【正文】 （） （）同樣的，新結構的正截面承載力可以仿照上述方法、建立計算承載力的平衡方程，為了對應上述的各種破壞形式，在外粘貼材料的強度項前面乘以一個系數來確定阻裂材料在結構破壞時所達到的受力狀態(tài)。假定粘貼的阻裂材料和混凝土的粘結良好而共同工作，且結構的變形符合平截面假定，考慮阻裂層的受力系數。表示阻裂材料失效（屈服）破壞；，同樣的，可以寫出新結構彎曲破壞時的平衡方程，仍?。▽嶋H上，由于受壓區(qū)高度的增大，混凝土的材料安全系數應該取得稍小一點）： （） （）——受彎構件計算截面的承載能力；——混凝土軸心抗壓設計強度(新結構中，混凝土的軸心抗壓強度較大)；——鋼筋的抗拉設計強度；——阻裂材料的抗拉設計強度；——阻裂材料的受力系數，反映阻裂材料在結構破壞時的受力情況，；——鋼筋混凝土結構按等效矩形應力圖的計算受壓區(qū)高度；——新結構按等效矩形應力圖的計算受壓區(qū)高度， ；b——截面寬度；——鋼筋混凝土結構的截面有效高度； ——新的復合結構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。從以上的方程、公式（）和（）的對比可以看出，由于復合鋼筋混凝土新結構中的外粘貼阻裂層對于最終抗彎能力的貢獻，易知：新結構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度有關。由本節(jié)以上的分析可知，復合鋼筋混凝土新結構在相同的荷載水平下，裂紋的擴展較為緩慢，因此結構的整體性較強。而鋼筋混凝土結構的抗剪性能很大程度上依靠混凝土的整體性，在復合鋼筋混凝土新結構中，混凝土的整體性在同樣的荷載水平下相對于普通混凝土結構而言，整體性較好，于是新結構的抗剪性能將有所提高。從上面對復合鋼筋混凝土新結構的各方面的分析可以看出，復合鋼筋混凝土新結構的性能大為改善，具有良好的力學特性。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，復合鋼筋混凝土新結構與普通鋼筋混凝土結構相比，各方面的性能都大為改善?；谏鲜龅睦碚摲治?，可以提出新結構的設計思想：如果要達到和普通鋼筋混凝土結構相同的承載力，采用新結構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構的跨度。從理論上講，新結構的設計思想是能夠達到的，并且有希望在達到鋼筋混凝土結構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：復合鋼筋混凝土新結構的構造必需保證阻裂層和鋼筋混凝土共同工作，且破壞時應該保證鋼筋屈服，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，并處理好新結構的構造。第四章 阻裂材料的確定和新結構的制作工藝為了驗證復合鋼筋混凝土新結構的設計思想，應該做實驗來進行對比驗證，為此必須進行試驗設計。而在實驗中用什么材料作阻裂材料；如何保證阻裂結構層和鋼筋混凝土結構共同工作；如何提高界面的斷裂特性；如何制作新結構等一些問題必須首先予以解決，否則，實驗設計便無從下手。本章根據前面的理論分析，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構膠應該達到的力學性能；確定了新結構的制作工藝；為新結構的實驗工作奠定了理論基礎。從復合鋼筋混凝土新結構的破壞形式出發(fā)，設計時最理想的破壞形式應該是：鋼筋首先屈服，然后阻裂材料屈服（至少保證破壞時鋼筋屈服），最后混凝土受壓破壞，在整個受力過程中不出現阻裂材料和混凝土脫離的現象?；谛陆Y構的破壞形式，阻裂材料的選擇主要考慮以下三個方面的因素：第一、阻裂材料的彈性模量；第二、阻裂材料的強度；第三、阻裂材料的延伸率，以保證結構有比較理想的破壞形式。阻裂材料的彈性模量應該從阻裂材料和混凝土之間的粘結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該比較適中，太大了會導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）的結構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的結構層，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結構破壞。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；而有機材料的彈性模量較小，變化的范圍也較大，因此阻裂材料應該在有機材料中尋找[35][36]。從文獻[25][37]看出，玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料，屬于有機材料和無機材料的復合）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度的大小隨著所用材料的性質不同、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[19][38]指出用玻璃鋼加固橋梁的效果也比較好。在結構設計時，即便使用彈性模量較小的材料，在裂紋的兩側由于阻裂材料的應變和混凝土的應變不同，依然會導致較大的界面剪力，從而使阻裂材料在裂紋兩側局部和混凝土剝離。如果粘貼的阻裂材料的強度過高，那么粘貼的阻裂材料的彈性模量也往往過大（有機材料除外）[36]，界面的剪力會恨大，結構破壞形式一般為阻裂材料沿界面剝落，結果阻裂層的強度不能完全發(fā)揮，導致材料的使用不經濟。另外，如果所用的阻裂材料強度過高，鋼筋屈服后，阻裂材料仍處于彈性階段，最后結構破壞時，往往是混凝土壓碎破壞，這種破壞屬于脆性破壞；同時，這種破壞形式也使外粘貼的阻裂材料的強度得不到充分的發(fā)揮。粘貼層的強度如果沒有得到充分的利用會造成浪費，同時結構的性能也不能得到根本的改善和提高。文獻[24][26]表明，粘貼碳纖維材料加固的結構，其結構破壞形式一般都是粘結界面剝落破壞，只利用了碳纖維材料強度的60%左右，隨著粘貼厚度的增加，利用效率進一步降低；另外結構的破壞形式屬于脆性破壞，結構延性很差。文獻[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，最后整個鋼板從混凝土結構上剝落下來，鋼板很少屈服、強度也不能充分發(fā)揮；另外結構的破壞形式也屬于脆性破壞，結構延性比粘貼碳纖維結構還要差?？梢姡x擇阻裂材料時，應該綜合考慮界面的斷裂特性、材料強度的發(fā)揮、和結構最后的破壞形式，并不一定要選用強度很高的材料。如果要選用強度高的材料，應該注意界面特性的適應性，使結構的阻裂材料不致在受力較小時剝落而導致其他材料的浪費，或者結構最后出現脆性破壞。文獻[37]指出：玻璃鋼的抗拉性能較好，抗拉強度和鋼筋的抗拉強度相差無幾，約在200~400Mpa之間。因此，如果采用玻璃鋼作為阻裂材料，有希望在新結構破壞時，基本達到其抗拉強度，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，內部的鋼筋尚處于彈性階段，結果會使鋼筋的強度不能發(fā)揮；另一方面，阻裂材料的延伸率太小，阻裂材料不能適應結構的變形，常常表現為早期破壞，使阻裂材料起不到應有的作用；同時阻裂材料過早退出工作造成的應力重分布會增加結構使用的危險性。因此應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。否則結構破壞時，會產生較大的變形，這時，控制結構的設計就會變成正常使用極限狀態(tài)所要求的變形控制設計，也同樣造成結構材料的浪費）。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[37]，可以保證結構在破壞時鋼筋有足夠的應變而屈服，能夠較好地發(fā)揮鋼筋的作用。由于復合鋼筋混凝土新結構應該保證外粘貼的阻裂材料和鋼筋混凝土結構共同工作，且應該使各部分充分發(fā)揮各自的性能，避免不利的破壞形式，所以，在新結構設計中，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、拉伸強度較大、有較大的延伸率。（隨著進一步的研究，會對阻裂材料提出更加具體的要求）。由于新結構中的阻裂層為玻璃鋼材料，它屬于復合材料，根據文獻[35]：“兩種、或者兩種以上物理、化學和力學性質不同的材料組合在一起，形成新的材料（或結構），就稱之為復合材料（或結構）”。本文中把新結構稱之為“復合鋼筋混凝土新結構”，用以反映新結構的特點，以示和普通鋼筋混凝土結構以及其他結構的區(qū)別。，為了保證阻裂材料和鋼筋混凝土結構之間的共同工作，即在粘結界面上能夠抵抗界面剪力的作用，籠統(tǒng)地講來，用于粘貼的結構膠的抗剪強度越大越好。但是，結構膠的抗剪強度不可能無限大，另一方面，質量優(yōu)越的結構膠的價格也較昂貴，因此選用滿足界面剪力要求的結構膠就可以了。 用于粘貼的結構膠的受力變形圖另一方面，如果界面膠在保證剪切強度的同時，有足夠大的剪切應變能力，會有利于粘貼材料和混凝土之間共同工作。如果用于粘貼的結構膠有較大的變形能力，則其在實際受力時，結構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，有利于結構的整體受力。另外，也可以用混凝土的剪切強度來對結構膠的粘結強度進行控制。具體的，使結構膠的剪切強度大于混凝土的抗剪強度，這樣，在界面破壞時，是混凝土受剪破壞，而非結構膠粘結失效。根據文獻[1]可知：混凝土的抗剪強度約為12MPa，所以，在實驗中用的結構膠的剪切強度應該大于12MPa。根據以上分析，新結構的實驗中運用的結構膠的指標初步定為：抗拉強度不小于40Mpa，抗剪強度不小于15MPa。[37]確定了玻璃鋼（玻璃增強塑料）為阻裂材料，確定了粘貼的結構膠的基本技術指標后，還需要進一步確定復合鋼筋混凝土新結構的制作（或者施工）工藝，因此首先應該了解玻璃鋼結構的特點。玻璃鋼是玻璃纖維增強塑料的簡稱。玻璃纖維是一種無機材料，玻璃在工廠通過一定的工藝拉成直徑只有10微米的長絲，稱為玻璃纖維。普通玻璃的拉伸強度只有40 ~100Mpa,而拉成纖維后強度可以達到2000Mpa。，延伸率一般為3%左右。根據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，其中無堿纖維的強度高、耐老化性能好，中堿纖維的品質次之，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樹脂時，一般都采用玻璃纖維布。玻璃纖維布是通過紡織技術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，有經緯兩個方向。也可以根據需要，在受力較小的方向編制較少數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，不同的樹脂其力學特性差異較大，但是總的說來，樹脂有較高的抗拉強度和較大的延伸率。以環(huán)氧樹脂為例，其抗拉強度不小于80Mpa，延伸率約為7%。用樹脂（內加固化劑）浸潤玻璃纖維布（玻璃布可以為一層或者數層），待樹脂固化后便形成了玻璃鋼——玻璃纖維增強塑料。從玻璃鋼的構造特點上看：玻璃鋼本身是一種結構，是玻璃纖維和樹脂共同工作的一種結構。它的性質主要地取決于樹脂和玻璃纖維的性質以及二者在總體中的比例關系。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，抗拉強度越大，延伸率則較小。從上面玻璃鋼的構造特點還可以看出，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有的受力功能，玻璃鋼結構也就失效破壞。一般情況下，玻璃鋼的抗拉強度約為：200~400Mpa，~，極限延伸率為3%。另外，玻璃鋼材料的抗腐蝕性質較好，實驗表明：在海水中浸泡的玻璃鋼船體20年后仍有85%的抗拉強度；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疲勞裂紋后，仍能工作200小時，而在同樣情況下，金屬葉片只能工作10小時[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構的重量[37]。：玻璃鋼的力學特性與玻璃鋼中玻璃纖維和樹脂的比例關系十分密切。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、極限抗拉強度也越高，極限延伸率則相應較?。蝗舨Ａт撝胁ＡЮw維的含量少，則玻璃鋼的彈性模量低、極限抗拉強度較低，極限延伸率則較高。在新結構中，希望玻璃鋼的彈性模量和混凝土的彈性模量比較接近，對于玻璃鋼而言這個要求基本上達到了其彈性模量的上限，因此應該、也只有減少玻璃鋼中樹脂的用量，才能達到這個要求。在新結構的制作時，不希望玻璃鋼和混凝土之間用以粘結的結構膠膠層厚度過大。膠層過厚，則用膠量大，花費的成本就大。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，當結構受力時，膠層本身會發(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小于混凝土的變形，因此玻璃鋼內的拉力也就較小，起不到理論分析中應有的阻止裂紋擴展的作用（理論分析中，假定阻裂材料和混凝土在混凝土未出現宏觀裂紋時變形協(xié)調）。但是，膠層太薄，又不利于界面剪力的分散。因此，總的講來，膠層的厚度應該比較適中。從加固結構的施工情況和玻璃鋼的制作工藝來看，目前在結構中運用玻璃鋼材料有兩種粘貼施工工藝。第一種工藝首先根據結構尺寸預制玻璃鋼板體，然后現場把玻璃鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構上；第二種工藝為現場粘貼玻璃纖維布。兩種工藝的實質都是：依靠結構膠固化后的粘結強度使玻璃鋼和鋼筋混凝土結構共同工作。新結構制作時，工藝方面應該保證達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構，要使