FRP加固钢筋混凝土梁读书报告.doc
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1、读 书 报 告一 综述1.1 研究加固技术的重要意义结构在自然环境和使用环境作用下,由于累积损伤、材料老化、灾害荷载、设计和施工中的缺陷等因素的影响,通常会导致结构抗力衰减而承载能力不足,其功能将逐渐减弱,如果能够科学的评估这种损伤的程度及规律,采取有效的处理措施,可以延缓结构的损伤进程,达到延长结构使用寿命的目的。段落间距太小了,可以用1.25倍行距建国以来,特别是改革开放以后,随着经济建设的迅猛发展,建筑业得到了飞速的发展。另外,随着钢筋混凝土结构基本理论和设计方法不断地的深入和完善,越来越多的新型建筑材料得到了推广和应用;越来越多的新型结构体系得到了发展和实践。与此同时,安居工程和住宅产
2、业化的发展也越来越快。但是,在新建房屋的同时,对现有建筑结构的补强加固也引起了工程界的广泛重视,成为结构工程师所必须面对的问题之一。原因是多方面的,主要有下面几点:(1)建筑物都有一定的设计基准使用期,我国取为50年,而我国建国初期建造的大量房屋己经接近它们的设计基准使用期。也就是说,这些房屋的使用寿命接近它们的设计寿命,不宜继续使用。但是,在当前的经济条件下没有能力将它们全部推倒重建,其中的部分房屋只有对其进行一定的加固处理从而继续使用。(2)在建筑物的使用过程中,诸多的因素(比如物理老化和化学腐蚀等)会影响和缩短建筑物的使用寿命,有的甚至影响建筑物的安全性。许多有关冶金和化工的建筑物,其构
3、件由于高温或腐蚀等问题而影响了其承载力,进而影响建筑物的安全性。对于这些建筑物,需要采取一定的补强加固措施以保证其安全使用。(3)在当今的城市规划改造和旧区改造中,往往有社会需求的变化,比如建筑物的使用功能发生了变化而需要加层或空间加大等等。使用功能发生变化后,建筑物的某些承重构件的承载力可能会不足,这就涉及到要利用加固技术对其进行加固处理。(4)设计标准的提高。随着人类文明的进步和社会经济的发展,人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求也越来越高(比如抗震性),这就需要采用新的更高的设计标准。那么,原先的建筑物特别是重要的建筑物只有通过适当的加固措施才能满足人们的要求。(5)随着安居工程和
4、住宅产业化的发展,用户对工程质量的要求也越来越高。但是,在建筑市场发展的过程中,会出现设计失误、更改原设计或施工不当等问题。对出现这些问题的建筑物,必须对其进行适当的加固处理。(6)当发生风灾、火灾等意外情况时,对受损的建筑物进行一定的加固处理是很有必要的。另外,我国多数地区处于地震区,进行抗震加固和震损结构的修复也是一项重要的工程。由于上述的诸多原因,加固技术在工程中得到了广泛的应用,在学术界也得到了广泛的重视。因此,对加固技术进行深入讨论和研究是很有必要的,并且具有重要的社会意义和巨大的经济效益。1.2 主要的混凝土加固技术混凝土结构加固技术有很多种。加固方法的选择,应根据可靠性鉴定结果、
5、结构功能降低及加固原因(比如完好状态下的加固还是受损状态下的加固),结合结构特点、当地的具体条件和新的功能要求等因素,并遵照加固效果可靠、施工简便、经济合理等原则,综合分析确定。另外,还要注意静力加固和抗震加固的区别:静力加固一般要求考虑结构的二次受力问题,加固重点是结构承载力的提高;抗震加固一般可不考虑结构的二次受力问题,加固重点是结构延性和整体性的提高。在工程应用中,主要的混凝土结构加固技术有下面几种。(1)加大截面加固法它是一种传统的加固方法,通过增加原构件的受力钢筋,同时在外侧重新浇筑混凝土增大构件的截面尺寸,从而达到提高承载力的目的。其优点是可以同时增大构件的刚度、承载力和变形能力,
6、部分情况下还可以加强连接,具有可靠性较好的特点。该方法适用于梁、板、柱和墙等一般构件,并且有单面围套、双面围套、三面围套以及四周围套等多种情形。(2)外包钢加固法它是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固,主要通过约束原构件来提高其承载力和变形能力。它的特点是截面尺寸和外观影响很小,承载力提高较大,施工简便。该方法适用于大型结构及大跨结构,并且分为干式外包钢法和湿式外包钢法两种。(3)预应力加固法它是通过预应力钢筋对构件施加体外预应力,以承担梁、屋架和柱所承受的部分荷载,从而提高构件的承载力,并且改善正常使用状态性能。它是卸载、加固和改变结构受力三者合一的加固方法,特点
7、是承载力、抗裂性和刚度可以同时得到提高,并且改变预应力筋的布筋形式可达到最佳加固效果。该方法也适用于大型结构及大跨结构,并且分为水平拉杆、下撑式拉杆和组合拉杆三种。(4)喷射混凝土技术它是借助喷射机械,利用压缩空气或其它动力,将一定比例配合的拌和料,通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。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。(5)绕丝加固法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。(6)置换加固法在梁或偏心受压柱中,用置换法可以达到
8、局部直接补强的效果。对混凝土强度等级达不到设计要求的构件,首先按照弯矩图确定其最危险截面;然后在这些截面的受压区用高一强度等级的新混凝土置换旧混凝土,其中要注意切剖面应切成平整的直角,最后用喷射混凝土灌满。(7)改变结构传力途径法。它又分为下列两种:增设支点法:它是以减少构件的计算跨度而提高其承载力的加固方法。按支承结构的受力性能分为刚性支点和弹性支点两种。刚性支点是通过支承构件的轴心受压直接传递荷载;弹性支点是以支承构件的受弯或精架作用来间接传递荷载。该方法适用于房屋净空不受限制的大跨度结构。托梁拔柱法:它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。按其施工方法的不同又
9、可分为有支撑托梁拔柱、无支撑托梁拔柱和双托梁反牛腿托梁拔柱等方案。该方法适用于使用功能改变、增大空间的改造加固。(8)外部粘钢加固法它是一种较先进的加固方法,它是在混凝土结构外部表面用特制的建筑胶粘贴钢板,以达到提高承载力和满足正常使用(减少挠度和控制裂缝)的目的。该方法适用于承受静力作用的一般受弯和受拉构件。(9)其它加固方法还有一些其它加固方法,如增设支撑体系及剪力墙法、增设拉接连系法等。对于上述的各种混凝土结构加固方法,国内外的许多科研结构都进行了许多研究工作,并且将其应用到工程应用中。但是,这些加固方法在一定程度都存在不足,都有耐腐蚀性和耐久性不好等问题,另外加大截面法会增加构件自重,
10、粘钢加固法施工难度较大。因此工程界提出了一种先进的、科技含量高的加固技术:碳纤维加固技术,该加固技术具有许多优越性。1.3 FRP加固技术的优越性FRP材料用于混凝上结构补强加固的研究工作开始于80年代的美、日等发达国家。自80年代末至今,日本、美国、新加坡以及欧洲部分国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家等都相继进行了大量FRP材料用于混凝土结构补强加固的研究开发,并在此基础上己编制形成了自己国家的行业标准与规范。建筑物的FRP加固技术在日本、加拿大、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用。与传统的加固方法比较,FRP加固技术具有明显的技术优势,主要体现在以下几个方面
11、。(1)高强高效。由于FRP材料优异的物理力学性能,其轴向抗拉强度是普通钢材的8-12倍,CFRP的弹性模量是普通钢材的1-2倍;GFRP的弹性模量比钢筋的低,但延性好。对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其各自的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。(2)优异的耐腐蚀性能及耐久性。CFRP材料的化学性质稳定,能在酸、碱、盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀(GFRP只存在碱性腐蚀问题),这是传统结构材料难以相比的,目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工程中其优势已经得到实际工程的证明。瑞士、加拿大、英国等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、建筑中
12、采用FRP结构代替传统配筋结构来抵抗冰盐和空气中盐分的腐蚀,使得维护费用和周期大大降低。(3)不增加构件的自重及体积。纤维布的质量轻且厚度薄,经加固修补后的构件,基本上不增加原结构的自重及尺寸,也就不会减少建筑物的使用空间,这在“寸土寸金”的经济社会无疑是重要的。(4)适用面广。由于纤维布是一种柔性材料,而且可以任意地裁剪,所以这种加固技术可广泛地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)和结构中的各种部位(如梁、板、柱、结点、拱、壳、墩等),且不改变结构形状及不影响结构外观。同时,对于加固其他大型结构和构件,诸如大型桥梁的桥墩、
13、桥梁和桥板,以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等,纤维布加固技术都能顺利地解决。(5)便于施工。该产品适于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程。在施工现场不需要大型的施工机械,占用施工场地少,而且没有湿作业,因而工效很高。(6)弹性性能好。应力一应变曲线接近线性,在发生较大变形后还能恢复原形,塑性变形很小,这对于承受较大动载和冲击荷载的结构比较有利。(7)耐疲劳性能好。桥梁结构加固中,由于经常承受往复的移动荷载的作用,对这类结构加固后要考虑结构的抗疲劳性能。FRP加固试验研究表明,FRP加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载,其强度及刚度指标都不降低,而普通混凝土试件经过同样的疲劳循环
14、荷载后,其强度和延性指标都会有不同程度的降低。另外,FRP还有透电磁波、绝缘、隔热、热涨系数小等有点,这使得FRP结构和P组合结构在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用。1.4 FRP加固技术的研究现状FRP复材加技术研得世多建立了相关的组织并投入大量的人力、物力进行广泛的研究。我国于1997年开展FRP补强加固钢筋混凝土构件的研究工作,其中国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早进行了这项工作。之后,有许多高等院校和科研单位也进行了FRP的研究。在规范编制方面,中国工程建设标准化协会标准碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程(cECS146:2003)已经颁布实施52,这些工作对于FRP加固修复
15、结构技术在我国的发展起到至关重要的作用,为我国基本建设的发展起到了良好的推动作用。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、湖南大学、天津大学、清华大学、东南大学、大连理工大学等单位先后开展了FRP补强加固钢筋混凝土构件、纤维筋混凝土构件、纤维复合材料与混凝土试块之间的粘结等研究,得到了一些成果。在试验研究的基础上,结合国外的加固规范,提出了一些设计理论和方法。综合近年来国内外的主要研究成果,可以归纳以下几个方面:(1)梁和板加固的研究。这方面开展的最早,进行了大量的试验、理论和计算研究,涉及加固构件的抗弯、抗剪、极限承载能力、粘结方式、粘结构造、结点加固、截面刚度等各方面。吴刚等在20根梁的试
16、验基础上,对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯破坏特征、极限承载力及刚度等进行了研究与分析,提出了相应的设计方法与建议。熊光晶等首次提出用玻璃纤维布和碳纤维布对钢筋混凝土梁进行混杂加固的思路。通过对比试验研究得出:相对碳纤维加固方法而言,纤维混杂加固法既能提高构件的塑性,又能显著降低加固成本。邓宗才对16个碳纤维布加固足尺钢筋混凝土梁进行了试验研究,通过改变纤维布层数、配筋率等参数,研究了碳纤维布加固对于梁抗弯承载力和抗弯刚度的影响规律。试验证明:碳纤维布加固能显著提高了梁的抗弯承载力,增强了梁的抗弯刚度,并提出用截面分析法来计算碳纤维布加固钢筋混凝土梁的承载力与挠度值。Tom Norris等对1
17、9根钢筋混凝土简支梁进行了CFRP加固抗弯、抗剪的试验研究,预先把试件加载到开裂,然后在持荷状态下粘贴CFRP布,试件最后加载到破坏。CFRP布粘贴方向与试件的纵轴方向分6种不同的情况进行比较,试验表明:试件的承载力和刚度提高的大小以及破坏模式与CFRP布粘贴方向有密切的关系。当CFRP布垂直试件开裂的方向进行粘贴加固时,试件的强度和刚度能显著提高,CFRP端部发生剥离破坏。当CFRP的粘贴方向与试件裂缝方向不垂直相交时,试件的强度和刚度都增长不大,但试件的延性较好。Hamid Rahimi等用CFRP、GFRP和钢板对钢筋混凝土梁做了三组加固试验,试验表明:与未加固梁相比较,钢筋混凝土梁用上
18、述三种材料进行加固后,强度和刚度都有不同程度的提高。考察了加固梁的强度的提高与CFRP的截面积的关系:二者不成线性关系,但有明显的回归。另外,依据应变协调理论并应用有限元分析程序对加固梁的承载能力进行了分析,其结果与试验数据吻合良好。(2)混凝土柱加固的研究。这个方面主要包括加固后混凝土柱的抗弯、抗剪、承载能力、应力一应变关系、弯矩一曲率关系、徐变特性,疲劳性能和抗震性能等。研究表明,由于FRP的约束作用,柱的抗压、抗剪、抗弯能力都有所提高,同时延性也有较大改善。循环荷载作用下,FRP包裹柱的延性明显提高,延性从3-4提高到7-10。抗震性能也有明显改善,能够有效恢复地震中破坏柱的抗弯强度和延
19、性。约束后的混凝土应力一应变关系是研究结构抗震延性和非线性全过程分析的主要依据之一,不少学者对此进行了研究,提出了各自的受纤维布约束混凝土的应力一应变关系模型,赵彤模型、Saadatmanesh模型、Mirmiran模型、Amir模型。肖岩通过对72根碳纤维组合材料约束混凝土圆柱体的受压试验结果分析,提出了对约束混凝土应力一应变关系模型的改进,并对改进后的模型进行了约束混凝土强度的参数分析。吴刚也国内外试验研究基础上,提出三个FRP约束混凝土矩形柱的应力一应变模型。Sheikh等通过八根圆形柱和四根矩形柱的试验研究,通过在地震荷载作用下FRP修复混凝土柱试件关键截面的弯矩一曲率关系的分析对比,
20、得出混凝土柱用FRP修复加固后抗震性能明显提高。陶忠等提出FRP约束混凝土的徐变分析模型和计算方法,分析了FRP约束混凝土轴压构件的徐变变形特点,对FRP约束混凝土轴压构件的承载力进行了理论分析,考察了轴压比、长细比、含FRP率、FRP强度等参数变化时徐变对轴压构件承载力的影响。(3)FRP与混凝土粘结性能的研究。大量的试验证明,FRP加固混凝土构件粘结破坏是脆性破坏,使FRP高强高效的特性不能得到发挥,不仅浪费材料,而且不安全,因此决定粘结破坏的粘结强度和剪力传递逐渐成为学者研究的重点。FRP加固钢筋混凝土构件中FRP、钢筋、混凝土共同工作的基础是FRP与混凝土之间及钢筋与混凝土之间具有足够
21、的粘结强度,由于结构受力形式复杂,当FRP在混凝土结构构件中加固部位和加固要求不同时,FRP与混凝土之间的粘结应力状态有所不同,FRP与混凝土之间粘结失效的原因和形式也不相同。一般情况下,加固构件中FRP的粘结剥离破坏的主要形式有:梁端部的应力集中;在最大弯矩处,弯曲裂缝引起的向两端扩展的剥离破坏;由剪切裂缝引起的上下错动的剥离破坏;由于混凝土与钢筋之间的集中应力过高超过了混凝土抗拉强度,造成混凝土保护层沿纵筋方向剥离破坏。根据破坏形式,分析破坏的主要原因有: 粘结剂涂的不均匀或者不足;混凝土中出现的弯曲裂缝或剪切裂缝;混凝土表面凹凸不平;疲劳荷载等。并且针对混凝土裂缝下面的FRP开粘问题提出
22、了各种分析模型。如基于断裂力学的分析模型、基于试验数据的经验公式、截面强度模型以及设计公式。陆新征对FRP加固钢筋混凝土梁抗剪剥离破坏设计公式进行了整理,并且用试验数据对比了ACI-440建议公式、欧洲设计规范建议公式、Chen-Teng公式、加拿大设计规范建议公式、谭壮公式、张一叶公式等抗剪加固承载力计算公式的优缺点。吴刚等对外贴CFRP加固混凝土梁后可能发生的粘结破坏进行了重点研究,对比了端部粘结破坏和非端部粘结破坏的破坏特征、破坏机理以及参数影响。M粘着层ek等分析了FRP端部和梁弯曲裂缝处的应力,并与有限元计算结果和试验结果做了比较。给出了剥离弯矩和剥离破坏准则,该方法需要计算开裂和不
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