【正文】 （） （）同樣的，新結(jié)構(gòu)的正截面承載力可以仿照上述方法、建立計(jì)算承載力的平衡方程，為了對(duì)應(yīng)上述的各種破壞形式，在外粘貼材料的強(qiáng)度項(xiàng)前面乘以一個(gè)系數(shù)來確定阻裂材料在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所達(dá)到的受力狀態(tài)。假定粘貼的阻裂材料和混凝土的粘結(jié)良好而共同工作，且結(jié)構(gòu)的變形符合平截面假定，考慮阻裂層的受力系數(shù)。表示阻裂材料失效（屈服）破壞；，同樣的，可以寫出新結(jié)構(gòu)彎曲破壞時(shí)的平衡方程，仍?。▽?shí)際上，由于受壓區(qū)高度的增大，混凝土的材料安全系數(shù)應(yīng)該取得稍小一點(diǎn)）： （） （）——受彎構(gòu)件計(jì)算截面的承載能力；——混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度(新結(jié)構(gòu)中，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度較大)；——鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；——阻裂材料的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；——阻裂材料的受力系數(shù)，反映阻裂材料在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的受力情況，；——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按等效矩形應(yīng)力圖的計(jì)算受壓區(qū)高度；——新結(jié)構(gòu)按等效矩形應(yīng)力圖的計(jì)算受壓區(qū)高度， ；b——截面寬度；——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面有效高度； ——新的復(fù)合結(jié)構(gòu)阻裂層的中心到梁的頂面高度；、——鋼筋截面的面積、阻裂材料截面的面積；、——混凝土、鋼筋和阻裂材料的安全系數(shù)。從以上的方程、公式（）和（）的對(duì)比可以看出，由于復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)中的外粘貼阻裂層對(duì)于最終抗彎能力的貢獻(xiàn)，易知：新結(jié)構(gòu)的極限抗彎能力將有所提高，提高的幅度與粘貼的阻裂材料的面積和強(qiáng)度有關(guān)。由本節(jié)以上的分析可知，復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)在相同的荷載水平下，裂紋的擴(kuò)展較為緩慢，因此結(jié)構(gòu)的整體性較強(qiáng)。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪性能很大程度上依靠混凝土的整體性，在復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)中，混凝土的整體性在同樣的荷載水平下相對(duì)于普通混凝土結(jié)構(gòu)而言，整體性較好，于是新結(jié)構(gòu)的抗剪性能將有所提高。從上面對(duì)復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的各方面的分析可以看出，復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的性能大為改善，具有良好的力學(xué)特性。從以上的理論分析可知：在截面相同、配筋相同和跨度相同的情況下，復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，各方面的性能都大為改善。基于上述的理論分析，可以提出新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想：如果要達(dá)到和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相同的承載力，采用新結(jié)構(gòu)可以減少鋼筋的用量；或者可以減小截面的面積以減輕自重；或者可以在鋼筋用量和截面面積不變的情況下增加結(jié)構(gòu)的跨度。從理論上講，新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是能夠達(dá)到的，并且有希望在達(dá)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力的情況下有更好的工作性能。但是理論的前提是：復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的構(gòu)造必需保證阻裂層和鋼筋混凝土共同工作，且破壞時(shí)應(yīng)該保證鋼筋屈服，避免上一節(jié)中描述的（4）、（5）兩種破壞形式。順便指出，在粘鋼和粘貼碳纖維技術(shù)中，常常發(fā)生（4）（5）兩種破壞形式。為此，必須慎重地選擇阻裂材料，并處理好新結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。第四章 阻裂材料的確定和新結(jié)構(gòu)的制作工藝為了驗(yàn)證復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，應(yīng)該做實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為此必須進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。而在實(shí)驗(yàn)中用什么材料作阻裂材料；如何保證阻裂結(jié)構(gòu)層和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作；如何提高界面的斷裂特性；如何制作新結(jié)構(gòu)等一些問題必須首先予以解決，否則，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)便無從下手。本章根據(jù)前面的理論分析，確定了用玻璃鋼作為外粘貼阻裂材料；確定了用以粘貼阻裂材料的結(jié)構(gòu)膠應(yīng)該達(dá)到的力學(xué)性能；確定了新結(jié)構(gòu)的制作工藝；為新結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)工作奠定了理論基礎(chǔ)。從復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的破壞形式出發(fā)，設(shè)計(jì)時(shí)最理想的破壞形式應(yīng)該是：鋼筋首先屈服，然后阻裂材料屈服（至少保證破壞時(shí)鋼筋屈服），最后混凝土受壓破壞，在整個(gè)受力過程中不出現(xiàn)阻裂材料和混凝土脫離的現(xiàn)象?；谛陆Y(jié)構(gòu)的破壞形式，阻裂材料的選擇主要考慮以下三個(gè)方面的因素：第一、阻裂材料的彈性模量；第二、阻裂材料的強(qiáng)度；第三、阻裂材料的延伸率，以保證結(jié)構(gòu)有比較理想的破壞形式。阻裂材料的彈性模量應(yīng)該從阻裂材料和混凝土之間的粘結(jié)界面的斷裂特性角度考慮分析。為了保證界面的斷裂特性，阻裂材料的彈性模量應(yīng)該比較適中，太大了會(huì)導(dǎo)致阻裂材料過早地和混凝土分離而失去阻裂作用。為了保證阻裂材料和鋼筋混凝土共同受力，應(yīng)該采用彈性模量比較適中的阻裂材料，最好是和混凝土的彈性模量相一致的阻裂材料。這就是文獻(xiàn)中所稱的“彈性模量匹配原則”[18]。從目前的粘貼鋼板和碳纖維加固的文獻(xiàn)看來，粘貼鋼板（彈性模量為混凝土的10倍）和碳纖維（彈性模量為混凝土的15倍左右）的結(jié)構(gòu)的破壞型式往往是粘貼層沿界面剝落，粘貼材料在受荷后期和鋼筋混凝土沒有共同工作，失去了對(duì)裂紋發(fā)展的控制作用[20][21][24][25]。另外，由于阻裂材料剝落后成為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)層，阻裂層本身抗剪能力較差，也常常引起阻裂材料本身被剪斷而使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。從材料的角度考慮，一般情況下，金屬材料的彈性模量較大，一般為混凝土彈性模量的10倍以上；而有機(jī)材料的彈性模量較小，變化的范圍也較大，因此阻裂材料應(yīng)該在有機(jī)材料中尋找[35][36]。從文獻(xiàn)[25][37]看出，玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料，屬于有機(jī)材料和無機(jī)材料的復(fù)合）的彈性模量和混凝土的彈性模量比較一致，~，并且其彈性模量和抗拉強(qiáng)度的大小隨著所用材料的性質(zhì)不同、制作工藝的不同、玻璃鋼中樹脂和纖維的比例不同而有較大的改變。文獻(xiàn)[19][38]指出用玻璃鋼加固橋梁的效果也比較好。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，即便使用彈性模量較小的材料，在裂紋的兩側(cè)由于阻裂材料的應(yīng)變和混凝土的應(yīng)變不同，依然會(huì)導(dǎo)致較大的界面剪力，從而使阻裂材料在裂紋兩側(cè)局部和混凝土剝離。如果粘貼的阻裂材料的強(qiáng)度過高，那么粘貼的阻裂材料的彈性模量也往往過大（有機(jī)材料除外）[36]，界面的剪力會(huì)恨大，結(jié)構(gòu)破壞形式一般為阻裂材料沿界面剝落，結(jié)果阻裂層的強(qiáng)度不能完全發(fā)揮，導(dǎo)致材料的使用不經(jīng)濟(jì)。另外，如果所用的阻裂材料強(qiáng)度過高，鋼筋屈服后，阻裂材料仍處于彈性階段，最后結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，往往是混凝土壓碎破壞，這種破壞屬于脆性破壞；同時(shí)，這種破壞形式也使外粘貼的阻裂材料的強(qiáng)度得不到充分的發(fā)揮。粘貼層的強(qiáng)度如果沒有得到充分的利用會(huì)造成浪費(fèi)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的性能也不能得到根本的改善和提高。文獻(xiàn)[24][26]表明，粘貼碳纖維材料加固的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)破壞形式一般都是粘結(jié)界面剝落破壞，只利用了碳纖維材料強(qiáng)度的60%左右，隨著粘貼厚度的增加，利用效率進(jìn)一步降低；另外結(jié)構(gòu)的破壞形式屬于脆性破壞，結(jié)構(gòu)延性很差。文獻(xiàn)[20]表明：粘貼鋼板的破壞形式一般是裂紋首先從鋼板縱向和混凝土交接的地方出現(xiàn)，最后整個(gè)鋼板從混凝土結(jié)構(gòu)上剝落下來，鋼板很少屈服、強(qiáng)度也不能充分發(fā)揮；另外結(jié)構(gòu)的破壞形式也屬于脆性破壞，結(jié)構(gòu)延性比粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)還要差。可見，選擇阻裂材料時(shí)，應(yīng)該綜合考慮界面的斷裂特性、材料強(qiáng)度的發(fā)揮、和結(jié)構(gòu)最后的破壞形式，并不一定要選用強(qiáng)度很高的材料。如果要選用強(qiáng)度高的材料，應(yīng)該注意界面特性的適應(yīng)性，使結(jié)構(gòu)的阻裂材料不致在受力較小時(shí)剝落而導(dǎo)致其他材料的浪費(fèi)，或者結(jié)構(gòu)最后出現(xiàn)脆性破壞。文獻(xiàn)[37]指出：玻璃鋼的抗拉性能較好，抗拉強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度相差無幾，約在200~400Mpa之間。因此，如果采用玻璃鋼作為阻裂材料，有希望在新結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，基本達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，發(fā)揮其本身固有的抗拉能力。如果阻裂材料的延伸率太小，在阻裂材料（失效斷裂）破壞時(shí)，內(nèi)部的鋼筋尚處于彈性階段，結(jié)果會(huì)使鋼筋的強(qiáng)度不能發(fā)揮；另一方面，阻裂材料的延伸率太小，阻裂材料不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形，常常表現(xiàn)為早期破壞，使阻裂材料起不到應(yīng)有的作用；同時(shí)阻裂材料過早退出工作造成的應(yīng)力重分布會(huì)增加結(jié)構(gòu)使用的危險(xiǎn)性。因此應(yīng)該選用具有一定延伸率的材料作為阻裂材料（延伸率也不宜太大。否則結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，這時(shí)，控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就會(huì)變成正常使用極限狀態(tài)所要求的變形控制設(shè)計(jì)，也同樣造成結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)）。玻璃鋼材料有較大的延伸率，其極限延伸率為3%左右，變形能力較強(qiáng)[37]，可以保證結(jié)構(gòu)在破壞時(shí)鋼筋有足夠的應(yīng)變而屈服，能夠較好地發(fā)揮鋼筋的作用。由于復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)應(yīng)該保證外粘貼的阻裂材料和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作，且應(yīng)該使各部分充分發(fā)揮各自的性能，避免不利的破壞形式，所以，在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選用了玻璃鋼材料作為外粘貼的阻裂材料，主要是其彈性模量適中、拉伸強(qiáng)度較大、有較大的延伸率。（隨著進(jìn)一步的研究，會(huì)對(duì)阻裂材料提出更加具體的要求）。由于新結(jié)構(gòu)中的阻裂層為玻璃鋼材料，它屬于復(fù)合材料，根據(jù)文獻(xiàn)[35]：“兩種、或者兩種以上物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)不同的材料組合在一起，形成新的材料（或結(jié)構(gòu)），就稱之為復(fù)合材料（或結(jié)構(gòu)）”。本文中把新結(jié)構(gòu)稱之為“復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)”，用以反映新結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以示和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)的區(qū)別。，為了保證阻裂材料和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的共同工作，即在粘結(jié)界面上能夠抵抗界面剪力的作用，籠統(tǒng)地講來，用于粘貼的結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度越大越好。但是，結(jié)構(gòu)膠的抗剪強(qiáng)度不可能無限大，另一方面，質(zhì)量優(yōu)越的結(jié)構(gòu)膠的價(jià)格也較昂貴，因此選用滿足界面剪力要求的結(jié)構(gòu)膠就可以了。 用于粘貼的結(jié)構(gòu)膠的受力變形圖另一方面，如果界面膠在保證剪切強(qiáng)度的同時(shí)，有足夠大的剪切應(yīng)變能力，會(huì)有利于粘貼材料和混凝土之間共同工作。如果用于粘貼的結(jié)構(gòu)膠有較大的變形能力，則其在實(shí)際受力時(shí)，結(jié)構(gòu)膠的上表面的變形可以和混凝土保持一致，而下表面可以和阻裂材料即玻璃鋼保持一致，這樣就不致于使阻裂材料層即玻璃鋼粘貼層和混凝土剝離，有利于結(jié)構(gòu)的整體受力。另外，也可以用混凝土的剪切強(qiáng)度來對(duì)結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行控制。具體的，使結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度大于混凝土的抗剪強(qiáng)度，這樣，在界面破壞時(shí)，是混凝土受剪破壞，而非結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)失效。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知：混凝土的抗剪強(qiáng)度約為12MPa，所以，在實(shí)驗(yàn)中用的結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度應(yīng)該大于12MPa。根據(jù)以上分析，新結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的結(jié)構(gòu)膠的指標(biāo)初步定為：抗拉強(qiáng)度不小于40Mpa，抗剪強(qiáng)度不小于15MPa。[37]確定了玻璃鋼（玻璃增強(qiáng)塑料）為阻裂材料，確定了粘貼的結(jié)構(gòu)膠的基本技術(shù)指標(biāo)后，還需要進(jìn)一步確定復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的制作（或者施工）工藝，因此首先應(yīng)該了解玻璃鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。玻璃鋼是玻璃纖維增強(qiáng)塑料的簡稱。玻璃纖維是一種無機(jī)材料，玻璃在工廠通過一定的工藝?yán)芍睆街挥?0微米的長絲，稱為玻璃纖維。普通玻璃的拉伸強(qiáng)度只有40 ~100Mpa,而拉成纖維后強(qiáng)度可以達(dá)到2000Mpa。，延伸率一般為3%左右。根據(jù)玻璃中的堿金屬氧化物（Na2O、K2O）的含量多少一般將玻璃纖維分為無堿纖維、中堿纖維和有堿纖維，其中無堿纖維的強(qiáng)度高、耐老化性能好，中堿纖維的品質(zhì)次之，有堿纖維最差。由于玻璃纖維的直徑很小，因此在用玻璃纖維加強(qiáng)樹脂時(shí)，一般都采用玻璃纖維布。玻璃纖維布是通過紡織技術(shù)把玻璃纖維織成布狀材料。玻璃纖維布和其他的布狀材料一樣，有經(jīng)緯兩個(gè)方向。也可以根據(jù)需要，在受力較小的方向編制較少數(shù)量的纖維織成單向纖維布。樹脂是人工合成的高分子化合物，它不具有作為材料直接使用的使用性能，往往需要加入一定的添加劑以達(dá)到目的。樹脂中加入添加劑固化后，就稱之為塑料。目前樹脂的種類很多，不同的樹脂其力學(xué)特性差異較大，但是總的說來，樹脂有較高的抗拉強(qiáng)度和較大的延伸率。以環(huán)氧樹脂為例，其抗拉強(qiáng)度不小于80Mpa，延伸率約為7%。用樹脂（內(nèi)加固化劑）浸潤玻璃纖維布（玻璃布可以為一層或者數(shù)層），待樹脂固化后便形成了玻璃鋼——玻璃纖維增強(qiáng)塑料。從玻璃鋼的構(gòu)造特點(diǎn)上看：玻璃鋼本身是一種結(jié)構(gòu)，是玻璃纖維和樹脂共同工作的一種結(jié)構(gòu)。它的性質(zhì)主要地取決于樹脂和玻璃纖維的性質(zhì)以及二者在總體中的比例關(guān)系。玻璃纖維和樹脂的性能越好，制作出來的玻璃鋼的性能也就越好。另外玻璃鋼中的玻璃纖維含量越多，則玻璃鋼的彈性模量越高，抗拉強(qiáng)度越大，延伸率則較小。從上面玻璃鋼的構(gòu)造特點(diǎn)還可以看出，玻璃鋼的極限延伸率取決于玻璃纖維的延伸率，即玻璃纖維超過其極限變形后，玻璃鋼就失去了它應(yīng)有的受力功能，玻璃鋼結(jié)構(gòu)也就失效破壞。一般情況下，玻璃鋼的抗拉強(qiáng)度約為：200~400Mpa，~，極限延伸率為3%。另外，玻璃鋼材料的抗腐蝕性質(zhì)較好，實(shí)驗(yàn)表明：在海水中浸泡的玻璃鋼船體20年后仍有85%的抗拉強(qiáng)度；玻璃鋼材料的疲勞性能較好：疲勞過程較長，裂紋開展的速度比較慢[37]。如玻璃鋼材料的葉片出現(xiàn)疲勞裂紋后，仍能工作200小時(shí)，而在同樣情況下，金屬葉片只能工作10小時(shí)[37]。另外，玻璃鋼的密度較小，自重較小，玻璃鋼作為外粘貼的阻裂層幾乎不增加結(jié)構(gòu)的重量[37]。：玻璃鋼的力學(xué)特性與玻璃鋼中玻璃纖維和樹脂的比例關(guān)系十分密切。一般情況下，玻璃鋼中的玻璃纖維含量越多，則玻璃鋼的彈性模量越高、極限抗拉強(qiáng)度也越高，極限延伸率則相應(yīng)較小；若玻璃鋼中玻璃纖維的含量少，則玻璃鋼的彈性模量低、極限抗拉強(qiáng)度較低，極限延伸率則較高。在新結(jié)構(gòu)中，希望玻璃鋼的彈性模量和混凝土的彈性模量比較接近，對(duì)于玻璃鋼而言這個(gè)要求基本上達(dá)到了其彈性模量的上限，因此應(yīng)該、也只有減少玻璃鋼中樹脂的用量，才能達(dá)到這個(gè)要求。在新結(jié)構(gòu)的制作時(shí)，不希望玻璃鋼和混凝土之間用以粘結(jié)的結(jié)構(gòu)膠膠層厚度過大。膠層過厚，則用膠量大，花費(fèi)的成本就大。另外，如果玻璃鋼和混凝土之間的膠層厚度過大，由于膠層的彈性模量比玻璃鋼和混凝土的彈性模量都低，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，膠層本身會(huì)發(fā)生較大的非線性剪切變形。于是外邊粘貼的玻璃鋼的變形就會(huì)小于混凝土的變形，因此玻璃鋼內(nèi)的拉力也就較小，起不到理論分析中應(yīng)有的阻止裂紋擴(kuò)展的作用（理論分析中，假定阻裂材料和混凝土在混凝土未出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)變形協(xié)調(diào)）。但是，膠層太薄，又不利于界面剪力的分散。因此，總的講來，膠層的厚度應(yīng)該比較適中。從加固結(jié)構(gòu)的施工情況和玻璃鋼的制作工藝來看，目前在結(jié)構(gòu)中運(yùn)用玻璃鋼材料有兩種粘貼施工工藝。第一種工藝首先根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸預(yù)制玻璃鋼板體，然后現(xiàn)場把玻璃鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上；第二種工藝為現(xiàn)場粘貼玻璃纖維布。兩種工藝的實(shí)質(zhì)都是：依靠結(jié)構(gòu)膠固化后的粘結(jié)強(qiáng)度使玻璃鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同工作。新結(jié)構(gòu)制作時(shí)，工藝方面應(yīng)該保證達(dá)到以上提出的兩種基本要求，即彈性模量較大、膠層厚度較小。因此，如果采用第一種施工工藝制作新結(jié)構(gòu)，要使