第七讲-纤维复合材(FRP)加固法

FRP（fibrereinforcedpolymer）玻璃纤维复合材GFRP（glassfibrereinforcedpolymer）玄武岩纤维复合材BFRP（basaltfibrereinforcedpolymer）芳纶纤维复合材AFRP（aramidfibrereinforcedpolymer）碳纤维复合材CFRP（carbonfibrereinforcedpolymer）纤维复合材分类玻璃纤维布芳纶纤维布玄武岩纤维布碳纤维布玻璃纤维（BFRP）（0.7~1.0）X105MPa芳纶纤维（AFRP）1.2X105MPa玄武岩纤维（BFRP）（0.9~1.1）X105MPa碳纤维（CFRP）（2.4~4.5）X105MPa各类纤维弹性模量（参考）

在各种纤维复合材中，碳纤维复合材（CFRP）以其高模量、高强度、良好的耐环境性能在结构工程加固领域获得广泛的用途基层处理（打磨、修补）↓刷底胶（符合条件时免底涂胶）↓涂浸渍胶↓粘碳纤维↓面层处理（抛砂，为抹灰作准备）↓表层防护处理（防撞，防火）碳纤维片材加固的基本操作程序碳纤维复合材的主要安全性指标项目单向织物条形板高强度I级高强度II级高强度I级高强度II级抗拉强度标准值（MPa）>3400>3000>2400>2000受拉弹性模量（MPa）>2.4×105>2.1×105>1.6×105>1.4×105伸长率（%）>1.7>1.5>1.7>1.5层间剪切强度（MPa）>45>35>50>40纤维体积含量（%）-->65>55单位面积质量g/m2<300<300--底胶的安全性指标钢-钢拉伸抗剪强度标准值（MPa）当与A级胶匹配>14当与A级胶匹配>10GB/T7124与混凝土的正拉粘接强度（MPa）>2.5，且为混凝土内聚破坏规范附录不挥发物含量（固体含量）（%）>99GB/T2793修补胶的安全性能指标胶体抗拉强度（MPa）>30GB/T2568胶体抗弯强度（MPa）>40，且不得呈脆性（碎裂状）破坏GB/T2570与混凝土的正拉粘接强度（MPa）>2.5，且为混凝土内聚破坏规范附录碳纤维复合材浸渍胶/粘结用胶安全性能指标性能指标A级胶B级胶标准抗拉强度（MPa）>40>30GB/T2568受拉弹性模量（MPa）>2500>1500伸长率（%）>1.5抗弯强度（MPa）>50>40GB/T2570且不得呈脆性（碎裂状）破坏抗压强度（MPa）>70GB/T2569钢-钢拉伸抗剪强度标准值（MPa）>14>10GB/T7124钢-钢不均匀扯离强度（MPa）>20>15GJB94与混凝土的张拉粘接强度（MPa）>2.5，且为混凝土内聚破坏规范附录碳纤维加固应用的几种典型方式（梁抗弯）碳纤维加固应用的几种典型方式（板抗弯）碳纤维加固应用的几种典型方式（梁抗弯）碳纤维加固应用的几种典型方式（梁抗剪）碳纤维加固应用的几种典型方式（柱子抗剪加固、延性增强）碳纤维加固应用的几种典型方式（柱子抗弯）碳纤维复合材的应力应变关系碳纤维复合材设计计算指标性能项目单向织物（布）条形板高强度I级高强度II级高强度I级高强度II级抗拉强度设计值ft（MPa）重要构件1600140011501000一般构件2300200016001400弹性模量设计值Ef（MPa）重要构件2.3×1052.0×1051.6×1051.4×105一般构件拉应变设计值重要构件0.0070.0070.0070.007一般构件0.010.010.010.01

•被加固的混凝土结构构件，其现场实测混凝土强度等级不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘接强度不得低于1.5MPa。

•外贴纤维复合材加固钢筋混凝土结构构件时，应将纤维受力方式设计成仅承受拉应力作用。

•粘贴在混凝土表面上的纤维复合材，不得直接暴露在阳光或有害介质中，其表面应进行防护处理。

•采用碳纤维复合材加固的构件，其长期使用的环境温度不应高于60ºC；处于特殊环境（高温、高湿、介质腐蚀等）的混凝土结构除应按国家现行相关标准的规定采取防护措施外，尚应采用耐环境作用胶粘剂，并按专门的工艺进行粘贴。碳纤维复合材用于混凝土结构加固的条件基本假定1.加固前截面应变服从平截面规律，加固后应变增量服从平截面分布规律。2.纤维复合材的应力应变关系取直线形式，拉应力等于拉应变与弹性模量的乘积。3.当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定纤维复合材的滞后应变。4.在达到受弯承载力极限状态前，加固材料与混凝土之间不出现粘结剥离破坏。受弯构件正截面加固设计计算受弯构件正截面加固设计计算对碳纤维片材所在的受拉边缘取矩：实际上是碳纤维片材的强度利用率受弯构件正截面加固设计计算加固时碳纤维的滞后应变为

计算系数值受弯构件正截面加固设计计算<0.007<0.010<0.020<0.030<0.040>0.060单排钢筋0.700.901.151.201.251.30双排钢筋0.751.001.251.301.351.40承载能力极限状态下碳纤维应变与设计极限应变之比率为（利用率）：其中容易看出，受压区高度x越大，碳纤维强度发挥程度低。受弯构件正截面加固设计计算为确保碳纤维片材在承载能力极限状态下能得到恰当的发挥，要求加固后构件的界限相对受压区高度满足：对重要构件对一般构件受弯构件正截面加固设计计算需要多层粘贴时，实际粘贴面积应在计算面积基础上进行调整：当采用预成型板时取当采用多层粘贴时，取受弯构件正截面加固设计计算加固方式：环形箍或U形箍受弯构件斜截面加固设计计算受弯构件加固后的斜截面应符合当时当时受弯构件斜截面加固设计计算加固构件受剪承载力取为原有受剪承载力与箍条贡献之和：碳纤维箍条强度折减系数；同一截面碳纤维箍条断面积；箍条侧面高度；箍条间距。受弯构件斜截面加固设计计算受弯构件斜截面加固设计计算抗剪强度折减系数值受弯构件斜截面加固设计计算条带加锚方式环形箍及加锚封闭箍胶锚或钢板锚U形箍加织物压条的一般U形箍受力条件均布荷载或剪跨比1.00.920.850.680.630.58正常使用条件下碳纤维材料的利用率极低，一般不超过材料设计强度的10%。不能有效改善加固结构的使用性能，如减小裂缝宽度、提高结构刚度、降低结构挠度等。正截面加固时片材端部容易产生界面高剪应力，导致端部剥离；裂缝两侧界面容易产生高剪应力导致剥离；简支构件斜裂缝的发展容易诱发片材剥离；抗剪加固时U形箍自由端容易产生剥离。普通粘贴碳纤维用于受弯构件加固的技术瓶颈钢筋受拉屈服-纤维拉断（不选择）受弯构件抗弯加固的破坏形态钢筋受拉屈服-纤维不断-压区混凝土压碎（选择）受弯构件抗弯加固的破坏形态受弯能力增强，抗剪能力相对较弱，导致剪切破坏（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态沿钢筋的表层混凝土剥离破坏（撕裂，debondingofsurfaceconcretefromrerar)（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态纤维片材自端部而起的剥离破坏（脱层,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态纤维片材自裂缝截面的剥离破坏（脱层,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态斜裂缝剪错导致的纤维片材剥离破坏（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态可以大幅度提高CFRP材料强度利用率；大幅度降低同等拉应力条件下CFRP片材与基层混凝土之间的剪应力，降低因弯曲裂缝导致的剥离风险；经张拉的CFRP片材在端部设置专用锚固装置后，可以有效防止端部剥离破坏和因剪切裂缝导致的剥离破坏。对纤维片材施加预应力的优势

反拱法产生的预应力度很低，能有效说明对FRP材料施加预应力带来的明显优势，但该方法在实际工程中难以采用。施加预应力的方法：反拱法

•国内外较早采用反拱法对GFRP材料建立预应力。Saadatmanesh和Ehsani[5]（美国Arizona大学，1991）在实验室内用千斤顶在跨中将混凝土梁顶起产生反拱，保持荷载使梁维持弯曲状态，然后在梁底凹面粘贴GFRP板，待胶层固化获得强度后卸除千斤顶，混凝土梁回弹使GFRP板受拉，从而建立起预应力。该试验混凝土梁尺寸为4570mm×200mm×460mm，四点弯曲试验的开裂荷载提高了100%，承载力提高400%。施加预应力的方法：反拱法

•Yu，Silver和Nanni[6]（美国Missouri-Rolla大学，2003）采用反拱法对尺寸6300mm×1000mm×220m