【文章內(nèi)容簡介】 ，應(yīng)用于橋梁工程中的項(xiàng)目遠(yuǎn)多于民用建筑?？傮w來看，國外研究、應(yīng)用 CFRP增強(qiáng)技術(shù)較早，目前已進(jìn)入該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的成熟階段。 目前 CFRP 在國內(nèi)外土木工程中應(yīng)用越來越多，在未來幾年中還會加大對 CFRP的需求，其范圍將越來越廣，尤其在橋梁工程和近海岸工程中。全面了解這種材料的性能，才能更好地將其運(yùn)用于實(shí)際工程中。CFRP即在土木工程中的應(yīng)用主要有 2種途徑 :較多的是對已有結(jié)構(gòu)的改造、翻新和加固，這屬于事后增強(qiáng)，即結(jié)構(gòu)受載后增強(qiáng) 。另一種事前增強(qiáng)，即在結(jié)構(gòu)受載前，以 CFRP 完全或部分代替鋼材用于結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。事先增強(qiáng)的研究有一種用 CFRP 筒體兼作模板，內(nèi)部澆筑鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式一 CFRP 筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究引起很多專業(yè)人士的重視 。美國加利福尼亞大學(xué)科研組創(chuàng)造出一種稱作 先進(jìn)復(fù)合材料斜拉橋系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)，其橋塔采用碳纖維復(fù)合材料預(yù)制管內(nèi)填混凝土，預(yù)制管具有混凝土外模板和塔柱配筋雙重作用。管殼內(nèi)壁設(shè)有肋條，以增強(qiáng)與混凝土的粘接。斜拉橋的加筋梁也采用復(fù)合材料預(yù)制管混凝土交各向異性的，同時(shí)在軸向和徑向?qū)炷疗鸺s束作用，它不僅提高柱的強(qiáng)度和延性，而且防腐性好。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 國內(nèi)外對 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究 現(xiàn)階段國內(nèi)外 FRP 加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究主要集中在受彎加固上 ，主要分為無損傷缺陷鋼梁的加固和損傷鋼梁的加固。 FRP 加固鋼梁的試驗(yàn)研究最早始十 20 世紀(jì) 90 年代中期，美國Delaware 大學(xué)對無損傷缺陷的工字型鋼梁進(jìn)行研究。近十多年來，國內(nèi)外陸續(xù)對各種形式的鋼梁加固進(jìn)行研究，主要包括工字型截面鋼梁、矩形截面鋼梁、鋼板梁、鋼一混凝土組合梁。 Mertz等人采用 GFRP 對跨度為 1372mm，型號為 W8x10 的工字型截面鋼梁進(jìn)行加固試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，這些鋼梁的失效模式是 GFRP板發(fā)生斷裂或者 GFRP 層間發(fā)生分 層，沒有觀察到 GFRP 和膠層之間的剝離破壞，加固后鋼梁的剛度、屈服荷載和極限荷載分別提高 15%、 23%和 78%。 和 將厚 的 CFRP 板粘貼到薄壁工字型鋼梁腹板兩側(cè)，鋼梁的破壞形式是腹板屈曲的剪切破壞，試驗(yàn)結(jié)果表明，加固后鋼梁的抗剪承載能力提高 26%。國內(nèi)侯發(fā)亮等人對工字型截面梁、矩形截面梁和鋼板梁采用 FRP 加固后進(jìn)行一系列試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，加固后抗彎承載能力都有所提高，提高的程度與 CFRP加固量有關(guān)。鋼結(jié)構(gòu)橋梁中常采用鋼一混凝土組合梁，對鋼一混凝工 組合梁的加固也是一個研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。 Sen 等人對鋼材屈服強(qiáng)度分別為310MPa,370MPa 的組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，跨度為 6100mm 的 W8x24 的工字型鋼梁，上面是厚度 114mm,寬度 710mm 的混凝土板，分別用 2mm和 5mm 厚的 CFRP 板粘貼到受拉翼緣底部進(jìn)行加固， CFRP 板的長度為，寬度為翼緣寬度，彈性模量為 114GPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼材屈服強(qiáng)度為 310MPa 的組合梁分別采用 2mm 和 5mm 厚的 CFRP 加固后，承載能力分別提高 21%和 52%；鋼材屈服強(qiáng)度為 370MPa 的組合梁承載能力分別 提高 9%和 32%。 Tavakkolizadeh 和 Saadatmanesh 對 3 根屈服強(qiáng)度為 335MPa 的組合梁采用 CFRP 薄板加固進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用凈跨為 780mm的 W14x30 的工字型鋼梁，鋼梁上面是厚度為 75mm，寬度為 910mm的混凝土板。鋼梁下翼緣底部沿梁全長粘貼兩道寬度為 76mm，6 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 厚度為 的 CFRP 薄板。四點(diǎn)受彎試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼梁底部分別粘貼 1,3,5 層 CFRP薄板時(shí)，組合梁的極限承載能力與未加固構(gòu)件相比，分別提高 44%,51%,76%，而剛度提高不明顯。 Abdullah 和ASaidy 對組合梁進(jìn)行的加固試驗(yàn)研究表明，其極限承載能力與未加固構(gòu)件相比，分別提高 21%和 45%。 從上面介紹的 FRP 加固無初始損傷缺陷鋼梁的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼梁加固后的承載能力有一定提高，但剛度大部分沒有明顯變化。已有的試驗(yàn)結(jié)果表明，加固效果的離散性比較大，隨著粘貼的纖維量、纖維的彈性模量、鋼材的彈性模量、鋼材的屈服強(qiáng)度的不同，加固效果也不同。 對存在損傷的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固試驗(yàn)研究，主要采用受拉翼緣切口、腹板鉆孔等方法模擬鋼梁的損傷?；蛑苯訌默F(xiàn)場舊橋梁中選取存在銹蝕損傷的鋼梁。對受拉翼緣存在損傷缺陷的工字型鋼梁采用 CFRP加固后，主要破壞模式是在切口損傷處 CFRP 與鋼梁間的剝離破壞，并隨著剝離的發(fā)展，最后 CFRP 發(fā)生斷裂。而 CFRP 加固存在損傷的組合梁的破壞模式主要有 5 種：混凝土被壓碎、 CFRP與鋼梁剝離、 CFRP 被拉斷、鋼梁的翼緣或腹板屈曲、混凝土與鋼梁間的剪力件破壞，通常是幾種破壞模式的組合。試驗(yàn)結(jié)果表明，存在損傷缺 陷鋼梁用高模 量的 CFRP 板加固后，剛度基本能恢復(fù)到未損傷情況下鋼梁剛度的 90%以上 。極限承載能力的提高隨著加固量和損傷大小而不同，在損傷情況相同的條件下，隨著抗彎加固率指標(biāo) Nb 增大而增大。 CFRP在切口損傷處與鋼梁的剝離破壞是一個非常普遍與重要的現(xiàn)象，切口損傷越嚴(yán)重，剝離破壞越明顯。雖然實(shí)際結(jié)構(gòu)中很少出現(xiàn)試驗(yàn)中嚴(yán)重切口損傷的情況，但 CFRP 片材與鋼梁的剝離問題應(yīng)引起足夠重視，并應(yīng)采取有關(guān)措施延緩或避免剝離破壞的出現(xiàn)，從而充分利用CFRP 的高強(qiáng)性質(zhì)。 Shulley 等人還對 6 根腹板存在損傷的工字型鋼梁進(jìn) 行了加固試驗(yàn)研究，鋼梁的跨度為 711mm，在距鋼梁支座 178mm的腹板中部用直徑為 100mm的圓孔模擬腹板的損傷。采用不同種類的 CFRP片材進(jìn)行加固。結(jié)果表明，所有的鋼梁在圓孔處的 CFRP片材都發(fā)生了與鋼腹板的剝離，且承載能力都沒有得到顯著提高。而 和 對沒有損傷的鋼梁粘貼 CFRP板到腹板兩側(cè)卻使鋼梁的抗剪承載能力提高 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26%。兩個試驗(yàn)結(jié)果差異很大，一方面是由十后者加固量比前者大 。更重要的原因是前者由十腹板圓孔的存在使得過早生 CFRP與鋼腹板之間的剝離破壞。這也說明采取措施延緩或避免剝離破壞的重要性。 （壓）構(gòu)件加固 對受拉（壓）構(gòu)件的加固試驗(yàn)研究不如受彎構(gòu)件多，但最近幾年這方面的研究逐漸增多。 Shaat 等人進(jìn)行 CFRP 片材加固不同長細(xì)比的空心方管柱的可行性研究，并且已經(jīng)完成了對空心方管短柱 CFRP加固后的受壓性能研究。他們先沿方管環(huán)向纏繞一層 CFRP布，避免可能發(fā)生的電化學(xué)腐蝕，然后在沿環(huán)向或縱向粘貼若干層 CFRP布。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿方管環(huán)向粘貼 CFRP布的加固效果遠(yuǎn)比縱向好，極限承載力提高 18%。當(dāng)沿縱向 CFRP 加固時(shí)，破壞形式是 CFRP 布與鋼結(jié)構(gòu)的剝離破壞。當(dāng)采用環(huán)向 CFRP 加固時(shí)則不會發(fā)生 CFRP 布與鋼結(jié)構(gòu)之間的剝離和 CFRP布斷裂的現(xiàn)象，鋼柱最后發(fā)生局部屈曲破壞。 MissouriRolla大學(xué)研究了用 FRP管加固銹蝕損傷鋼柱抗壓承載能力的可行性。研究人員在鋼柱存在銹蝕損傷的部位先套上 FRP 管，然后在 FRP 管內(nèi)澆筑膨脹輕質(zhì)混凝土，使鋼柱進(jìn)行受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種方法加固后，承載能力普遍比未加固構(gòu)件提高 150%以上。 西安交通大學(xué)的馬建勛等人對采用碳纖維布粘貼加固后 的鋼板進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)，研究了 CFRP 布對試件屈服荷載、承載力和延性的影響，并對 CFRP 布與鋼板的共同工作問題進(jìn)行了初步分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼板采用 CFRP 布雙面粘貼后，屈服荷載可提高 16%18%，極限荷載可提高 16%25%，破壞模式是 CFRP 布被拉斷，主要是斷面附近或CFRP 布端部發(fā)生脫膠，隨著脫膠程度和位置不同，極限承載能力不同，這也充分說明膠粘劑對鋼構(gòu)件加固中起著非常重要的作用。 當(dāng)鋼板經(jīng)碳布加固后，形成了一種新的組合構(gòu)件，這種新的結(jié)構(gòu)體系之所以能較原結(jié)構(gòu)有更高的承載力，一個重要的原因就 是鋼和碳纖維布能夠較好的共同工作。在拉伸試驗(yàn)后期碳纖維布和鋼結(jié)構(gòu)之所以不能很好的共同工作，是因?yàn)檎辰Y(jié)劑的剪切強(qiáng)度下降，導(dǎo)致構(gòu)件局部脫膠所造成的。粘貼工藝和膠的強(qiáng)度是碳纖維加固工作中極其重要的環(huán)節(jié)，做不好就難以達(dá)到預(yù)期的效果。有關(guān)粘貼劑與鋼結(jié)構(gòu)的粘貼問題有待進(jìn)一步研究。 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 從國內(nèi)外至今所有的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果看，采用 FRP 加固后的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，疲勞損傷的剩余疲勞壽命均成倍增長，加固效果十分明顯。因此，這是一個有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究方向。 Delaware 大學(xué)的研究人員對從一座舊橋梁取出時(shí) 2 根存在銹蝕損傷鋼梁，采用 CFRP 板加固后進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，在 34MPa的應(yīng)幅下，經(jīng)過 1000 萬次應(yīng)力循環(huán)沒有發(fā)生 CFRP板與鋼梁的剝離破壞，這說明加固后鋼梁具有很好的抗疲勞性能。 Bassetti 等人試驗(yàn)研了采用預(yù)應(yīng)力 CFRP 板來延緩裂紋擴(kuò)展速率從而提高鉚接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命試驗(yàn)第一階段對中心帶裂紋的小尺寸鋼板采用 112mm厚的預(yù)應(yīng)力 CFRP板后進(jìn)行加固處理，在 80MPa 的應(yīng)力幅和 的應(yīng)力比的循環(huán)荷載作用下，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，裂紋擴(kuò)展速度顯著降低，疲勞 壽命提高最高達(dá) 16 倍。 Tavakkolizadeh 和 Saadatmanesh 對 21 根 小尺寸 A36 工字型鋼梁進(jìn)行四點(diǎn)受彎試驗(yàn)研究。梁跨中受拉翼緣兩邊各被切割一道長 寬 的切口模擬損傷疲勞裂紋 ,CFRP 板長度為 300mm,寬度與梁的下翼緣相同，厚度為 ，纖維方向與切口方向垂直。試驗(yàn)結(jié)果表明， CFRP 加固過的鋼梁試件與未加固相比，當(dāng)應(yīng)力幅為 207MPa和 345MPa時(shí)，疲勞壽命分別提高 倍。 等人對 21個含邊裂紋和 8個含中心裂紋的受拉構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，考察了 CFRP類型、長度、寬度、單面或雙面粘貼、裂紋擴(kuò)展前后粘貼等因素對加固效果的影響。對十含邊裂紋命與未加固構(gòu)件相比最大提高 115%。對于含中央裂紋鋼板，當(dāng)雙面粘貼加固時(shí)，加固后構(gòu)件的剩余疲勞壽命與未加固構(gòu)件相比最大提高 54%。 國內(nèi)張寧等人對兩組十字形橫肋小試件進(jìn)行在拉一拉循環(huán)荷載作用下的疲勞試驗(yàn)研究。小試件采用 3 塊寬 70mm、厚度分別為 20mm 和25mm 的鋼板焊接而成，制作了 2組試件，每組 10 個， 1 組 未加固，為原狀焊縫，另 1 組碳纖維加固，碳纖維粘貼方向與焊縫垂直，粘貼寬度與鋼板相同。試驗(yàn)采用等幅疲勞試驗(yàn)加載程序，波形為正弦波，頻率為 500 次 /分，試驗(yàn)溫度為 200℃ 260℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，在等應(yīng)力幅、等應(yīng)力值、應(yīng)力比相同等條件下，粘貼有碳纖維布的試件較原來試件疲勞性能有大幅度改善，疲勞壽命可以提高 318%。從上面試驗(yàn)可以看出， CFRP 粘貼加固疲勞損傷的鋼結(jié)構(gòu)，可以有效提高其疲勞剩余壽命。 鄭云等人采用斷裂力學(xué)的方法對 CFRP 加固疲勞損傷的裂紋鋼板來改善其剩余疲勞壽命進(jìn)行了理論分析。采用基于線彈性 斷裂力學(xué)理論，用有限元模型對表征疲勞裂紋擴(kuò) 沈陽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 展速率的裂紋前端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算分析，并與相關(guān)文的算例和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對，有較好的準(zhǔn)確性。通過引入Paris2Erdogan 裂紋擴(kuò)展模型，采用 CFRP 雙面粘貼加固后鋼板的剩余疲勞壽命得到顯著提高，從理論上驗(yàn)證了用 CFRP 加固疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)是非常有前途的一種加固方法。 預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)是最近一段時(shí)間提出的加固新方法?，F(xiàn)有的試驗(yàn)研究很少，基本都處在理論研究階段。 CFRP 對鋼結(jié)構(gòu)的承載力有一定的提高，為了進(jìn)一步利用 CFRP 良好的抗拉強(qiáng)度，江克斌與許特等人將傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)與 CFRP加固技術(shù)相結(jié)合介紹了一種預(yù)應(yīng)力 CFRP加固方法。預(yù)應(yīng)力 CFRP 技術(shù)就是在應(yīng)用 CFRP 對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，首先對 CFRP 拉伸，然后將拉伸狀態(tài)的 CFRP 與鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接，待二者粘接可靠后將預(yù)應(yīng)力設(shè)備撤收。在進(jìn)行了理論公式的推導(dǎo)后，對長5000mm，高 200mm，寬 100mm的矩形截面鋼梁進(jìn)行了非線性分析。并證明了理論計(jì)算方法的適用性。趙啟林等人提出了 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)的反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)。其基本思路是 :首先 利用已經(jīng)成熟的體外預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)，在結(jié)構(gòu)使用荷載的反方向施加荷載，消除已有變形并且使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的變形，在該變形狀態(tài)下粘貼 CFRP，當(dāng) CFRP與鋼結(jié)構(gòu)梁等結(jié)構(gòu)粘貼可靠后撤收施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備。推導(dǎo)了理論公式并用有限元分析了公式的適用性。預(yù)應(yīng)力加固現(xiàn)處在起步階段，將是今后重點(diǎn)研究的一個方向。 目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)對纖維復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)作了大量的研究，并且己發(fā)表了很多有關(guān)這方面的論文，其中絕大多數(shù)的研究成果是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的。然而由十受 試驗(yàn)條件和經(jīng)費(fèi)的限制，試驗(yàn)所能提供的數(shù)據(jù)通常是有限的。 有限元法為研究纖維復(fù)合材料增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)受力性能提供了一種有效工具。有限元分析大多采用 ANSYS,ABAQUS、等大型有限元分析軟件，這些軟件對各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算具有很好的適用性。