混凝土加固(FRP)

1、小组成员：李康权秦珂杨正挺夏立鹏+钢筋混凝土是目前使用最为广泛的结构形式。在我国建造的一批钢筋混凝土结构的办公楼、住宅、商场等，由于房屋的设计不当、使用维修不当、建造质量以及地震等自然灾害的原因许多房子存在这样或那样的问题，有些问题还相当严重，危及结构安全，为了使用的要求，就使得对原有结构的加固显得尤为重要。地震中，框架柱的主要震害特征有柱端弯剪破坏、柱身破坏、角柱破坏、短柱破坏、施工缝破坏等。某些梁端出现细小裂缝，填充墙破坏，楼板开裂等较为常见。+钢筋混凝土结构在长期的自然环境和使用环境的共同作用下,加之在设计、施工、监理等过程中存在的不确定因素,使结构功能在使用过程中必然逐渐减弱。一般来说

2、，需要加固改造的建筑结构主要分为三类：+（1）随着时间的推移，大批旧有建筑物的服役年限已接近或超过其设计基准期，虽然从理论上讲应该拆除重建，但通过适当的加固改造仍然可以在未来较长时间内继续使用；+（2）虽然建筑物的服役年限不长，但由于设计或施工不当、材料质量不符要求、使用功能改变，遭受自然灾害及耐久性等原因，需要进行加固改造；+（3）由于旧有建筑物的设计标准偏低，抵抗自然灾害与人为灾害的能力较差，为提高其安全性应考虑必要的加固改造。直接加固：加大截面加固法 加大截面加固法是在钢筋混凝土构件外部外包混凝土(通常是在钢筋混凝土受弯构件受压区增加混凝土现浇层,受拉区增加配筋量),增大构件截面积和配筋

3、量,增加截面有效高度,从而提高构件正截面抗弯、斜截面抗剪能力和截面刚度,起到加固补强的作用。在适筋范围内,由于混凝土受弯构件正截面承载力随着钢筋截面面积和强度的增大而提高。在原构件正截面配筋率不太高的情况下,增大主筋截面积或强度,增加现浇钢筋混凝土围套增大构件截面,通过新加部分和原构件共同工作,可有效地提高原构件正截面抗弯、斜截面抗剪承载力和截面刚度,改善正常使用性能优点: 加大截面加固法施工工艺简单、适应性强,并具有成熟的设计和施工经验;适用于梁、板、柱、墙等构件和一般构造物的钢筋混凝土加固。缺点: 现场施工的湿作业工作量大,养护时间较长,对生产和生活有一定的影响,而且加固后构件的截面增大,

4、对建筑物的净空和外观有不小影响。更为重要的是增加的外包混凝土与原有构件的混凝土材龄相差较大,要解决好新加部分与原有部分混凝土的整体工作共同受力,是一个很复杂的问题,并且受制的因素较多,现阶段只能增加有利的构造措施。置换混凝土加固法 该法是剔除部分陈旧的混凝土,置换成新的混凝土,新混凝土的强度等级应比原结构、构件提高一级,且不得低于C20级。比较适用于钢筋混凝土构件的局部加强处理,有时也用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等钢筋混凝土结构构件的加固。优点: 与加大截面加固法相近,而且构件加固后不影响结构原先的净空,能恢复结构原先的外观。缺点: 同样存在施工的湿作业时间长、养护时间较长的缺

5、点,而且剔除陈旧混凝土的工作量大,容易伤及原构件的钢筋,所以在施工过程中对原构件可能造成的屈服、疲劳、失稳等破坏状态要进行全面严密的评估。粘结外包钢加固法 粘结外包型钢加固法是把型钢(钢板)包在被加固构件的外边,即采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加固钢筋混凝土构件粘结成一整体,使钢材与原构件整体工作共同受力。加固后的构件,由于受拉、受压区钢材截面积增大,从而正截面承载力和截面刚度都有大幅度提高。该方法常用于柱、桁架、梁和一般钢筋混凝土结构物的加固,特别是构件加固后不允许显著增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高构件承载能力的钢筋混凝土构件。优点: 受力可靠,施工简便,现场工作量较小,能显著提

6、高结构、构件的承载能力而且对结构使用空间的影响小,施工简便且湿作业量较少。缺点: 用钢量较大,加固费用较高,对使用环境的温度有限制,不宜在无防护的情况下用于600以上的高温场所绕丝加固法 直接在构件外饶上高强钢丝(钢绞线),该方法的优缺点与加大截面法相近。适用于混凝土结构构件斜截面承载力不足的加固,或需要对受压构件施加横向约束力的场合。在加固防腐要求较高的构件时,利用镀锌钢绞线和防腐砂浆组成的复合材料对混凝土构件进行加固补强,两种材料在加固中起着不同的作用,防腐高强钢丝起到抱箍的作用,防腐砂浆起到锚固钢丝和保护层作用,使其共同工作整体受力,以提高构件的承载力。这种方法实际是一种体外配筋这种方法

7、实际是一种体外配筋, ,通过提通过提高构件的配筋率高构件的配筋率, ,从而相应提高构件的承载能力从而相应提高构件的承载能力, ,所所以被广泛地应用在钢筋混凝土建筑物的加固处理及以被广泛地应用在钢筋混凝土建筑物的加固处理及水中钢筋混凝土结构的防渗漏、防腐蚀加固处理水中钢筋混凝土结构的防渗漏、防腐蚀加固处理。优点: 构件加固后自重增加较少、外形尺寸变化不大、施工简单、施工质量容易保证;换成镀锌钢绞线和防腐砂浆组成的复合材料后,良好的抗裂性及粘结强度、抗碳化及抗渗透能力,并且具有较好的耐火性和耐久性,而且其本身可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重加固修补的目的,可以广泛应用于建(构)筑物的加

8、固和修补。缺点: 对矩形截面混凝土构件承载力提高不显著,限制了其应用范围,防腐砂浆性能和质量的要求较高,容易发生安全质量问题;另外镀锌钢绞线的单价较高;使用前需要做好仔细的技术经济综合评估。间接加固的一般方法间接加固的一般方法+预应力水平拉杆加固法+钢筋混凝土受弯构件,上缘受压,下缘受拉。由于预应力水平拉杆的预应力和新增外部荷载的共同作用,拉杆内产生轴向拉力。该力通过拉杆锚固端偏心地传递到原构件上,在原构件中产生偏心受压作用(此时该作用力在原构件上的基本形态成下缘受压、上缘受拉趋势)。该作用克服了部分外荷载产生的弯矩,减少了外荷载效应,从而提高了构件的抗弯能力。同时,由于拉杆传给构件的压力作用

9、,构件裂缝发展得以缓解、控制、斜截面抗剪承载力也随之提高。值得重视的是由于水平拉杆的作用,原构件的截面应力特征由受弯变成了偏心受压,所以加固后构件的承载力主要取决于原构件在压弯状态下的承载力。主要用于一般梁板结构、框架结构、桁架结构、网架结构及大偏心受压结构。预应力撑杆加固法 钢筋混凝土受弯构件,在相应区域使用撑杆,通过施加预应力强迫撑杆受力,影响并改变原结构内力分布,从而降低结构原有应力水平并提高结构的承载能力。采用预应力加固的特点是通过预应力手段强迫后加部分受力,改变原结构的内力分布,降低原结构的应力水平,使一般加固方法中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除,具有加固、卸载和改变结构内力的

10、三重效果,后加部分和原有结构能够较好地共同工作,结构承载能力能够得到较大的提高。常用于大跨度以及处于高应力、高应变状态下的大型钢筋混凝土构件的加固。优点: 改变了原结构内力分布,降低原构件的应力水平,消除新加杆件与原来构件的应力应变滞后现象,能较大幅度地提高结构整体承载力。缺点: 加固后对原结构外观有一定影响,对环境温度有一定要求,在生产性热源且原结构表面温度经常大于600的环境中使用时,其防护处理较困难,造价较高;另外对于混凝土收缩变形大的结构,造成后加部分的预应力损失较大,故不宜采用。增设支承加固法 增设支承加固法是在需要加固的结构构件中增设支承,减少受弯构件的计算跨度,从而减少作用在被加

11、固构件上的荷载效应,达到提高结构构件承载力水平的目的。常用于对使用条件和外观要求不高的场所。优点:该法简单可靠,受力明确,易拆卸,易恢复原貌。缺点:严重损害原建筑物的原貌和使用空间,所以要用在具体条件许可的钢筋混凝土结构加固。其他加固方法 其他一些常用的加固方法:锚栓锚固法,它适用于混凝土强度等级为C20C60的混凝土承重结构的改造、加固,但不适用于已严重风化的结构及轻质结构;高强钢丝绳网片-复合砂浆外加层加固法,该方法与绕丝加固法相似,只是它采用的是高强钢丝绳网片,对防止砂浆或混凝土的开裂效果较好;辅助结构加固法,该方法是采用另制的辅助构件,如型钢、钢桁架或钢筋混凝土梁,部分或全部分担被加固

12、梁的荷载,从而提高整体承载力。 它是利用环氧树脂类有机胶粘剂将成型的 FRP 片材（包括布和板）粘贴于混凝土表面，使 FRP 材料与钢筋混凝土协同工作，从而达到对结构补强加固及改善受力性能的目的。 与传统的结构加固方法相比，具有明显的高强高效、施工便捷、适用面广、耐腐蚀、自重轻、材质薄等特点，在过去 20 年中已引起世界范围内广泛的关注和研究。纤维增强聚合物（Fiber reinforced polymer，简称FRP）复合材料加固 常用的纤维种类包括：碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维；常用的树脂有：环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。 根据纤维种类的不同可将FRP材料分为：玻璃纤维增强复合材料（Gla

13、ss Fiber Reinforced Polymer简称GFRP）碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）芳纶纤维增强复合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，简称AFRP）与前面传统的加固方法相比， FRP加固混凝土技术主要有以下几方面的特点： （1）FRP 具有极好的抗酸碱腐蚀能力。采用 FRP 加固混凝土构件后，后期维护所需成本很低； （2）低密度（约为钢的 1/4）、高抗拉性能（普通级片材在 10003000MPa 之间）。采用 CFRP 加固桥梁等混凝土构件，几乎不增加结构的重量； （3）刚度

14、较大（普通级的单向碳纤维片材的杨氏弹性模量约为230GPa）； （4）较好的疲劳性能和抗蠕变/松弛性能（碳纤维要大大优于钢材）； （5）虽然 FRP 是一种脆性材料，但具有较高的变形能力（几乎为线弹性直到破坏，碳纤维片材的应变可达到 12%，玻璃纤维和芳纶纤维片材的应变可达到 2.53.5%）。 （6）目前碳纤维的材料成本是钢材的数倍，然而考虑到养护、运输、占用空间和场所、人力等因素，相对使用钢材而言，纤维片材在经济上通常具有优势。 FRP技术自 1997 年引入我国后得到了迅速发展，目前我国每年的混凝土结构加固工程中，FRP 的用量已超过 60 万平方米。国内外学者有关 FRP加固混凝土结构

15、的研究已先后涉及： （1）FRP 与混凝土的界面力学性能； （2）梁的抗弯、抗剪和抗扭加固； （3）板的抗弯加固； （4）柱的轴向承载力加固和抗震加固； （5）节点的抗震加固等方面。 采用FRP加固混凝土结构时，是通过粘结胶将FRP材料粘贴于混凝土的表面，外贴FRP能否有效的提高加固后结构的承载力，取决于 FRP与混凝土之间能否有效地传递应力。在FRP对混凝土结构的抗弯、抗剪加固的动静载试验及工程实践中，增强构件的破坏往往不是由于FRP材料的拉断破坏，而通常是FRP与混凝土界面的剥离破坏或是界面附近混凝土的局部破坏，破坏前构件并没有明显征兆，破坏时FRP的应变还处于较低水平，属于脆性破坏。 F

16、RP-混凝土界面是由FRP材料、粘结剂与混凝土组成的三相介质粘结系统。根据其组成材料力学特性的不同以及受环境因素的影响，FRP-混凝土界面有五种可能的破坏形式： 1) FRP板的分层破坏； 2）FRP与粘结胶层界面的脱胶破坏； 3）粘结胶层自身的剪切破坏； 4）粘结胶层与混凝土的剥离破坏； 5）混凝土层的基体破坏。FRP-混凝土界面可能的破坏形式FRP与混凝土界面粘结强度的实验和理论研究已相当丰富。现有的实验包括以下四种不同的形式：单剪实验、双剪实验、梁式实验和修正梁实验。在大量实验的基础上，已有学者提出了一些粘结强度模型，用于计算界面的粘结强度Pu和界面破坏时的平均粘结剪应力u。这些模型大致

17、可分为三类：1）直接由实验数据回归的经验模型2）基于断裂力学的模型3）采用简化假定的设计公式 有关FRP的粘结性能已经开展了大量的研究, 然而到目前为止,人们对粘结层(界面)的破坏机理还没有较成熟的论述,也还没有得到普遍公认的界面力学分析模型,要对剥离破坏机理进行综合定量分析尚需要进行相关试验研究,根据试验资料建立不同类型剥离形态下的应力计算公式。抗弯加固梁弯曲破坏模式示意图a（a） FRP筋或板条拉断； （b）混凝土压碎抗弯加固梁剪切破坏模式示意图 抗剪加固主要是将碳纤维片材一般采用的是碳纤维布粘贴于构件的剪跨区,起到与箍筋类似的作用,以提高构件的抗剪承载力。加固的原理是利用碳纤维布对混凝土

18、的约束来抑制剪切裂缝的开裂和发展。 抗剪加固主要是将碳纤维片材一般采用的是碳纤维布粘贴于构件的剪跨区,起到与箍筋类似的作用,以提高构件的抗剪承载力。加固的原理是利用碳纤维布对混凝土的约束来抑制剪切裂缝的开裂和发展。试验结果表明,梁的配箍率越低,受剪承载力提高程度就越大。剪跨比较大的加固梁,其加固效果更加明显,破坏形态也从脆性的斜拉破坏转变为变形性能稍好的剪压破坏。 抗剪加固主要是将碳纤维片材一般采用的是碳纤维布粘贴于构件的剪跨区,起到与箍筋类似的作用,以提高构件的抗剪承载力。加固的原理是利用碳纤维布对混凝土的约束来抑制剪切裂缝的开裂和发展。破坏模式加固钢筋混凝土梁受剪破坏模式大致可分为剥离破坏

19、、拉断的剪切破坏和未拉断的剪切破坏种类型。包裹式 现场包裹式是最普遍采用的技术。将单向纤维片材或纺织片材用聚合物树脂浸渍,一层层地包裹在柱的周围,主纤维取向于钢箍方向。包裹方法分为:1)完全包裹2)部分包裹呈连续螺旋型3)部分包裹呈独立环状此外还有缠绕式、预制外套式。包裹式施工简单但劳动强度大且质量难以控制，预制外套式质量容易控制但预制费用较高。平面节点的加固方法主要从两点思路出发:将纤维粘贴在节点核心区域利用利用约约束混凝土原理增加节点抵抗约束机构束混凝土原理增加节点抵抗约束机构的能力;在与节点相连的梁柱端头粘贴纤维,承担部承担部分弯矩分弯矩,减少贯穿节点纵筋的应力减少贯穿节点纵筋的应力,延缓纵筋延缓纵筋滑移滑移,减小桁架机构传入节点的应力。同济大学的陆洲导教授等采用的节点加固方式边节点加固方式带有正交梁的节点加固方式空间节点的抗震加固方法平面框架节点可以直接在节点核心区粘贴纤维布进行加固,而空间节点核心区是无法直接粘贴纤维布的,只能通过加固节点核心