次试验，推导试验梁常温条件下的承载 力的计算公式，并对温度不超过9 0 。c 时试验梁的承载力进行探讨，与试验结果 相比较； 第五章利用有限元分析软件a n s y s ，对试验梁进行数值分析，并与试验结 果相比较； 一 第六章总结全文，得出相关结论，提出展望。 卜海大学硕十学位论文 第二章温度梯度下结构胶粘结性能及纤维拉伸性能试验 研究 2 1 引言 建筑物结构的修复和加固己成为国内外土木工程界的一个新热点问题，其中 常用的加固方法包括有：粘钢加固，粘纤维加固以及化学植筋加固等。而在上述 三种常用的加固方法中，结构胶的粘结性能和耐久性对加固工程起着关键性的 作用。 虽然国内外相关学者用加速试验方法对纤维复合材料加固混凝土结构的耐 久性和耐候性作了一些试验研究 5 2 5 6 , 7 1 】，然而对于在环境温度状态改变情况下， 结构胶力学性能的研究还不太深入，许多设计人员和使用者没有重视或未能注意 到高温对结构胶粘结力学性能的影响。 按国家规范【1 2 1 要求加固工作环境温度不超过6 0 c 。那么，加固修复后的结构 构件，受到自然或者人为因素的影响，导致其所处的环境温度升高，此时结构胶 粘接承载力是否还能满足要求，纤维材料同混凝土界面粘结效果会发生何种变 化，以及纤维复合材料受温度影响的性能改变等都值得探讨。 2 2 试验设备材料 2 1 1 试验仪器 本次温度试验采用德国z w i c k r o e l lz 0 2 0 型高低温力能材料试验机，如图 2 1 所示。z w i c k r o e l lz 0 2 0 型高低温万能材料试验机的测量系统由信号转换、 信号放大和自动记录三部分组成。信号转换部分：试样的力和变形分别由载荷 传感器和变形传感器感受来测量。并转换成相应的电压信号，供下级仪器测量。 该试验机的温度变化范围一8 0 。c + 2 5 0 。c ，最大荷载力2 0 k n ，机器具有等速 率荷载，等速率行程，等速率应变等多种控制模式，可根据实验要求实现控制 1 2 l ：海大学颈 学位论文 鸯孵；r 1 4 1 箩 温度控篁i ：；主k ： 一匹 _ i 嘲r 图2 - lz w i c k r o e l l0 2 0 型高低温万能材科试验机 e l i 2 1 2 试验材料 z t 0 咖 h 1 n 5o 。- 。- l 圈2 - 2 数据采集系统 本次试验所用为国内市场常用的结构胶，包括粘碳纤维结构胶a 和粘铜结 构胶b ，胶体自身材料性能指标见于表2 - 1 。 表2 一l 材料基本性能指标 材料种类粘碳纤维结构胶a粘钢结构胶b 弹性模量 z p 口( 6 ) 1 旷 ( 1 2 ) x 1 0 5 压缩刚f m p a6 0 埔o 5 0 - - 7 0 拉伸强度， 棚 2 0 , 4 02 0 q 0 剪切强度z 砌 2 42 0 贬 上海大学硕二l ：学位论文 2 3 结构胶粘结正拉强度 2 3 1 试验方案 本节试验主要是为了研究温度改变对结构胶粘结抗拉强度的影响。图2 3 为 粘结抗拉强度试件示意图。两块截面尺寸为4 0 m m x 4 0 m m 、厚度为4 m m 的钢板用 结构胶粘结，结构胶厚度控制在0 5 m m - 2 m m 。钢板采用q 2 3 5 钢， e p = 2 0 8 x1 0 5m p a ，f 咿= 2 3 5 m p ao 4 n m 竹 1 7 钢皈 l g g o 一 2 3 2 试验过程与数据 图2 - 3 为粘结抗拉强度试件 对常用的两种类型结构胶进行了粘结抗拉强度的温度试验，试件一共3 6 个， 分为6 组，每种结构胶试件分别在1 8 5 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 不 同温度下保持2h 后，在试验机上采取连续加载方式进行正拉试验，加载速度为 1 0 n m i n ，最终试验结果汇总见于表