碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能
预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算
预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算高仲学;王文炜;黄辉【摘要】对6根预应力碳纤维(CFRP)布加固钢筋混凝土梁进行了预应力损失和弯曲静载试验,确定了后张预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的剥离-断裂破坏形态,得到了破坏时CFRP布的有效应变.试验结果表明,瞬时预应力损失是总损失的主要部分,而随时间依存的预应力损失仅为初始预应力的2.3％～3.9％.胶体的养护时间对瞬时预应力损失具有一定影响.使用外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁后,其正常使用性能得到明显改善,承载力有较大提高.最后,给出了预应力损失及考虑预应力损失的抗弯承载力的计算模型.计算结果表明,计算值与文献中的试验值吻合较好,使用该计算模型可以有效地预测预应力损失和加固梁的抗弯承载力.%Experimental works on six reinforced concrete (RC) beams strengthened with post-tensioned carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets were conducted to investigate the short and long-term prestress losses and flexural behaviors. The debonding-rupture (DR) failure mode was presented and the effective strain of CFRP sheet was given under DR failure mode. The experimental results show that the instantaneous prestress loss due to anchorage set is the main part of the total prestress loss and the time-dependent prestress loss is only 2.3% ~ 3. 9 % of the initial prestress of CFRP sheet. The cured period of epoxy resin affects the instantaneous prestress loss. The serviceability of strengthened beams is improved and the capacity is enhanced significantly after using the externally bonded prestressed CFRP sheet. Finally, an analytical model was proposed to calculate the prestress losses and flexural capacity of strengthened beams.The calculation results show that the calculated values agree well with the test results in literature, indicating that this analytical model is effective to predict the prestress losses and flexural capacity of strengthened beams.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)001【总页数】8页(P195-202)【关键词】预应力CFRP布;剥离-断裂破坏;预应力损失;抗弯承载力;计算方法【作者】高仲学;王文炜;黄辉【作者单位】东南大学建筑设计研究院,南京210096;东南大学交通学院,南京210096;东南大学交通学院,南京210096【正文语种】中文【中图分类】TU375.1近年来，碳纤维(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)布由于具有轻质、高强、耐久性好的优点而被广泛应用于土木工程加固领域中.普通CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验结果表明，CFRP布对限制混凝土梁开裂、提高构件刚度的作用十分有限.正常使用状态下，CFRP布的应力仅为其极限强度的 10% ～30%［1－2］.预先对CFRP布施加预应力，不仅可以有效改善被加固梁的使用性能，而且能充分利用CFRP布轻质高强的特性.对CFRP布施加预应力的方法主要有2种:先张法和后张法［3］.针对不同的施加预应力方法，国内外学者进行了预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验，重点观测了加固梁的破坏形态、承载力、CFRP布的应变、裂缝分布和开展情况、挠度及预应力损失等.此外，也有学者采用断裂力学方法、有限元法和非线性数值分析方法对加固梁的承载力、裂缝宽度和挠度进行分析计算［4－10］.然而，关于预应力损失和考虑预应力损失后加固梁的承载力的计算和分析研究还十分有限.本文在后张预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁试验的基础上，建立了考虑预应力损失的预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法.参照文献［11］，设计了8根长度为2 000 mm的矩形截面钢筋混凝土梁，截面尺寸均为150 mm×300 mm(见图1和表1).试验梁受拉和受压钢筋均为2根φ14 mm的HRB335级钢筋，弯剪区配置φ8 mm的箍筋，间距为50 mm，纯弯段的长度为600 mm.在8根试验梁中，1根为未加固的对比梁，1根为普通CFRP 布加固的对比梁，4根为一层预应力CFRP布加固梁，2根为二层预应力CFRP布加固梁.单层 CFRP布厚度为0.167 mm，布幅宽度为140 mm.图1中，P表示施加的荷载.碳纤维布为南京海拓公司生产的HITEXC300布，配套的浸渍胶为Fisher公司生产的2组分环氧树脂胶.经过单向拉伸试验，测得CFRP布的抗拉强度为3.522 GPa，弹性模量为259 GPa，其他材料(如混凝土、钢筋和胶体)的力学性能指标见表2.预应力的施加方法如图2所示.首先，将梁底打磨并使用丙酮清理干净，均匀地涂抹上一层环氧树脂胶体.然后，将CFRP布的一端锚固在梁底预埋的钢板中，另一端通过一根φ28 mm的钢筋与千斤顶连接，张拉CFRP布到预先设计的初始预应力.待张拉到位后，将CFRP布的张拉端锚固在梁底上，并在CFRP布上均匀地涂抹上一层环氧树脂，以保护CFRP布.预应力CFRP布张拉锚固完毕后，将试验梁放置在温度为(20±2)℃、相对湿度为55% ～60%的恒温恒湿环境室中，观测预应力损失.预应力的变化通过粘贴在梁底的4个应变片监测(见图2(c))，实验时间为2 500 h(约106 d).在粘贴CFRP布之前，所有加固梁均施加荷载至30 kN后卸载，用于模拟实际钢筋混凝土梁加固前的受力状态.图3和表3为预应力CFRP布的平均应变值随时间的变化情况.由图3可知，使用外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁后，20 d内CFRP布的应变明显减小，之后则基本无变化.例如，试验梁BPC-30-1的初始应变为4.856 ×10－3，实验进行20 d时减小为4.014 ×10－3，降低了8.42 ×10－4(初始应变的17.3%)，而20 d后的降低值仅为0.58 ×10－4(初始应变的1.2%).由表3可知，放张后短时间内CFRP布应力降低较为显著，为初始应力的12.6% ～18.2%.如试验梁BPC-30-1放张后的降低值为183.8 MPa，为初始应力的14.6%;后期变化不显著，降低值为初始应力的 2.3% ～3.9%.如试验梁BPC-30-1在试验进行的20～106 d内，应力降低值仅为 49.3 MPa，为初始应力的3.9%.试验结果表明，预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的预应力损失主要是瞬时损失(即放张后CFRP布和锚具间滑移引起的回缩和锚具变形所造成的损失)，随时间变化的损失则相对较小.即刻放张的试验梁BPC-30-2a和环氧树脂养护72 h后放张的试验梁BPC-30-2的瞬时损失分别为225.2和178.6 MPa(见表3).这一数值差异的主要原因在于，即刻放张时锚具和布之间的胶体仍处于流动状态，易发生滑移，对纤维布的回缩限制相对较小，应力损失较大.故对胶体进行良好的养护，可有效地降低短期的预应力损失.对比梁CL的破坏形态是典型的受拉钢筋屈服后受压区混凝土压碎的受弯破坏形式.普通预应力CFRP布加固梁BC的破坏形式首先是跨中裂缝引起的CFRP布剥离(见图4(a)).在CFRP布完全剥离之前，受压区混凝土压碎后CFRP布断裂.一层预应力 CFRP布加固的试验梁(BPC-30-1，BPC-40-1，BPC-50-1，BPC-60-1)的破坏形式为CFRP布断裂(见图4(b)).二层预应力CFRP布加固的试验梁(BPC-30-2，BPC-30-2a)破坏形式为CFRP布断裂后受压区混凝土压碎(见图4(c)).图5给出了所有试验梁的荷载－挠度曲线.表4给出了所有试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及破坏时CFRP布的应变.由表可知，随着加固量(即粘贴层数)的增加，试验梁的刚度显著增加，其延性则有所降低.对CFRP布施加预应力后，试验梁再次开裂的荷载明显增加.一层预应力 CFRP布加固梁的开裂荷载为 33.8～35.7 kN，相对于普通CFRP布加固梁的开裂荷载(16.5 kN)提高了 104.8% ～116.4%;同样地，二层预应力CFRP布加固梁的开裂荷载提高了168.5% ～222.2%.就极限荷载而言，普通预应力CFRP布加固梁和预应力CFRP布加固梁的极限荷载相对于未加固梁均有显著增加.例如，普通预应力CFRP布加固梁BC的极限荷载增加了64.6%，一层预应力CFRP布加固的梁极限荷载增加了70.6% ～80.3%，二层预应力CFRP布加固的梁极限荷载增加了145%.试验结果表明，对CFRP布施加预应力，不仅可以显著改善加固梁的正常使用性能，还可以明显增加其抗弯承载力.参照预应力筋混凝土梁，后张预应力CFRP布加固梁的预应力损失可以分为瞬时预应力损失和随时间依存的预应力损失.瞬时预应力损失又可分为2部分，即预应力CFRP布回缩和锚具变形造成的损失σl1与混凝土弹性压缩引起σl1的计算公式为式中，Ecf为CFRP布弹性模量;l为张拉端至锚固端的长度;Δa为CFRP布和锚具间滑移与锚具变形引起的CFRP布的回缩值.根据试验结果可知，对于经过3 d环氧树脂胶体养护的试验梁(BPC-30-1，BPC-40-1 和 BPC-30-2)，Δa≈1.0 mm;而对于即刻放张的试验梁 BPC-30-2a，Δa≈1.2 mm.本文中试验梁均为一次放张的预应力CFRP布，故混凝土弹性回缩引起的预应力损失σl2=0.混凝土收缩徐变引起的预应力损失可按下式计算:的预应力损失σl2.随时间依存的预应力损失也可分为2部分，即混凝土收缩徐变引起的预应力损失σl3和CFRP布松弛引起的预应力损失σl4.因此，后张预应力CFRP布加固梁的预应力损失可表示为［11］式中，εsh为混凝土收缩应变;αEcf=Ecf/Ec，Ec为混凝土的弹性模量;σpc1为扣除σl1和σl2后预应力和梁自重在CFRP布重心位置处产生的混凝土预压应力;ψb(tf，ti)为徐变系数，tf，ti分别为计算徐变时刻的混凝土龄期和施加预应力时的混凝土龄期(d);ρ为受拉钢筋和CFRP布的有效配筋率，且ρ=(As+αEcsAcf)/Ate，As为受拉钢筋截面面积，Acf为预应力CFRP布截面面积，Ate为净截面面积，αEcs=Ecf/Es，Es为钢筋弹性模量;为截面回转半径，ecfs为受拉钢筋和CFRP布的截面重心至构件截面重心轴的距离.预应力CFRP布松弛引起的预应力损失应由相应的松弛试验确定.根据文献［12］可知，该项预应力损失可由下式确定:为了验证此预应力损失计算方法的有效性，对试验梁进行了预应力损失计算，并与试验结果进行比较，结果见表3.由表可知，瞬时预应力损失的计算值与试验值吻合较好，最大差值仅为6.3 MPa，出现于试验梁 BPC-30-2上，占总损失的2.8%.随时间依存的预应力损失的计算值与试验值存在一定差距，最大差值为18.9 MPa，出现于试验梁BPC-40-1上，但仅占总损失的8.0%.总损失中最大差值为15.5 MPa，出现于试验梁BPC-30-1上，仅占总损失的6.6%.计算结果表明，按照此预应力损失计算方法能有效地预测预应力损失.极限状态时，预应力CFRP布的应变可按下式计算(见图6(a)):式中，εfe为预应力CFRP布扣除预应力损失后的有效应变;Δεf为消压后外荷载作用下CFRP布的应变增量;［εfu］为加固梁破坏时CFRP布的有效应变;εcp为混凝土梁底预压应变，且式中，Pe为扣除预应力损失后施加在梁底的预加力，且Pe=εfeEcf;ef为预应力CFRP布相对于梁重心轴的偏心距;A0和I0分别为加固梁的换算截面面积和惯性矩;ε1为梁底面初始应变，其计算公式为式中，M1为初始弯矩;Icr为未加固梁开裂截面的惯性矩;xc1为未加固梁开裂截面的受压区高度;h为梁高.式(5)中消压后预应力CFRP布的应变增量为式中，x为压区混凝土高度;εc为受压区边缘混凝土压应变.对于后张法预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁，两端存在可靠的锚固，一般不会发生端部和斜裂缝引起的剥离.多数试验梁的损伤均为跨中弯曲裂缝引起CFRP布向两端的剥离.CFRP布剥离后，在预应力和外荷载的共同作用下，CFRP布发生断裂.这种破坏形式被称为剥离－断裂(DR)破坏.为确定发生DR破坏时CFRP布的有效应变，本文对文献［2，8，13－16］以及本文中共计54根试验梁发生DR破坏时的CFRP布应变值进行了统计，结果见表5.将实测的CFRP布应变值与极限拉应变进行比较，并对数据进行分析，得到CFRP布的有效应变［εfu］为根据预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的不同破坏模式(即剥离－断裂破坏模式和受压区混凝土压碎破坏模式)，提出了预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算方法.3.3.1 DR 破坏模式如图6(b)所示，在DR破坏模式下，受压区混凝土压应变较小，可以假设混凝土为线弹性材料.根据截面水平方向力的平衡可得式中，ku=x/h0，h0为截面有效高度;αEs=Es/Ec;ρs和ρ's分别为受拉钢筋和受压钢筋的配筋率，且ρs=As/(bh0)，ρ's=A's/(bh0)，A's为受压钢筋面积，b 为梁宽;γy= εy/［εfu］，εy=fy/Es为受拉钢筋屈服应变，fy为受拉钢筋屈服强度;γm=［εfu］/Δεf;γf=hf/h，hf为 CFRP布重心至梁顶面距离;ρf为配布率，且ρf=Acf/bh.求解式(10)可得 DR破坏下的ku，则受压区混凝土高度x=kuh0.抗弯承载力的计算公式如下:式中，［ffu］=［εfu］Ecf;σ's为受压钢筋应力，且σ's≈εcEs;a'为受压钢筋重心至梁顶面距离.3.3.2 受压区混凝土压碎破坏模式如图6(c)所示，由截面水平方向力的平衡可得式中，α，β为系数，可按相应的设计规范取值;fc为混凝土轴心抗压强度;fy'为受压钢筋屈服强度;fcf为CFRP布应力，且对受压区混凝土合力作用点取矩可得此破坏模式的抗弯承载力为将混凝土的极限压应变εcu代入式(8)中，可得消压后预应力CFRP布的应变增量为为验证此抗弯承载力计算方法的有效性，对有关文献中的试验梁进行了分析计算，结果见表5.由表可知，计算值与试验值吻合较好，误差较小，故此计算方法可以有效地预测预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力.此外，对于发生DR破坏的加固梁，受压区混凝土压应变计算值均小于0.2×10－3，从而验证了混凝土为弹性材料的假定.1)后张预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的预应力损失主要是放张后CFRP布和锚具间的滑移以及锚具变形引起的瞬时预应力损失，该项损失占初始预应力的12.6% ～18.2%.时间依存的预应力损失相对较小，仅占初始预应力的2.3% ～3.9%.胶体的养护时间主要影响瞬时预应力损失;对胶体进行良好的养护，可以有效地降低CFRP布回缩造成的预应力损失.2)对CFRP布施加预应力，可显著改善加固梁的正常使用性能，其抗弯承载力相对于未加固梁也得到了较大的提高.3)提出了后张预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的破坏形态——剥离－断裂破坏，并针对该破坏形态给出了CFRP布的有效应变.4)建立了预应力损失和抗弯承载力计算方法.根据该方法得到的计算值与试验值吻合较好，误差较小.［1］Triantafillou T C，Deskovic N，Deuring M.Strengthening of concrete structures with prestressed fiber reinforced plastic sheets ［J］. 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碳纤维布增强混凝土梁的抗剪性能研究
碳纤维布增强混凝土梁的抗剪性能研究一、研究背景混凝土结构是现代建筑中最常见的结构形式之一，但是在实际应用中，混凝土结构经常会出现开裂、变形等问题。
为了提高混凝土结构的性能，近年来出现了一种新的增强材料——碳纤维布。
碳纤维布是一种具有高强度、高模量、轻质化等优点的新型复合材料，可以与混凝土结构相结合，提高混凝土结构的抗剪性能，从而提高其整体性能。
二、研究目的本研究旨在探究碳纤维布增强混凝土梁的抗剪性能，为混凝土结构的加固与修复提供理论依据和技术支持。
三、研究方法1. 实验设计本研究采用试验方法，将混凝土梁加固或修复后进行拉伸试验和剪切试验，分析其力学性能。
具体实验设计如下：（1）试验对象：混凝土梁。
（2）试验材料：碳纤维布、环氧树脂、混凝土。
（3）试验参数：碳纤维布层数、碳纤维布的粘结方式、混凝土的配合比等。
2. 实验步骤（1）制备混凝土梁。
（2）将碳纤维布粘贴在混凝土梁上。
（3）将环氧树脂涂抹在碳纤维布上，使其与混凝土梁紧密结合。
（4）等待环氧树脂干燥。
（5）进行拉伸试验和剪切试验。
3. 实验结果分析（1）拉伸试验：测量混凝土梁在拉伸过程中的变形和破坏强度。
（2）剪切试验：测量混凝土梁在剪切过程中的变形和破坏强度。
四、研究结果1. 碳纤维布层数对混凝土梁抗剪性能的影响（1）单层碳纤维布加固：可以明显提高混凝土梁的抗剪性能。
（2）多层碳纤维布加固：可以进一步提高混凝土梁的抗剪性能，但是由于碳纤维布层数过多，会使得混凝土梁的刚度变大，从而导致其在承受荷载时出现过度刚性的问题。
2. 碳纤维布的粘结方式对混凝土梁抗剪性能的影响（1）机械粘结：碳纤维布与混凝土梁之间采用机械连接的方式，可以提高混凝土梁的抗剪性能。
（2）化学粘结：碳纤维布与混凝土梁之间采用化学连接的方式，可以进一步提高混凝土梁的抗剪性能，但是需要注意化学粘结的环氧树脂的使用量，过量使用会导致粘结效果变差。
3. 混凝土的配合比对混凝土梁抗剪性能的影响（1）水灰比：水灰比过大会导致混凝土梁的强度降低，抗剪性能变差。
预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力
（ 同济大学 建筑工程系 ， 上海 ２０ ９ ） ０ ０ ２
摘
要
对顸 张拉碳 纤维布加 固钢筋 混凝 土 梁正截 面 受 弯破 坏 进行 了总 结 和分 析 ， 为加 固设 计 时应 认
避 免 出现 超 筋破坏 。针 对适 筋破 坏和碳 纤 维布拉 断 两种破 坏 模 式 ， 考虑 碳 纤 维布 的预 张拉 应 变和 构件
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｐ ｅ ｔｎ ｉ ｎ，ｃ ｒ ｏ ｂ ｒ ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｓ ｅ ｔ ｓ ｅ ｇ ｈ ｎ ｎ ，ｒ ｉ ｆ ｒｅ ｏ ｃｅ ｅ ｂ ａ ，ｂ ｎ ｉ ｇ ｙ ｒｓ ｒ— ｓ ｅ ｏ ａ ｂ ｎ ｆ ｅ ｏ ｏ ｉ ｈ ｅ ， ｔ ｎ ｅ ｉ ｇ ｅｎ ｏ ｃ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ｅ ｍ ｉ ｔ ｒ ｔ ｅ ｄｎ
ｂ ａ ｗｈ ｓ ａｌ ｒ ｏ ｅ ｉ ｒ ｓ ｉ ｇ ｏ ｏ ｃ ｅｅ ｒ ｒ ｐｔｒ ｆｃ ｒ ｏ ｉ ｅ ｏ ｅ ｍ ｏ ｅ ｆ ｉｕ ｅ ｍ ｄ ｓ ｃ ｈ ｎ ｆ ｃ ｎ ｒ ｔ ｏ ｕ ｕ ｕ ｅ ｏ ａ ｂ ｎ ｆｂ ｒ ｃ ｍｐｏ ｉｅ ｓ ｅ ｔ ｓ ｒｐｏ ｅ ｓｔ ｈ ｅ ｓ ｗａ ｐ ｏ ｓ ｄ． Ｃｏ ａ ｉ ｇ ｗｉ ｈ ｅ ｔｒ ｓ ｌｓａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｕｓｎ ｈ ｔ ｏ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｙ ｏｈ ｒｒｓ ａ ｃ ｅ ｓ ｔ ｍｐ ｒｎ ｔ ｔ ｅ ｔ ｓ ｅ ｕ ｔ ｎ ｈ ａｃ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍｅｈ ｄ ｒ ｐ ｓ ｄ ｂ ｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ，ｉ ｈ ｗａ ｏ ｎ ｈ ｔｔ ｅ ｍ ｅｈ ｄ ｐｒｐｏ ｅ ｙ ｔ ｅ ａ ｔ ｏ ｓ ｉ ｈ ｓ ｐ ｐｅ ｓ ｍｏ ｅ ａ ｐ ｉ ａ ｌ ｎ ｒ ｃｓ ． ｓｆ ｕ ｄ ｔ ａ ｈ ｔ ｏ ｏ ｓ ｄ ｂ ｈ ｕ ｈ ｒ ｎ ｔ ｉ ａ ｒｉ ｒ ｐ ｌｃ ｂ ｅ ａ ｄ ｐ ｅ ｉｅ
碳纤维布加固钢筋混凝土梁挠度的计算方法
碳纤维布加固钢筋混凝土梁挠度的计算方法1计算原理碳纤维增强混凝土梁的挠度计算，应用分析法，利用等效线性模型法进行估算。
根据矩形受压梁、工字形梁、受弯梁等各种状态下的挠度公式，可以得出碳纤维混凝土梁的挠度公式如下所示：δ＝K1×β⁄K2+δg；其中K1、K2和δg分别表示梁的挠度系数，碳纤维比例系数和零碳纤维材料挠度；2抗拉提高数值碳纤维布加固钢筋混凝土梁，其不同抗拉值可以显著提高碳纤维混凝土梁的抗弯性能，因此获得更小的挠度。
碳纤维与普通钢筋混凝土梁相比，由于碳纤维拉伸弹性模量大，因此抗拉强度也会增强，这就使得碳纤维混凝土梁的挠度显著减小。
3普通钢筋和高强钢筋的影响碳纤维加固的混凝土梁可以采用普通钢筋或高强钢筋，前者一般为A3钢筋，后者为A7钢筋。
A3钢筋的抗拉强度一般为400Mpa，而A7钢筋的抗拉强度一般能到500Mpa。
因此，采用A7钢筋——即高强钢筋时，由于其弹性模量更大，抗拉强度也更大，碳纤维混凝土梁的挠度会比采用普通钢筋的情况更小。
4水灰比的影响计算水灰比对混凝土梁的抗弯强度有重要影响，水灰比越低，混凝土的强度越高，梁的抗弯强度也越大，抗压强度也更高。
而当施加钢筋等外加力时，低水灰比水泥拌合物比较均匀，结构性能也更优越，可既降低收缩应力，抑制水平/垂直线收缩、梁挠度，又增加自重荷载强度，提高梁的安全系数和承载力。
5计算方法计算碳纤维布加固钢筋混凝土梁挠度的方法：首先，确定梁的几何形状及尺寸；其次，根据尺寸及力学原理，确定梁的抗弯性能及挠曲性能；再次，根据试验和计算结果来确定梁上碳纤维布的数量、拉力及钢筋的数量、抗拉值等；最后，根据以上参数，计算各种状态下梁的挠度。
从以上可以看出，采用碳纤维布加固钢筋混凝土梁时，采用适宜的拉伸强度、结构尺寸以及水灰比的设计，都有助于大大降低梁的挠度，提高钢筋混凝土梁的结构强度。
碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能研究
碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能研究【摘要】本文通过对碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能进行研究，探讨了该加固方法的原理、性能分析、试验方法、应用案例以及发展趋势。
通过对该加固技术的优势和局限性进行总结，提出了未来的发展方向。
研究表明，碳纤维布加固可以显著提高钢筋混凝土构件的承载能力和延性，同时具有施工方便、耐久性好等优点。
仍然存在一些局限性，如加固效果受温度和湿度等环境因素影响。
未来可以进一步研究不同环境条件下的加固效果，优化加固方案，提高加固技术的适用性和可靠性，推动碳纤维布加固技术在工程实践中的广泛应用。
【关键词】碳纤维布、钢筋混凝土构件、加固、性能研究、试验方法、应用案例、发展趋势、优势、局限性、未来发展方向1. 引言1.1 研究背景钢筋混凝土结构在工程建设中得到广泛应用，但随着使用年限的增加，结构出现裂缝、变形等问题也日益凸显。
为了延长钢筋混凝土结构的使用寿命、提高承载能力和抗震性能，在近年来，碳纤维布加固技术逐渐成为重要的改善措施。
碳纤维具有质轻、高强度、耐腐蚀等优点，能有效提高结构的受力性能，因此深受工程界的青睐。
研究发现，碳纤维布加固钢筋混凝土构件能有效修复裂缝、提高抗震性能，延长结构的使用寿命。
目前对于碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能研究还存在一定的不足，如对于加固原理的深入理解、性能分析方法的规范化、试验方法的统一等方面都有待进一步探讨和改进。
本研究旨在深入探讨碳纤维布加固钢筋混凝土构件的原理、性能分析、试验方法、应用案例以及未来的发展趋势，为该领域的研究提供重要参考依据。
1.2 研究目的研究目的是为了探讨碳纤维布加固钢筋混凝土构件的性能表现及其在工程实践中的应用情况。
具体而言，本研究旨在通过对碳纤维布加固钢筋混凝土构件的原理、性能分析、试验方法、应用案例和发展趋势进行深入探讨，以期揭示其在提高钢筋混凝土结构抗震性能、延长结构使用寿命、提高结构整体承载能力等方面的潜在优势。
通过对碳纤维布加固钢筋混凝土构件的局限性和未来发展方向进行分析，可以为相关工程领域的研究人员和工程实践者提供可靠的依据和参考，推动其在实际工程中的广泛应用和进一步完善。
碳纤维布加固混凝土梁的高温抗弯承载力——影响因素及衰减关系
碳纤维布加固混凝土梁的高温抗弯承载力——影响因素及衰减关系刘汾涛;吴波;魏德敏【期刊名称】《自然灾害学报》【年(卷),期】2009(18)6【摘要】通过引入混凝土高温等效抗压强度,提出了碳纤维布加固混凝土梁高温抗弯承载力的一种简化计算方法。
利用所提方法,考察了防火涂料设置、碳纤维布加固量、受拉钢筋配筋率、混凝土保护层厚度等参数对加固梁高温抗弯承载力的影响规律。
在大量分析结果基础上,建立了加固梁高温抗弯承载力随升温时间的定量衰减关系。
研究结果表明:(1)利用该简化方法所得加固梁的耐火极限与试验结果吻合较好;(2)实际工程中梁侧防火涂料高度可以90 mm为限,在此范围内加固梁的高温抗弯承载力随着梁侧防火涂料高度的增加逐渐增大;(3)混凝土保护层厚度越小,加固梁抗弯承载力随升温时间增加而降低的速率越大,但升温2 h以后加固梁的抗弯承载力基本按同一速率下降。
【总页数】8页(P21-28)【关键词】高温;碳纤维布;钢筋混凝土;梁;抗弯承载力【作者】刘汾涛;吴波;魏德敏【作者单位】华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TU375.1【相关文献】1.碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的衰减规律 [J], 宋力2.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯正截面承载力分析 [J], 詹妮;苏有文;李超飞;马倩雯3.碳纤维布加固混凝土梁抗弯承载力有限元分析 [J], 张浩4.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算 [J], 高仲学;王文炜;黄辉5.碳纤维布加固已承受荷载的钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究及抗弯承载力计算[J], 王文炜;赵国藩;黄承逵;任海东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算
ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎ ｇ — ｔ ｅ ｒ ｍ ｐ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｌ ｆ ｅ ｘ ｕ ｒ ａ ｌ ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ — ｒ ｕ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ（ Ｄ Ｒ）ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ
力Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ布加 固钢筋混凝土梁后， 其正常使用性能得到明显改善 ， 承载力有较大提高． 最后， 给出 了预应力损失及考虑预应力损失的抗弯承载力的计算模型． 计算结果表 明， 计算值与文献中的试
验值 吻合 较 好 ， 使 用该 计 算模 型可 以有 效地 预测 预 应力损 失和 加 固梁 的抗弯 承载 力．
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ＷＯ ｒ ｋ ｓ ｏ ｎ ｓ ｉ ｘ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ（ Ｒ Ｃ）ｂ ｅ ａ ｍｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｐ ｏ ｓ ｔ —
（ 东南大学建筑设计研究 院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） （ 东南大 学交 通学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
摘 要 ：对 ６根预 应 力碳 纤维 （ ｃ ｖ ｅ ｄ ， ） 布 加 固钢 筋混凝 土梁 进行 了预 应力 损失 和 弯 曲静 载 试验 ， 确 定 了后 张预 应力碳 纤维布 加 固钢 筋混凝 土 梁 的剥 离一 断裂 破坏 形态 ， 得 到 了破 坏 时 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ布 的有 效 应 变． 试验 结果 表 明 ， 瞬 时预 应力 损 失是 总损 失 的主 要部 分 ， 而随 时间依 存 的预应 力 损 失仅 为 初始 预 应力 的 ２ ． ３ ％ ～３ ． ９ ％． 胶体 的养 护 时 间对 瞬 时预应 力 损 失具 有 一定 影 响． 使 用 外贴 预 应
碳纤维布加固混凝土结构技术原理
碳纤维布加固混凝土结构技术原理引言碳纤维布加固混凝土结构技术是一种有效的加固方法，其原理是在混凝土构件的骨架外表面贴附上高强度、高模量的碳纤维布，通过增加混凝土构件的外抗弯、抗剪、抗扭能力，提高混凝土结构的承载能力和耐久性。
本文将介绍碳纤维布加固混凝土结构技术的原理、加固效果、设计方法、施工工艺等方面的内容。
碳纤维布的基本原理碳纤维布的特性碳纤维布由碳纤维织物和树脂矩阵构成，具有高强度、高刚度、低密度的特点，是当前较为先进的增强材料之一。
碳纤维布的拉伸强度可达到4-6 GPa，弹性模量为200-250 GPa，抗弯强度为2-3 GPa，比强度和比刚度分别接近金属的两倍和四倍。
此外，碳纤维布还具有优异的耐腐蚀、耐热、耐疲劳、不许燃等性能。
碳纤维布的加固原理碳纤维布加固混凝土结构的原理是在混凝土构件表面贴附上经过特殊处理的碳纤维布，将混凝土构件与碳纤维布黏结在一起形成复合材料，通过增加混凝土构件的截面尺寸，提高混凝土结构的拟静力强度和刚度。
在混凝土受力的过程中，碳纤维布负责承担拉力，进而抵消混凝土内部的裂缝和应力集中，增加混凝土的延展性和韧性，提高混凝土结构的承载能力和耐久性。
碳纤维布加固混凝土结构的设计方法加固原则在进行碳纤维布加固混凝土结构时，需要按照一定的原则进行设计。
加固原则包括以下几个方面：•加固的结构应为构件主要受力部位，且存在裂缝或受力不均匀的现象；•加固的结构应有足够的剩余承载能力和延展性；•加固前必须做好混凝土表面修补和清洁；•加固时应根据具体情况选用正确的碳纤维布型号、纱线密度、厚度等参数。
设计方法在进行碳纤维布加固混凝土结构的设计时，需要按照一定的方法进行。
强度设计强度设计的目的是确定加固混凝土结构的正常使用状态下的强度和刚度，并满足建筑设计要求。
强度设计应从加力、强度计算和碳纤维布布置的合理性三个方面考虑，其中：加力应满足混凝土结构的强度和刚度要求；强度计算应根据混凝土的材料性能、荷载条件、加固方式、受力形式等因素综合计算；碳纤维布布置的合理性应根据结构受力形式、受力方法、直接拉伸或弯曲等因素进行分析。
碳纤维布增强钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能试验研究
Ｖｏ． ５Ｎｏ ４ １２ ．
Ａｕ ２ ０ 晷 ０６
２０ 年 ８ ０６ 月
文章编号 ：０ １４ ７ （ ０ ６０ —０ ００ １０ —３ ３ ２ ０ ） ４０ １—４
碳 纤维 布 增 强 钢 筋 混 凝 土 梁 抗 弯 疲 劳性 能试 验 研 究
吕宏奎 刘 炎海 王希超 ， ，
关键词 ： 纤维布 ； 碳 增强 ； 钢筋 混凝 土梁； 劳 疲 中图分类号 ： ４ ． １ Ｕ４ ８ ２ 文献 标识码 ： Ａ
０ 引 言
由于 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ具有 轻 质高强 、 腐蚀 耐久性 良 耐 好， 适用面广 ， 施工质量易保证 ， 施工便捷等优点 ， 近
年来 已被广 泛应用 在桥 梁 加 固工 程 中．
Ｉ Ｉ 面 各 — 截
测 点 布 置
图 ３ 测点布置图 （ 单位 ：１ ｎｍ）
Ｆｉ． Ｔｅｔ ｏ ｉｏ ｆｂ ａ （ ｎ ｔｍｍ ） ｇ３ ｓ ｓｔ ｎ ｏ ｅｍｓ ｕ ｉ： ｐ ｉ
２ 试验成果分析
图 １ 试验梁尺寸 图（ 单位 ：１ ｎｍ）
Ｆｇ １ Ｓｚ ｆｅｐ ｒｍｅ ｔｌｂ ａ （ ｎｔｎ ｎ ｉ． ｉｅｏ ｘ ｅ ｉ ｎａ ｅ ｍｓｕ ｉ：ｕ ） 脉 动 千 斤 顶 ＼ 、Ｖ — 』 ｒ
Ｉ
＾
各梁经过 ２０ ０ 万次循环荷载后 ， 分级 加载时测
试 加载 点处钢筋 的应 变 ， 纤 维布 的应 变 ， 梁 的挠 碳 各
分 载 钢 梁
／
‘Ｊ
ｌ
度， 由这些数值可以判断碳纤维布增强钢筋混凝土 梁的效果 ， 具体分析结果如下．
一
—
Ｉ
一
４０ ０
～１ ４０ — ０
维普资讯
碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究
Pu2/ Pu1
2143 3133 1125 1100 1100 1132 1132 1124 1133 1148 1152 1160 1124 1128 1142 1133 1132 1120 1124 1164
破坏 特征
D S C# C C F F P F D D D F F F F F F# P F
一 、引言 在土木工程中 ,由于各种原因 ,经常需要
对已有建筑物进行维修 、加固 。加固方法很 多 ,碳纤维增强聚合物 ( Carbon Fiber Rein2 forced Polymer 简称 CFRP) 用于结构加固是 一项新技术[1 ,2 ] 。由于 CFRP 有很高的强度 重量比 ,极好的耐腐蚀性能及耐久性 ,施工便 捷等优点 ,在许多情况下比其它加固方法更 有优势 。但目前对用 CFRP 加固的结构的各 种性能的研究还很不深入 。本文对 CFRP 的 抗弯加固作了专题研究 ,并在 20 根梁的试验 基础上 ,对碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯 加固后 的 破 坏 特 征 及 对 梁 的 受 弯 极 限 承 载 力 、刚度等的影响进行了研究与分析 。
梁 WLc10 外 ,其它梁底的碳纤维布宽均为 140mm ; WLa , WLb 梁底的碳纤维布长 2 300 mm ,除 WLc12 梁底的碳纤维布长
2 000mm 外 ,其它 WLc 梁底的碳纤维布长1 700mm 。 ④梁 WLc10 在碳纤维布被拉断后继续加载至混凝土受压区被压坏 ,此
时的极限荷载为 120kN ,最终基准梁的极限荷载取为 125kN 。 ⑤Pcr1 , Py1 , Pu1 , Pcr2 , Py2 , Pu2分别是试验时梁加固前后的开 裂荷载 、屈服荷载 、极限荷载 ,其中梁 WLc3～WLc12 及梁 WLc14～WLc17 的 Pu1值为根据其它基准梁得到的计算值 。 ⑥C
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坏形 式 为 混凝 土 的压 碎 破 坏 。
（） ３ 钢筋应力 等于钢筋应变与其 弹性 模量 的乘积 ， 但不 大于其 强度设计值 ； （） ４ 受压区采用钢筋混凝土结构承载能力计算时的混凝土
００ ３ 经过对试验 及理论计 算结果相 比较 ， ．０ 。 得 按上述假定
梁 没有裂缝 Ｔ作 ， 纤维布延后 了裂 缝 现 的时间 ； 碳 在钢 筋 混 凝 土梁开裂 以后 ， 碳纤 维布能够约束 裂缝 的发 展 ， 随着荷
载的增大 ， 裂缝 发展 缓慢， 裂缝宽 度和高度较钢 筋混凝 土梁 小， 裂缝间距小 、 数量多 ； 钢筋屈服后， 裂缝长度 和宽度 发展
碳 纤维布 的用量 ， 固区段 的范 同， 加 混凝 土强 度， 筋率 ， 配 碳 纤 维 布端 部 锚 固情 况 以及 加 固前 构 件 的受载 情况等 。 纤 碳 维 布加固梁的破坏 与钢 筋混 凝土 梁相似 ， 亦分为三个阶段 ：
主要 按 《 建筑结 构设计 统一标 准 》（ Ｂ ６ — ４ 以概率论为 Ｇ Ｊ８ ８ ） 基础 的极限状态设计法 确定 的有关 加固计 算方法 ， 使其与结 构设 计规 范协调 ， 对桥 梁加 固设 计 计算 ， 可作为 参照 。 周爱 军 根 据 《 路桥规 》， 公 结合粘 贴碳纤 维加 固的特点 推导 单筋矩形 截面和Ｔ 型截面的碳 纤维加固钢筋混凝 土梁的抗弯 承 载力计算 方法 ， 据 《 根 公路桥规 》 取混凝 土极限压应 变为
破坏 ， 更有 效 地提 高 梁 的抗弯 承
图 １ 几 种典 型的 混凝 士 力一 变模 型 应
载力。 王滋军 等曾进行 了５ 根碳纤维加 同钢筋混凝 土梁的
抗弯试 验， 进一步研 究了碳纤维Ｕ 型箍的位置、 数量及间距等 方面对纵 向碳纤维 布锚 同性能 的影 响。 究结果表 明， 纤 研 碳 维Ｕ 型箍能够较 好地减少 碳纤维布发生剥离破 坏的可能性 ， 增强锚 固效 果 。 宽度大 的碳 纤维Ｕ型箍 比宽 度小 的锚 固效 果
我国 已颁 布实 施 《 碳纤 维 片材加 固混凝 土结 构技 术规 程 》（ Ｅ Ｓ４ ：０ ３ Ｃ Ｃ １６２ ０ 以下简称 “ 规程”） 出了相应的粘贴碳 提
好， 间距小 的要 比间距大的锚 固效果好。 型箍 对纵 向碳纤 但ｕ
维应力分布的影响不大 。 吴刚 、 杨勇新 、 叶列平 等也做了 “
在上述假 定的基础上 ， 提 了碳 纤维布加 固梁在不 同破 坏形态下承 载力 的计算方法。 这些破坏状态主要包括：（ ） １ 纵 筋屈服后混凝土压坏；（ ） ２ 纵筋屈服后碳纤维拉断；（） ３ 纵筋 、 碳纤维未屈服，昆 ？ 凝土压碎；（） ４ 纵筋恰好屈服 ， 混凝 土压碎 ；
（ ） 筋 、 纤维屈服， ５纵 碳 混凝 土未压碎 。 但在实际Ｔ程中主要 讨论前两种情况 。
应力一 应变曲线 ， 但各方法采用的曲线模式不同 ， 如图１ 所示。
Ｓ ｒｉ ＦＢ ｅ ａ ｅｇ０ ．ｒｎ ｌ ４ 等对 ８ 片采 用 不 同碳 纤维 布箍 形式 的加 固梁 进 行试 验 ， 重点 分析 了梁 的极 限 承
载 力 、 度 及破 坏 形 式 。 验 结 果 挠 试
表明， 与侧面采用 碳纤维布箍条以
似的试验及理论研究 ， 试验 结果 与理论计 算相符合。
２碳纤维布 用于二次 受力试 验梁 的加 固
２ １ 碳 纤 维 布 加 固二 次 受 力 钢 筋 混 凝 土 梁 的 试 验 ．
研 究
实际Ｔ程 中， 在采 用碳纤 维布加 固时， 钢筋混 凝土 结构
１２碳 纤维 布加 固完 好试 验梁 计算 理论 ．
理论方面 ， 根据 《 公路 钢筋混凝 土及预 应力混凝 土桥 涵 设 计规范 》［ （Ｔ ２ ２ ０ 以下简称 《 ９ Ｊ ＪＤ６ — ０ ４ １ 公路 桥规 》） 国内 及 外碳 纤维布加 固钢筋混凝 土抗弯构件 的研究成 果 ， 正截 面抗弯承载能力计算采用 下列基本假定 ： （） １ 碳纤维布与混凝土不剥离， 满足平截 面假定 ； （） ２ 截面受压混凝 土的应 力图形简化 为矩形 ， 其压力强
较快 。 时， 此 由于碳 纤维布的约束作用， 加固梁仍 然能够承受
一
及《 公路桥 规 》 的规 定 ， 导 的抗弯承 载力计 算方 法是可 推
行 的， 计算 ｍ的抗弯承 载 力具 有一定的安 全储备 ， 能够 满足 实际Ｔ 程加固设计 的要求 。 李松辉 、 利军 章 也进行 了类
定的荷载。
ｌ ■■ 试 验 研 究 Ｉ
Ｅ ｐｅ ｉ ｅ ｔ ｌ ｓ ａｒ ｈ ｘ ｒ ｍ ｎ ａ Ｒｅ ｅ ｃ
＿
不变 的情况下， 改变碳 纤维布的用量， 试验 得到不 同破坏形式
度取混凝 土的轴心抗压强度 设计值 ； 不计混凝土受拉 区的 作用；
的碳 纤维 布加固截面的弯矩一 挠度关 系曲线 ， 当碳纤维布用量
该领域 的相关研究 ， 试验研究结果与上述研究相类似 。
通过 对基于完整试验梁抗弯加固受力性能 的试验研 究，
纤 维片材 加 固矩形 截 面梁 的截 面抗 弯承 载 力计 算方 法 ， 该
规程是 以房屋建筑 和一般 构筑物的钢筋混凝 土的加固为主 ，
目前 已达 成以下共识 ： 影响碳纤 维布加 固效 果的主要凶素有
及只在底 部粘 贴碳 纤维 布 的加 固
梁相比， 采用环形布箍 的加 固梁可
￡
∞
￡：ｍ
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００ ３ ０ ５
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Ｅ Ｈ ｇ ｎ ｓａ ．ｏ ｏ ｅ ｔｄ模型
Ｋ ｎ ｎ ｖｎ ｏ ｇ ａ ｄ Ｅ ａ ｓ模型
Ｒｃ 模 型 ｉ ｈ ｈ
以更有 效地 避免 碳纤维 布的拉 脱