CFRP预浸带加固混凝土梁抗弯性能及破坏机理研究.doc

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1、分类号 U448 单位代码 10618密 级 学 号 106260145硕 士 学 位 论 文论文题目：CFRP预浸带加固混凝土梁抗弯性能及破坏机理研究 Study on Flexural Behavior and Failure Mechanism of the RC Beams Strengthened with Presoaked CFRP 研究生姓名： 刘 秋 松导师姓名、职称： 姚 国 文 教 授申请学位门类： 工 学专 业 名 称： 桥 梁 与 隧 道 工 程论文答辩日期： 2009 年 3 月 29 日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席：郑 罡 研究员 评阅人：

2、郑 罡 研究员 吴海军 副教授2009年3月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的

3、全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘 要碳纤维加固修补混凝土结构技术由于

4、其巨大的优势，目前在工程中应用极为广泛。本文首先分析了目前国内外碳纤维加固混凝土结构技术的研究状况，在此基础上通过试验和数值分析对碳纤维加固钢筋混凝土梁的破坏机理和抗弯性能进行研究。主要的研究成果如下：首先，通过碳纤维预浸片材加固混凝土梁的弯曲试验，考察碳纤维加固后梁的抗弯性能的变化，观察结构从加载到破坏的各阶段现象。分析不同厚度碳纤维片材加固梁的极限承载力、挠度变化情况以及裂缝发展的程度。结果表明，碳纤维加固钢筋混凝土梁的极限承载力与碳纤维的粘贴厚度在一定范围内基本成线性增长关系；与普通钢筋混凝土梁相比，粘贴厚度为0.1110.333mm的碳纤维加固梁的极限承载力提高了12.6%38.9%。

5、根据观察到的破坏形式，分析了碳纤维加固钢筋混凝土梁的破坏机理。其次，利用有限元分析软件ANSYS，对碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能进行了数值模拟，计算所得的荷载挠度曲线和极限承载力与试验结果吻合较好，说明了本文提出的数值模拟研究的理论和方法是正确的，可用于工程设计计算和作为模型试验的参考。最后，从理论分析上，对加固后的钢筋混凝土梁，分别计算结构处于开裂弯矩、屈服弯矩和破坏时构件的抗弯刚度，并分析比较了构件最大裂缝宽度的计算公式。关键词：钢筋混凝土梁；抗弯性能；CFRP预浸带；有限元模拟；破坏机理ABSTRACTRC beams strengthened with CFRP are applie

6、d for the project at a wide range at the current because of the carbon fibers enormous advantages. This article first analyzes the present domestic and foreign carbon fiber reinforced concrete structures technology research, then based on the experiment and ANSYS software for the carbon fiber reinfo

7、rced concrete beam, the failure mechanism and flexural behavior will be investigated. The main research results are as follows:Firstly, the main purpose is to investigate the change of flexural capability of the beams strengthened by CFRP, as well as some phenomenon in different stages from loading

8、to destruction through carrying out the RC beams strengthened with presoaked CFRP of the bending tests. And the ultimate load, deflection changing, crack developing are also investigated. The results show that the ultimate load of strengthened RC beams is higher with thicker externally bonded CFRP w

9、ith thickness of 0.1110.333mm, which increases from 12.6 percent to 38.9 percent than that of RC beam. Failure mechanism of the structure strengthened with CFRP is analyzed according to the destroy form and concluded the phenomenon of each stage.Secondly, the flexural behavior of RC beams strengthen

10、ed with CFRP is analyzed by the finite element software, ANSYS. The numerical simulation results, load- deflection curves and ultimate load are in good agreement with experiment ones. It means that the numerical simulation of theory proposed in this paper is reasonable, and it can be applied for eng

11、ineering design and model test as reference.Finally, the formulas for calculating the flexural rigidity are proposed from theoretical analysis when structure is at the cracking moment, yield moment and destruction, and analyzed method of calculating maximum crack width.KEY WORDS：reinforced concrete

12、beam; flexural behavior; presoaked CFRP; finite element simulation; failure mechanism目 录第一章 绪 论11.1 引 言11.2 常见结构加固方法及其特点21.2.1 加大截面法21.2.2 体外预应力方法21.2.3 改变结构体系方法41.2.4 外包钢加固法41.2.5 喷射混凝土技术51.2.6 粘贴碳纤维加固法51.3 碳纤维加固混凝土结构力学性能研究现状61.3.1 碳纤维加固混凝土结构抗弯性能61.3.2 碳纤维加固混凝土结构抗剪性能71.3.3 碳纤维加固混凝土结构破坏行为81.3.4 碳纤维加

13、固混凝土结构其它性能91.4 论文主要研究内容10第二章 CFRP片材加固RC梁的试验研究112.1 引言112.2 CFRP加固RC梁的弯曲试验112.2.1 材料特性112.2.2 试件制作142.2.3 试验方案152.3 试验结果分析172.3.1 梁的正截面承载力分析172.3.2 挠度分析182.3.3 破坏模式分析192.4 CFRP片材加固RC梁的破坏机理研究212.4.1 粘结区界面存在的应力222.4.2 剥离破坏形态222.4.3 剥离破坏机理232.4.4 剥离破坏影响因素及防治措施242.5 本章小结26第三章 CFRP片材加固RC梁力学行为数值分析283.1 引言2

14、83.2 钢筋混凝土的非线性有限元理论283.2.1 混凝土结构非线性问题283.2.2 钢筋混凝土非线性的有限元模型293.2.3 单元开裂和屈服后的处理323.3 非线性静力平衡方程组的解法343.3.1 增量法353.3.2 迭代法373.4 非线性有限元模型393.4.1 单元选择393.4.2 材料特性413.4.3 有限元模型建立443.4.4 非线性求解设置443.5 有限元结果分析453.5.1 挠度463.5.2 结构变形图473.5.3 碳纤维应力应变483.5.4 钢筋应力应变493.5.5 裂缝503.6 本章小结51第四章 CFRP片材加固RC梁正截面力学性能研究52

15、4.1 引 言524.2 正截面承载力计算524.2.1 基本假定524.2.2 破坏形态524.2.3 极限承载力计算534.3 抗弯刚度计算564.3.1 材料本构关系564.3.2 开裂弯矩时加固梁的抗弯刚度574.3.3 屈服弯矩时加固梁的抗弯刚度594.3.4 破坏时加固梁的抗弯刚度604.4 裂缝分析614.4.1 裂缝开裂机理614.4.2 裂缝宽度计算理论614.5 本章小结63第五章 结论与展望645.1 结 论645.2 进一步工作的展望65致 谢66参考文献67在学期间发表的论著及取得的科研成果70第一章 绪 论 11第一章 绪 论1.1 引 言截止到2007年底，我国公

16、路通车总理程达358.37万km，其中高速公路的通车里程数为5.36万km1，与此同时，国家投入巨资改建、扩建大量低等级的国省道，行车条件大为改善。尽管如此，作为公路重要组成部分的桥梁，其技术状况依然不能较好地适应交通运输的发展，特别是进入20世纪90年代，交通运输量急剧增长，行车密度及车辆载重越来越大，集装箱运输、超载运输，以及外界各种因素作用和影响，加剧了桥梁结构病害、缺陷的发生，严重危及到桥梁正常使用，影响当地经济发展和社会稳定，难以适应日趋增长的交通量需要。发达国家的经验和教训告诉我们，经过大规模路网建设后，桥隧设施安全将是一个突出问题。据统计，目前世界上至少有几十万座危桥在带病工作。

17、美国联邦公路局（FHWA）将60万座桥梁划为不符合要求，其中12万座被认为具有结构缺陷。德国对一个州的钢筋混凝土桥梁和预应力混凝土桥梁的全面调查发现，使用30年以上的至少有一处重要损伤。此外，美国塔科马大桥、韩国圣水大桥、葡萄牙杜罗河大桥的坍塌事件都造成了严重的后果。20世纪80年代中后期，国家颁布了新的公路工程技术标准和相应的设计规范（即“85规范”），设计水平、施工技术有了较大提高，但大多数桥梁以汽车15、汽车20级作为主要设计标准，现因交通流量剧增、重型车辆的出现而日显薄弱，许多桥梁出现桥面下挠、结构开裂成为危桥。公路桥梁长期暴露在自然环境中，受到大气腐蚀、温度和湿度影响，材料必然要发生

18、老化、碳化、锈蚀，桥梁承载能力退化；同时，受到养护技术和维护水平的限制，许多刚出现裂纹或裂缝的桥梁，因没有及时发现和维护，致使裂缝不断增大、增多最终沦为危桥。设计不当、施工缺陷也造成了不少桥梁在建成不久就出现裂缝、梁体变形过大等突出问题，且呈现出使用年份短的趋势，不少桥梁在使用23年后便出现各种各样的问题。除此以外，地震、洪水、泥石流等自然灾害造成桥梁出现开裂甚至垮塌。交通部从2001年起加大了危桥改造力度，通过技术改造，桥梁的技术性能得到恢复或提高，但与此同时，超载、桥梁老化以及施工质量差等原因，新的危桥不断出现。国内外实践都表明2，对带有各种缺陷的旧、危桥全部拆除重建是不必要的，也是不现实

19、的。即使经济发达的西方国家，如美国、日本、德国，也是通过加固改造来恢复或提高原桥承载力。工程实践表明，加固改造一座桥梁仅为新建桥梁的几分之一，目前国内桥梁加固费用一般为新建桥梁费用的10%20%，国外旧桥加固或改造的费用约为新建桥梁的10%左右。不仅如此，有些桥梁可以在不中断交通的情况下实施加固改造，而且施工工期短，见效快。目前，我国在公路建设中仍以工程建设为主，但在不久的将来，就会迎来以加固、改造、养护为主的高峰。交通部公路科学养护与规范化管理纲要（19912000年）中提出：“到本世纪末，基本消除国道省干道公路的危桥，并初步达到国际标准集装箱车辆的标准3”。从目前看来，要达到纲要上制定的这

20、个宏伟目标，还有相当大的差距。随着新建桥梁的不断增多，原有旧危桥桥梁的加固改造，摆在我们面前的任务十分艰巨，也十分迫切。因此，开展旧危桥梁的加固改造研究，满足现代及未来交通运输的需要，是历史的必然。1.2 常见结构加固方法及其特点目前，工程上常用的钢筋混凝土结构补强、加固方法有：加大截面法、体外预应力方法、改变结构体系方法、外包钢加固法、喷射混凝土技术和粘贴碳纤维加固法等。1.2.1 加大截面法加大截面技术是通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧重新浇筑混凝土以增大构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的。这种方法在设计时必须解决好新加部分与原有部分的整体工作协同受力的问题。这种结构在弹性阶段，结

21、合面的剪应力和法向拉应力主要是靠结合面两边的新旧混凝土的粘结强度承担；开裂及极限状态下，则主要是通过结合面的锚固钢筋所产生的被动锚栓力传递。这种技术的优点是可以同时增大构件的刚度、承载力和变形能力，部分情况下也可以加强连接的可靠性。但结构自重会增加很多，对于桥梁及楼板等结构则会减小其使用空间，而且现场作业量较大，养护期长45。图1.1 拱圈加大截面加固法Fig 1.1 Arch strengthened with RC1.2.2 体外预应力方法预应力加固是指运用预应力原理，在增设构件（以下简称“加固件”）或原有构件（如主梁梁体）中，施加了一定初始应力（即预应力）的一种加固方法。对于钢筋混凝土或

22、预应力混凝土梁板，采用对受拉区施以预加压力的加固方法，可以抵消部分自重应力，起到卸载作用，从而能较大幅度地提高梁的承载能力。用预应力方法加固桥梁结构时，应考虑的主要问题有：施加预应力方式；预应力损失的估计和减少预应力损失的措施等。常用施加预应力方法用预应力法加固钢筋混凝土或预应力混凝土梁板，其加固件一般采用钢杆、粗钢筋或钢丝索等钢材，施加预应力的方法有纵向张拉法、横向张拉法和张拉钢丝束等。纵向张拉法施加的预应力数值较小时可采用螺栓、丝杆、花蓝螺丝等简易拉紧器进行张拉。在施加的预应力较大时，可采用手拉葫芦、千斤顶张拉或电热法张拉。横向张拉法基本原理是在钢拉杆中部施加较小的横向外力，从而可在钢拉杆

23、内获得较大的纵向内力。由于横向张拉外力一般并不很大采用螺栓、丝杆、花蓝螺丝等简易工具即可。钢丝束通常通过锚具用千斤顶进行张拉，如果张拉要求不高，可以采用撬棍等工具绞紧钢丝绳束亦可产生预拉应力。预应力损失估计和减少预应力损失的措施预应力损失是影响到预应力加固的适用范围和加固后工作状态的重要问题。预应力损失由加固件本身和承受加固件作用的结两方面和变形而产生，主要的具体因素有：1）基础徐变和地基沉降；2）被加固构件收缩和其他变形；3）加固件本身徐变；4）加固件节点和传力构造变形；5）温度应变。图1.2 体外预应力加固法Fig 1.2 Structure member strengthened wit

24、h external prestressing在预应力加固件使用过程中，由于基础沉降，温度应变，新浇注混凝土徐变等具体原因将产生较大预应力损失，这时，为减少预应力损失以保证加固效果，必须在加固过程中，预留构造措施，以便在使用过程及时调整加固件的工作应力数值。1.2.3 改变结构体系方法当主梁结构基本完好，但其承载力不能满足要求或需要提高活载等级时，可采用增设辅助构件以改善结构静力体系的技术。这种方法是通过改变桥梁结构受力体系，达到提高桥梁的承载能力的目的。它的基本原理是减少控制截面的内力为目的进行加固。主要途径有增设支点加固和多跨简支梁的连续化加固。增设支点加固即通过在梁、板等受弯构件的跨中间

25、增设支点，减小构件计算跨度，有效降低构件的剪力和弯矩峰值，并且能限制或减少受弯构件的挠曲变形和开裂。多跨简支梁的连续化是在原简支梁的支座处增设抵抗负弯矩钢筋，这样支座处可以抵抗负弯矩，简支梁变为连续梁，减小了原构件跨中弯矩。这种技术的优点是提高了结构的承载力，增大了结构的刚度，减小了挠度。缺点是可能因此造成空间分割，而且当支承结构为钢筋混凝土、需要施工时，涉及到钢筋连接和混凝土浇筑，需要一定作业量和工期6。图1.3 拱上结构转换为刚架拱示意图Fig 1.3 Strengthened by changing deck structure of arch into rigid arch1.2.4

26、外包钢加固法外包钢法是利用角钢、钢板等将混凝土梁、柱等构件包裹起来以增加抗力的目的，它分有湿式外包钢法和干式外包钢法两种。湿式外包钢法即在钢材与原混凝土构件间填环氧水泥砂浆等粘结材料，其整体性好，但湿作业工作量大。干式外包钢法施工简洁，方便。外包钢法骨架设计应合理设计有效截面积，并考虑结构在加固时的实际受力状况，即原结构的应力超前和加固部分的应变滞后特点，以及加固部分与原结构共同工作的程度，从而增加构件抗力，有效提高构件延性特征。与增大截面法类似，外包钢法也是一种使用较广的传统加固方法。该法施工简便，现场工作量较小，受力较为可靠，适用于在不允许增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度地提高截面承载能

27、力的混凝土结构，主要用于钢筋混凝土柱、梁、腹杆等的加固。1.2.5 喷射混凝土技术借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将一定比例配合的拌和料，通过管道输送并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、钢材有很高的粘结强度，可以在结合面上传递拉应力和剪应力。喷射混凝土又可分为喷射普通混凝土和喷射纤维混凝土。喷射混凝土加固后的构件截面刚度和承载能力同时得到提高。此种加固技术特别适用于形状特殊的结构，如隧道、涵洞、矿井顶面等结构。对于上述加固方法，国内外的很多科研机构都己进行了大量的研究工作，并且大都己应用于实际工程，这些方法的应用

28、，虽然对改善结构的强度、刚度以及抗震性能起到了一定的作用，但它们都还存在着许多缺点:自重大，由此可能造成连锁补强问题；对建筑物的使用功能、美观造成很大影响；抗腐蚀性能差，易丧失其应有功能，尤其是在厂房中显得尤为突出；施工复杂且周期长，影响了正常工作及生活，社会效益差。为此，工程界需要新兴的、科技含量较高的加固技术。近年来，纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。随着材料技术的发展，现已开发出了多种高科技纤维材料，碳纤维材料就是其中的一种，它是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟、用量最大的一种高科技材料。1.2.6 粘贴碳纤维加固法碳纤维复合材料通常由纤维和基体组成。加固混凝

29、土结构用的纤维材料，目前主要有三种：玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP），而碳纤维又可分为：碳纤维片材、碳纤维板材、碳纤维棒材。三种类型如图1.4所示。纤维复合材料的力学特点是：应力应变量完全线弹性，不存在屈服点或塑性区。由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳等优异物理力学性能，以及现场施工便捷，所以是旧桥加固补强的理想材料。普通碳纤维是以聚丙烯碃（PAN）或中间相离清（MPP）纤维为原料经高温碳化制成，碳化程度决定着诸如弹性模量、密度与导电性等性能。碳纤维长丝直径通常在58之间，并合成含300018000根的长丝束。为改善碳纤维与基体的亲和性，纤维本身要经表面

30、处理，形成能与基体反应的活性基团。加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。图1.4 碳纤维与CFRP布、板、棒材Fig 1.4 Carbon fiber and CFRP sheet、plate and bar加固混凝土构件时，按构件的不同受力特点用粘结材料将碳纤维布有序地缠绕粘贴于构件表面，实现对构件变形的约束，并因此提高构件的极限强度和承载能力。采用碳纤维加固混凝土结构的优点：高强、高效。由于碳纤维的物理力学性能

31、好，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或构件的承载力及延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。施工便捷，施工效率高，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定措施，施工占用场地少。具有极佳的耐腐蚀性能和耐久性能。适用面广，施工质量易保证。加固修补后，基本不增加原结构的质量及构件尺寸。1.3 碳纤维加固混凝土结构力学性能研究现状1.3.1 碳纤维加固混凝土结构抗弯性能根据调查文献所知，国外对碳纤维在混凝土结构的受弯性能进行了以下的研究。Hollaway LC等介绍了复合材料的组成和性能，提出了复合结构的极限状态设计方法和设计准则，对CFRP用于加固

32、和修复的钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪性能进行了分析7。Garden对粘贴预应力CFRP板的不同长度和不同锚固方式的增强RC梁进行了四点弯曲实验，发现预应力CFRP增强梁的破坏模式与试验梁长度、配筋率、施加的预应力值、锚固方式等均有关系8。HUANG Yue-lin等对采用GFRP加固的T型RC梁和采用预应力GFRP加固T型RC梁试验研究，发现极限承载力与未加固的RC梁相比分别提高了50%、100%；采用预应力GFRP加固的T型RC梁比采用GFRP加固T型RC梁的挠度小得多，而且延性更好9。Shahaw等进行了粘碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的静力和疲劳试验，并在试验基础上进行了非线性有限元分析；认为加

33、固后梁的静力和疲劳性能都有所提高，而且将梁三面包裹后性能的提高程度比仅粘贴底面时要高得多10。Mahmoud T.EI-Mihilmy11等对FRP加固梁进行了理论分析，给出了矩形和T形梁的抗弯承载力计算公式，得出了各自最大和最小配布率。在国内方面，曹双寅12等通过数值计算和试验，对外贴玻璃纤维加强复合材料加固受弯构件的受力全过程进行了研究，探讨了加固后钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏特征、受力特点以及影响因素，并在此基础上建立了加固后正截面抗弯承载力计算公式。徐建波13等根据加固构件的受力特点，对碳纤维布加固混凝土梁在加固前后正截面的应力应变的变化进行了深入的研究，并提出了计算其正截面极限承载

34、力的方法。李业绩、杨勇新14等在分析碳纤维布加固后混凝土梁截面刚度变化规律的基础上，通过对比试验资料的统计分析，建立了碳纤维布加固混凝土梁截面刚度的简化计算公式。经试验资料验证，该公式具有较好的精度。吴刚、吕志涛1516等在CFRP加固混凝土梁的试验基础上，对CFRP用于钢筋混凝土梁抗弯加固后的破坏特征、受弯承载力、刚度及裂缝分布进行了研究，分析了各种参数对加固效果的影响。叶列平17等根据碳纤维布加固钢筋混凝土构件受弯性能的试验研究，对受弯破坏形态、极限状态和设计要求进行了讨论。利用基于平截面假定的正截面受弯承载力的计算理论，分析了配筋率、加固量及二次受力等因素的影响。在此基础上提出了正截面受

35、弯承载力的实用计算方法。赵彤18对CFRP加固钢筋混凝土受弯构件、钢筋混凝土柱的承载力及改善钢筋混凝土构件的性能等各方面进行了深入研究，并按照截面条带划分法，提出了受弯构件的承载力简化计算公式。1.3.2 碳纤维加固混凝土结构抗剪性能对于纤维抗剪加固承载力的试验，最早是由麻省理工大学Berset教授负责进行的，他认为纤维材料对梁的抗剪性能的作用与箍筋相类似，作用的大小取决于试验中纤维材料所能达到的最大应变。随后进行这方面的研究的是日本的Uji教授，使用的是碳纤维材料，在他的计算模型中，纤维类材料对抗剪承载力的贡献是取决于纤维与混凝土的粘结面。这个粘结面在粘结剂被剪坏的瞬间，将承担平均的剪应力，

36、该应力值的大小由试验确定，但碳纤维材料对梁抗剪承载力的最大贡献则由碳纤维的抗拉强度决定。此外，国外这方面的研究成果越来越多，综合起来而言有以下几方面：碳纤维对混凝土梁的加固效果与箍筋相似；45度/135度纤维排列加固效果优于90度纤维排列加固效果；纤维类材料对钢筋混凝土材料的抗剪加固效果明显，其作用的大小取决于材料的实际应变。我国是在1997年正式开始对碳纤维增强材材料（CFRP）加固修复土木建筑结构进行研究的，主要研究成果有：通过对不同粘贴方式的碳纤维强度发挥系数的比较，可以得出U型粘贴优于侧边粘贴。为提高侧边条带粘贴与U型条带的锚固性能，建议采用锚栓锚固及在U型条上部纵向碳纤维并列锚固；影

37、响碳纤维抗剪加固效果的参数有：配箍率、碳纤维布的厚度、粘贴方式、剪跨比、加固梁本身的荷载情况、不同的粘结剂等等；提出了计算碳纤维抗剪承载力的简化计算公式。由以上研究成果可知，为了更加有效地利用碳纤维强度，受剪加固时碳纤维应尽可能环包。但在实际加固工程中，碳纤维往往无法环包混凝土梁，因此需要有效地端部附加锚固措施以达到与碳纤维环包时相同的效果。1.3.3 碳纤维加固混凝土结构破坏行为国外方面，Oehlers分析了粘贴板材加固钢筋混凝土梁时发生板端剥离破坏的原因，认为试件斜截面受力情况对板的剥离有较大影响19。Hamid20等对不同配筋率和不同配布率的FRP加固混凝土梁做了试验，并建立二维有限元模

38、型进行了数值分析，认为FRP加固梁的承载力和刚度都有明显提高。深入分析了FRP弹性模量、配布率、配筋率、混凝土强度、二次受力等参数对承载力的影响，并对FRP剥离破坏模式作了专门探讨。Jones21通过CFRP增强混凝土梁的四点弯曲试验，研究了在不同剪跨比下增强梁的破坏过程；Kobatake22探讨了能为混凝土结构提供足够承载力的CFRP贴长问题，不同CFRP贴长会导致增强构件的破坏模式存在差异。Ahmed23进一步研究了CFRP端部锚固长度与增强梁承载力的关系。在抗剪加固研究方面，Chen24探讨了FRP的剥离破坏模式及其对增强RC梁抗剪承载力的影响；Ahmed23则对FRP增强RC梁中端部剪

39、切破坏的模型进行了修正。Triantafillou和Plevris25确定和分析了几种破坏机理，如钢筋屈服FRP断裂，钢筋屈服混凝土压碎，受压破坏和脱粘。Swamy和Mukhopadhyaya26研究了CFRP粘贴到高强度混凝土构件时，呈现的脆性破坏，这种破坏是由于达到极限破坏之前产生了脱粘现象，混凝土强度是影响脱粘的主要因素，外部机械锚固最明显的影响是为组合结构提供延性。日本茨城大学吴智深对FRP补强混凝土梁进行了试验研究，注重分析了对FRP补强的混凝土梁的破坏形式起决定作用的三个要素，即混凝土的抗压强度、FRP的粘贴厚度、粘结强度。国内方面，陆新征27主要研究了CFRP混凝土之间的界面力学

40、行为及剥离破坏机理，并对主要的三种剥离破坏形式：面内剪切剥离、受弯加固剥离和受剪加固剥离进行了系统的研究，通过相应的数值计算模型深入分析，进一步提出实用简化设计公式。李杰28等通过对形截面外伸梁复合纤维抗弯加固的静力试验，表明复合纤维加固钢筋混凝土梁能有效提高梁的极限承载力；加固量较多时能提高梁的第二刚度；当发生剥离破坏时，持荷加固对梁的极限承载力影响不大；损坏后加固和不损坏加固极限承载力相近。吴刚29等对FRP加固混凝土梁进行了试验研究，指出了粘结破坏包括端部粘结破坏和非端部破坏，并分析了两种粘结破坏的破坏特征、机理及影响参数。上海市建筑科学研究院于1999年开展了FRP加固钢筋混凝土梁抗弯

41、性能试验研究30。试验共做了29根钢筋混凝土对比梁和碳纤维布、玻璃纤维布加固梁。试验梁通过改变混凝土强度等级、钢筋配筋率、FRP的粘贴量、粘贴方式及锚固措施4个变化参数来研究加固梁的破坏类型、梁的抗弯承载力提高情况、加固后梁的刚度以及锚固措施。1.3.4 碳纤维加固混凝土结构其它性能对延性的研究用碳纤维加固钢筋混凝土柱，可以显著改变其延性，由于碳纤维层数越多，其发挥效率越低，所以碳纤维的层数对延性的增加影响不大。而在碳纤维加固钢筋混凝土梁时，在适筋范围内，受压钢筋的存在，截面的延性会增加，而增加受压钢筋用量会显著增大截面的延性；受拉钢筋的配筋率越小，截面延性越大。在界限破坏时，截面延性最好。由

42、于碳纤维为完全弹性材料，与钢筋共同作用会减弱钢筋塑性变形对提高构件延性的作用。随着碳纤维用量的增加，截面延性降低，因此对于碳纤维片材加固时，也需要视具体情况而定。对抗疲劳能力的研究对于重复荷载、移动荷载等，我们需要考虑结构的抗疲劳能力。碳纤维加固增强结构的抗疲劳能力的评价一般要针对弯曲疲劳破坏和剪切疲劳破坏这两种破坏形式进行。评价时除了要计算原有结构的抗疲劳能力外，还要考虑碳纤维加固部分的疲劳断裂能力，以及碳纤维和混凝土界面的粘结疲劳破坏能力。一般在抗弯能力的评价时，通常的钢筋混凝土抗弯疲劳理论可以用来评价原有结构的抗疲劳能力，碳纤维自身的抗疲劳能力也可以通过材料试验来解决。对结构的剪切疲劳能

43、力的评价比抗弯疲劳能力评价更困难。道路、桥面板等结构，经常由于裂纹的产生、裂缝的贯通、配筋方向板的连续性降低，而最终导致结构复杂性的冲剪破坏。现有的研究结果表明，钢筋混凝土桥面板下张贴碳纤维片材，可大大提高其疲劳寿命，因为碳纤维片材对混凝土中裂纹开闭起约束作用，在板厚方向对裂缝起到了抑止作用，并降低了弯曲变形的钢筋应力。冲压型剪切疲劳破坏的评价需要考虑被加固结构加固后自身的抗疲劳能力、碳纤维片材的抗疲劳断裂能力以及界面粘结抗剥离破坏的能力，由于通常碳纤维应力不是很高，故碳纤维疲劳断裂可以除外。在发生碳纤维混凝土界面粘结剥离之前，加固效果一般与碳纤维片材的拉伸刚性（即其截面积乘以弹性模量）密切相

44、关，故可以由此来进行初步的加固设计。裂缝宽度的研究通常由于片材粘结张贴加固，结构的裂缝分散性能明显增强。此外由于抗弯加固效果，钢筋的应力也会明显下降。因此，裂缝宽度将大幅下降。研究结果表明，对于无初始裂缝或一定宽度以下的初始裂缝的结构，用一定量的碳纤维加固后，其裂缝分散能力大大提高。钢筋屈服前在同样的钢筋应力水平下，碳纤维加固构件的裂缝宽度只是无碳纤维加固构件的30%70%。因此，在运用通常的钢筋混凝土理论计算裂缝宽度时，除了把碳纤维加固量折算成钢筋比后加算到钢筋外，还要考虑到裂缝间隔的影响，对其乘上一个0.30.7的降低系数。但是对于恒载作用下结构的情况，如果加固前裂缝发展己经相当严重，碳纤

45、维加固后的裂缝分散效果可能不大，故不宜考虑上述的降低系数。1.4 论文主要研究内容论文的主要研究内容包括以下几个方面：（1）对正截面受弯加固梁的抗弯性能进行试验研究，考察碳纤维厚度对极限承载力的影响。分析研究各梁荷载与挠度的关系，对加固梁的破坏模式进行分析。（2）对碳纤维片材加固的钢筋混凝土梁的剥离破坏机理进行理论分析，并提出防止剥离破坏的措施。（3）建立碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的有限元分析模型，主要是选择合理的混凝土材料与碳纤维片材本构关系，使其与实际混凝土材料的刚度变化、开裂、压碎等力学特性相一致，合理考虑钢筋、混凝土及碳纤维片材之间的连接方式。利用有限元分析软件ANSYS对碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了非线性有限元分析，并将试验得到的结果与数值模拟结果进行对比，取得了较理想的结果。（4）对碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行理论分析，根据公路桥梁加固设计规范（JTG/T J222008）的极限承载力计算公式，计算出理论的极限承载力，并与试验值相比较，分析误差原因。分析加固后构件的抗弯刚度和最大裂缝宽度计算公式。第二章 CFRP片材加固RC梁的试验研究 27第二章 CFRP片材加固RC梁的试验研究2.1 引言碳纤维加固前后的钢筋混凝土梁的受力行为与破坏机理，是我们所要关注的主要问题。目前试验研究成果较多，但试验现象各不相同。为更好的