纖維布增強(qiáng)混凝土梁抗彎性能的國(guó)內(nèi)研究總結(jié),建筑結(jié)構(gòu)論文

纖維布增強(qiáng)混凝土梁抗彎性能的國(guó)內(nèi)研究總結(jié),建筑結(jié)構(gòu)論文由于地震、海浪侵蝕、凍融循環(huán)、酸堿環(huán)境作用、紫外線照射和超載等因素影響，我們國(guó)家大量混凝土橋梁存在局部或整體損傷，需要進(jìn)行維修加固。粘貼纖維布加固既有損傷混凝土橋梁是一種有效的加固方式方法，當(dāng)前采用的纖維種類主要有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等。橋梁構(gòu)造的突出特征是主要承受車輛荷載等疲憊荷載且所處環(huán)境復(fù)雜，抗彎疲憊性能是橋梁構(gòu)造關(guān)注的主要性能之一。研究纖維布加固混凝土橋梁抗彎疲憊性能對(duì)確保我們國(guó)家交通運(yùn)輸健康發(fā)展具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維布加固混凝土梁的抗彎疲憊性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，得出一系列重要成果。本文擬對(duì)纖維布加固混凝土梁抗彎疲憊性能研究進(jìn)行歸納總結(jié)，并結(jié)合新型纖維布-玄武巖纖維〔BFRP〕布的特點(diǎn)，提出今后纖維布加固混凝土梁抗彎疲憊性能研究建議，以便為纖維布尤其是玄武巖纖維布在混凝土橋梁加固中的應(yīng)用提供借鑒。國(guó)內(nèi)外纖維布加固混凝土梁的疲憊性能研究集中在下面幾個(gè)方面。1國(guó)外纖維布加固混凝土梁的抗彎疲憊性能研究1992年，Meier等人在EMPA〔瑞土聯(lián)邦建材檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室〕進(jìn)行了一根跨度為6m、四分點(diǎn)彎曲加載的碳纖維〔CFRP〕布加固鋼筋混凝土T梁的疲憊性能試驗(yàn).研究表示清楚：經(jīng)過(guò)纖維布加固后，由于減少了鋼筋在彎曲裂縫處的應(yīng)力集中，梁體出現(xiàn)了大量的細(xì)微裂縫。加固后的梁表現(xiàn)出良好的疲憊性能，證實(shí)了纖維布對(duì)提高混凝土梁抗彎疲憊性能的有效性。2001年，加拿大學(xué)者M(jìn)asoud等人研究了碳纖維布加固已腐蝕鋼筋混凝土梁的靜力和疲憊性能,6根梁加速腐蝕后粘貼兩種不同纖維布用于疲憊試驗(yàn)。該文指出：鋼筋腐蝕會(huì)大大降低梁的疲憊壽命；加固梁的疲憊毀壞都是由于受拉鋼筋的斷裂；腐蝕加固梁的疲憊壽命相對(duì)腐蝕未加固梁提高了2.5~6倍，但還是低于未腐蝕未加固梁。講明碳纖維布加固已腐蝕鋼筋混凝土梁是一種有效的方式方法，能夠提升構(gòu)件的性能進(jìn)而起到維修加固構(gòu)造的作用。2004年，Heffernan和Erki共同制作了20根鋼筋混凝土梁用于靜載和疲憊試驗(yàn).三組試件分別在28.2/112.0,28.2/98.0,28.2/84.1kN三種應(yīng)力幅下進(jìn)行疲憊試驗(yàn)。得到了加固梁和非加固梁的疲憊壽命、跨中撓度變化和失效形式：未加固梁的失效形式是由于鋼筋的斷裂；加固梁的失效形式是由于碳纖維布脫粘之后導(dǎo)致的鋼筋斷裂；統(tǒng)計(jì)出加固梁的疲憊壽命在三種應(yīng)力幅作用下相對(duì)于未加固梁分別提高了155%,182%,537%,并作出S-N曲線，然而本文并未擬合出S-N曲線的數(shù)學(xué)公式。Heffernan和Erki還研究了碳纖維布加固層數(shù)對(duì)梁的疲憊性能的影響，4根梁〔碳纖維布加固層數(shù)分別為0,2,4,6層〕在78.0/271.6kN應(yīng)力幅下進(jìn)行疲憊試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得梁的疲憊壽命分別為33.5,31.2,62.7,104.9萬(wàn)次，講明粘貼更多的纖維布能夠更好地提高梁的疲憊壽命。本文并未給出粘貼2層纖維布后疲憊壽命反而降低7.5%的原因。除此之外，Shahawy和SherifEl-Tawil分別進(jìn)行了碳纖維布加固混凝土T梁的靜力和疲憊性能研究,并給出了碳纖維布加固混凝土梁的設(shè)計(jì)建議。2國(guó)內(nèi)纖維布加固混凝土梁的抗彎疲憊性能研究2.1試驗(yàn)研究方面2005年，劉沐宇開(kāi)展了碳纖維布加固既有損傷混凝土梁的疲憊試驗(yàn).華而不實(shí)2片梁加靜載開(kāi)裂后分別粘貼一層和兩層碳纖維布進(jìn)行加固。得出下面結(jié)論：加固梁的疲憊壽命較未加固梁提高了60%~80%;在一樣次數(shù)的疲憊荷載作用下，加固梁的變形減少了40%~60%;加固梁的疲憊抗裂性有了較大的改善；粘貼2層碳纖維布比粘貼1層更能提高混凝土梁的抗疲憊性能。2005年，張慎偉等研究了芳綸纖維布層數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼筋混凝土加固梁疲憊性能的影響.2007年，吳澤儀研究了碳纖維布加固預(yù)裂鋼筋混凝土梁疲憊特征的試驗(yàn)研究.再次驗(yàn)證了纖維布對(duì)提高混凝土構(gòu)造疲憊性能的有效性。2006年，李子奇研究了碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在承受較高疲憊荷載時(shí)的疲憊性能,以模擬橋梁在加固后要承受較高的車輛荷載。該試驗(yàn)考慮了纖維布長(zhǎng)度、纖維布層數(shù)、纖維布的粘貼方式對(duì)加固梁疲憊性能的影響。指出其承載能力主要取決于粘結(jié)劑和混凝土的力學(xué)性能，施工質(zhì)量也是影響加固效果的關(guān)鍵因素，并指出應(yīng)采取加固措施防止碳纖維布剝離毀壞發(fā)生，如采取U形箍加固時(shí)，U形箍間距不宜大于1m.2007年，張興虎等初次對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁進(jìn)行了碳纖維布加固后的疲憊試驗(yàn)研究.試驗(yàn)表示清楚，加固后的混凝土梁經(jīng)200萬(wàn)次疲憊后，強(qiáng)度和剛度不會(huì)降低，沒(méi)有發(fā)生剝落和脆斷。并提出了外包碳纖維布梁受彎容許承載力的計(jì)算公式：普通鋼筋混凝土梁：【1】式中：Mg,Mp為容許抵抗彎矩；Ag1為等效受拉鋼筋面積；Ag2為受拉鋼筋面積；z為內(nèi)力偶臂距；g為鋼筋容許應(yīng)力；w1為換算后等效截面模量；w2為原等效截面模量；p為混凝土容許拉應(yīng)力。計(jì)算值與試驗(yàn)值比擬，計(jì)算值比擬保守，采用理論公式計(jì)算偏于安全。2008年，張彬等進(jìn)行了高強(qiáng)復(fù)合玻璃纖維加固鋼筋混凝土梁的疲憊性能試驗(yàn)研究,加固梁以5/19,5/27.5,5/36,5/44,5/53kN四種不同的應(yīng)力水平進(jìn)行疲憊試驗(yàn)。擬合出加固梁的疲憊壽命曲線即S-N曲線：S4.246N=8.772101,得到加固梁的鋼筋疲憊極限為136.54MPa.2018年張偉平等研究了鋼筋銹蝕率、碳纖維布加固量、應(yīng)力水平等因素對(duì)已腐蝕鋼筋混凝土梁抗彎疲憊性能的影響.該文指出隨著鋼筋銹蝕率的增加，梁的疲憊壽命急劇縮短；荷載水平提高以及加固前的損傷均會(huì)降低混凝土梁的疲憊壽命；給出了銹蝕鋼筋混凝土梁抗疲憊加固設(shè)計(jì)建議：當(dāng)荷載較大時(shí)，受壓區(qū)混凝土可能先發(fā)生疲憊毀壞，銹蝕鋼筋混凝土梁抗疲憊加固設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)驗(yàn)算受壓區(qū)混凝土的抗疲憊性能。在實(shí)際加固工程中可由加固梁的期望疲憊壽命能夠確定加固梁中銹蝕鋼筋的允許應(yīng)幅，并確定最小碳纖維布加固量。然而該試驗(yàn)并未給出不同應(yīng)力幅作用下加固梁的疲憊壽命，因而沒(méi)有得到碳纖維布加固鋼筋混凝土的S-N曲線。除此之外，2018年鄧宗才等進(jìn)行了芳綸纖維布加固已腐蝕混凝土梁疲憊性能研究,再次驗(yàn)證了纖維布能夠明顯提高已腐蝕混凝土梁的疲憊壽命。2018年，楊勇新初次研究了玄武巖纖維布對(duì)混凝土加固梁抗彎疲憊性能的影響.采用玄武巖纖維布進(jìn)行加固后，梁的抗疲憊性能得到極大改善；粘貼2層與1層玄武巖纖維布后疲憊壽命分別提高了235%和66%;50萬(wàn)次時(shí)，其疲憊變形分別減小了35.40%和26.04%.在纖維布與混凝土粘結(jié)可靠的情況下，若梁的配筋率不超過(guò)2.5%,加固梁發(fā)生鋼筋疲憊斷裂毀壞的可能性極大。2.2理論分析方面劉沐宇通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)梁截面符合平面假定，受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變?cè)谄v荷載作用下呈線性分布，得到混凝土疲憊變形模量的計(jì)算公式為：【2】2006年，同濟(jì)大學(xué)陳永秀等進(jìn)行了7根碳纖維布加固矩形截面簡(jiǎn)支梁的疲憊荷載試驗(yàn),分析了材料應(yīng)變、跨中撓度和疲憊剛度降低系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，得到彎曲受壓彈性模量Ew、彎曲受壓疲憊彈性模量Ewf和軸心受壓彈性模量Ec的關(guān)系：【3】2007年路淼根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)修正Balaguru-Shah的混凝土殘存余留應(yīng)變計(jì)算公式，采用等效截面法得到了碳纖維布加固梁疲憊剛度的理論計(jì)算公式，再根據(jù)材料力學(xué)的公式得到梁的撓度為：f=SMl02/BN,撓度系數(shù)S=23/432,理論計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，講明給出的關(guān)于碳纖維布加固開(kāi)裂鋼筋混凝土梁的疲憊剛度的理論計(jì)算方式方法能夠知足工程設(shè)計(jì)的精度要求。遺憾的該試驗(yàn)只針對(duì)粘貼一層碳纖維布和C30混凝土加固梁的比照情況，并未給出其他的層數(shù)和其他混凝土強(qiáng)度等級(jí)下的比照值，該公式的實(shí)用性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。東南大學(xué)張娟秀進(jìn)行了粘鋼和粘貼碳纖維布加固混凝土梁的疲憊試驗(yàn)研究和非線性有限元分析,采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行數(shù)值模擬。所建立的空間模型中，混凝土選用Solid65單元，鋼筋選用用PIPE20單元，鋼板和CFRP布均采用Shell41單元?；炷敛捎肕ises委屈服從準(zhǔn)則；鋼筋、鋼板為理想彈塑性材料，應(yīng)力-應(yīng)變呈雙線彈性關(guān)系；碳纖維布布線彈性材料。只考慮鋼筋的疲憊毀壞形態(tài)而不考慮碳纖維布布與混凝土完的剝離毀壞，同時(shí)假定鋼筋與混凝土的無(wú)粘結(jié)滑移.通過(guò)計(jì)算表示清楚ANSYS數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。3瞻望從現(xiàn)有纖維布加固混凝土梁抗彎疲憊性能研究成果看，多針對(duì)碳纖維布展開(kāi)，這和碳纖維布在工程實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛是相適應(yīng)的。玄武巖纖維是由天然火山噴發(fā)構(gòu)成的玄武巖礦石經(jīng)粉碎、高溫熔融后，拉絲而成的連續(xù)纖維材料，是一種無(wú)機(jī)可自然降解的新型環(huán)保復(fù)合材料，具有造價(jià)低、耐腐蝕、耐高溫、抗疲憊等優(yōu)良性能.玄武巖纖維布是采用玄武巖纖維加工而成的新型纖維加強(qiáng)復(fù)合材料，其價(jià)格僅為碳纖維布的1/6,而二者力學(xué)性能相近；BFRP布與玻璃纖維布力學(xué)性能相當(dāng)，并優(yōu)于芳綸纖維布；在抗高溫性能方面，BFRP布高于CFRP、玻璃纖維和芳綸纖維布。固然當(dāng)前BFRP布抗拉強(qiáng)度和彈性模量較CFRP布低，但其綜合延性、成本、耐腐蝕性及抗高溫性具有很大優(yōu)勢(shì)。隨著B(niǎo)FRP布在構(gòu)造加固領(lǐng)域的推廣應(yīng)用及生產(chǎn)規(guī)?；鋬r(jià)格還會(huì)進(jìn)一步降低。將BFRP布應(yīng)用于混凝土構(gòu)造加固，無(wú)疑具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益及應(yīng)用前景，開(kāi)展BFRP布在混凝土構(gòu)造加固中的研究已成為該領(lǐng)域熱門.開(kāi)展玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲憊性能研究，對(duì)在主要承受疲憊荷載混凝土構(gòu)造加固中的應(yīng)用具有特別重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。即使對(duì)應(yīng)用最為廣泛的碳纖維布，在加固混凝土梁抗彎疲憊性能研究方面仍需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。筆者建議應(yīng)結(jié)合玄武巖纖維布的推廣應(yīng)用，從下面幾方面開(kāi)展工作：〔1〕開(kāi)展BFRP布加固混凝土梁在變應(yīng)力幅和高應(yīng)力幅作用下的疲憊性能研究。在加固橋梁的運(yùn)營(yíng)階段，實(shí)際荷載提高并伴有超載現(xiàn)象發(fā)生，因而對(duì)于加固后的橋梁在變應(yīng)力幅和高應(yīng)力幅作用下的疲憊性能有待于進(jìn)一步研究?！?〕損傷程度對(duì)BFRP布加固混凝土梁疲憊性能影響。橋梁在使用經(jīng)過(guò)中存在一定的損傷，由于環(huán)境作用和人為因素的影響，損傷會(huì)進(jìn)一步加劇，需要對(duì)其進(jìn)行維修加固。然而國(guó)內(nèi)外大量的研究大都是針對(duì)完好梁進(jìn)行的，這與實(shí)際情況有所差異不同。因而，應(yīng)開(kāi)展加固既有損傷橋梁的疲憊性能研究。由于荷載歷程、所處環(huán)境不同，需要加固的混凝土橋梁損傷程度存在差異不同，探尋求索不同損傷程度下BFRP布加固混凝土橋梁的疲憊性能，可為既有損傷混凝土橋梁構(gòu)造加固奠定理論基礎(chǔ)?！?〕混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)BFRP布加固混凝土梁疲憊性能影響。早期和近年修建的橋梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)差異較大，而混凝土強(qiáng)度對(duì)纖維布-混凝土界面粘結(jié)性能有直接影響。為把握混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)BFRP布加固混凝土橋梁構(gòu)造力學(xué)行為、纖維剝離、粘結(jié)滑移、失效機(jī)制等的影響，應(yīng)開(kāi)展混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)BFRP布加固混凝土梁疲憊性能影響研究。〔4〕開(kāi)展環(huán)境和疲憊荷載耦合作用下BFRP布加固混凝土梁的疲憊性能研究。凍融循環(huán)、干濕交替、溫度變化、酸堿鹽腐蝕和紫外線輻射等環(huán)境因素會(huì)加速混凝土構(gòu)造的損傷和疲憊毀壞。因而，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境作用和疲憊荷載耦合下混凝土加固梁的疲憊性能研究?！?〕BFRP布加固混凝土橋梁構(gòu)造失效機(jī)理。通過(guò)對(duì)以上BFRP布加固混凝土試驗(yàn)梁毀壞形態(tài)、毀壞機(jī)制分析，應(yīng)研究BFRP布加固混凝土構(gòu)造失效原因，弄清其失效機(jī)理，為采用BFRP布加固混凝土橋梁構(gòu)造應(yīng)用研究提供根據(jù)?！?〕加強(qiáng)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合。當(dāng)前對(duì)纖維布加固構(gòu)造的疲憊性能研究主要依靠于試驗(yàn)研究，疲憊試驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異使得數(shù)值模擬變得非?？焖?，因而開(kāi)展數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合變得非常有必要。參考文獻(xiàn)[1]MEIERU,DEURINGM,MEIERH,etal.StrengtheningofstructureswithCFRPlaminates:researchandapplicationsinSwitzerland[C]//AdvancedCompositeMaterialsinBridgesandStructures.NealeKW,LabossiereP.CanadianSocietyforCivilEngineers.[2]SOBHYMASOUD,KHALEDSOUDKL,TIMOTHYTOPPEER.PostrepairfatigueperformanceofFRP-repairedcorrodedRCbeams:experimentalandanalyticalinvestigation[J].JournalofCompositesforConstruction,2005〔5〕:441-449.[3]HEFFERMANPJ,ERKIMA.Fatiguebehaviorofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithcarbonfiberplasticlaminates[J].JournalofCompositesforConstruction,2004〔3〕:132-140.[4]MOHSENSHAHAWY,HOMASE,BEITELMAN.StaticandfatigueperformanceofRCbeamsstrengthenedwithCFRPlaminates[J].JournalofStructureEngineering,1999,125〔6〕:613-621.