【正文】 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。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(chǎng)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(chǎng)粘貼玻璃纖維布。因此，總的講來，膠層的厚度應(yīng)該比較適中。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)）。膠層過厚，則用膠量大，花費(fèi)的成本就大。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。：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。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]。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。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。用樹脂（內(nèi)加固化劑）浸潤(rùn)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。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。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。玻璃纖維布和其他的布狀材料一樣，有經(jīng)緯兩個(gè)方向。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。延伸率一般為3%左右。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(zhǎng)絲，稱為玻璃纖維。[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)。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。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。 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。，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。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)）”。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。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)）。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。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。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。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。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。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。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。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。這就是文獻(xiàn)中所稱的“彈性模量匹配原則”[18]。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?；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。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)。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)。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。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。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。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)。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)。另一方面由于在新結(jié)構(gòu)中，鋼筋應(yīng)力可能超過屈服強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)也暫時(shí)不予考慮），但是沒有考慮阻裂材料屈服。退一步考慮，新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)至少應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)中的鋼筋已經(jīng)屈服，這是低一級(jí)的要求，也是基本要求，否則新結(jié)構(gòu)便不能顯示其材料本身所具有的承載力方面的能力。對(duì)于復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的破壞形式，大致可以預(yù)見到有這樣幾種：（1）鋼筋屈服，阻裂層材料未失效，繼續(xù)加載，（鋼筋應(yīng)力可能超過屈服強(qiáng)度，）阻裂材料失效，結(jié)構(gòu)變形過大，混凝土壓碎，結(jié)構(gòu)破壞；（2）鋼筋和阻裂材料同時(shí)屈服或失效，破壞形式和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的適筋梁相同；（3）鋼筋屈服，阻裂材料未失效，繼續(xù)加載，混凝土壓碎破壞；（4）鋼筋和和阻裂材料都未失效或屈服，混凝土壓碎破壞，類似于超筋梁的破壞；（5）粘結(jié)界面在鋼筋和阻裂層均未失效或屈服時(shí)從梁體上脫落。文獻(xiàn)[34]指出對(duì)于外加筋的結(jié)構(gòu)，矩形壓應(yīng)力圖的高度系數(shù)以及壓應(yīng)力圖的應(yīng)力系數(shù)必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)重新確定以滿足實(shí)際情況（受壓區(qū)高度大），不宜沿襲鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的數(shù)值。因此，復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)中，不存在像普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)那樣——鋼筋屈服導(dǎo)致裂紋急劇發(fā)展，所以相對(duì)的講，新結(jié)構(gòu)受壓區(qū)的高度較大。隨著荷載的增加，只要阻裂層的變形能夠保證，鋼筋有可能超過其屈服強(qiáng)度到達(dá)屈服后的強(qiáng)度增長(zhǎng)階段。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，主要是由于縱向受拉鋼筋屈服，然后結(jié)構(gòu)的變形在荷載不變的情況下一直增長(zhǎng)，導(dǎo)致受壓區(qū)的高度急劇減小，混凝土達(dá)到其抗壓強(qiáng)度破壞而使結(jié)構(gòu)失效。 兩種結(jié)構(gòu)的正截面承載力計(jì)算圖式對(duì)于復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)，假定其破壞時(shí)，也滿足平截面假定，于是仿照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖式。因此，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，在相同的荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形就小，體現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)剛度的提高?；诒竟?jié)以上的分析，可知：在相同的荷載作用下，新結(jié)構(gòu)的裂紋發(fā)展較慢。所以，在復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)中，新結(jié)構(gòu)在“裂紋基本出齊階段”后，裂紋的發(fā)展較為緩慢。所以新結(jié)構(gòu)達(dá)到“裂紋基本出齊階段”時(shí)的荷載值較大。②從最后一條裂紋的出現(xiàn)說明考察最后一條裂紋出現(xiàn)的情況，假定裂紋在出現(xiàn)以前，經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的亞臨界擴(kuò)展階段。裂紋的出現(xiàn)需要對(duì)結(jié)構(gòu)施加能量，新結(jié)構(gòu)不容易開裂，裂紋數(shù)量多，說明新結(jié)構(gòu)需要的斷裂能較大；同時(shí)阻裂材料的變形也必須耗費(fèi)能量，于是新結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，需要較大的能量才能到達(dá)“裂紋基本出齊階段”?！傲鸭y基本出齊階段”可以用兩種方法來定性地說明這個(gè)問題。顯而易見，此時(shí)由于阻裂層的作用，在同樣的荷載作用下，新結(jié)構(gòu)的裂紋不會(huì)像鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂紋那樣——向上發(fā)展迅速、裂紋的寬度增大較快；新結(jié)構(gòu)中的鋼筋也不會(huì)產(chǎn)生像普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生那樣大的變形。②新結(jié)構(gòu)裂紋的總寬度減小在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，一旦到了“裂紋基本出齊階段”，繼續(xù)加載，結(jié)構(gòu)內(nèi)力矩的拉力全部由開裂處的縱向鋼筋承受；而在新結(jié)構(gòu)中，到了“裂紋基本出齊階段”，繼續(xù)加載，拉應(yīng)力除了由縱向鋼筋承受外，外邊的粘貼層也承受部分的拉應(yīng)力。因此鋼筋應(yīng)力從較大過渡到較?。ㄤ摻詈突炷翍?yīng)變一致處），也即混凝土從不承受拉力過渡到承受較大的拉力（鋼筋和混凝土應(yīng)變一致處），所需的距離較?。ǎ?。 裂紋兩側(cè)鋼筋和混凝土中的應(yīng)力變化圖對(duì)于新結(jié)構(gòu)而言，一條裂紋擴(kuò)展后，裂紋處的鋼筋依然會(huì)有應(yīng)力的突變，但是此時(shí)外邊的粘貼層也有一個(gè)應(yīng)力突變。此時(shí)，繼續(xù)加載，不再出現(xiàn)新的裂紋，裂紋的總數(shù)量穩(wěn)定，這個(gè)狀態(tài)就稱之為“裂紋基本出齊階段”。在混凝土承受拉應(yīng)力的地方，混凝土隨著加載的繼續(xù)仍會(huì)開裂，也即會(huì)有新的裂紋出現(xiàn)。在距裂紋一定距離處混凝土仍然承受拉應(yīng)力，此處鋼筋的應(yīng)力較小。①新結(jié)構(gòu)裂紋數(shù)量增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加載時(shí)的“裂紋基本出齊階段”是指結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的這樣一個(gè)階段：在純彎段，混凝土中的第一條裂紋出現(xiàn)、發(fā)展后，該截面處受拉區(qū)的混凝土退出承拉工作。、裂紋的總寬度減少與配筋相同的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)加載時(shí)也要經(jīng)歷“裂紋基本出齊階段”。這樣的結(jié)果是：新結(jié)構(gòu)中混凝土的極限彎拉應(yīng)變普遍提高。另一方面，當(dāng)新結(jié)構(gòu)中的混凝土有微裂紋出現(xiàn)時(shí)，由于阻裂層的作用，微裂紋的發(fā)展受到了制約，因此微裂紋不會(huì)迅速地發(fā)展，結(jié)構(gòu)的宏觀特性仍保持未開裂的彈性變形。因此當(dāng)結(jié)構(gòu)受載時(shí)，第一條裂紋的出現(xiàn)具有很大的偶然性，往往低于實(shí)驗(yàn)室制作的混凝土試件的強(qiáng)度。但是由于粘貼的材料層一般都很薄，降低的應(yīng)力幅度很有限，這種解釋雖可以定性解釋開裂荷載的提高，卻不能解釋開裂荷載提高的程度。主要地可以從下面兩個(gè)方面進(jìn)行解釋和理解：①阻裂層降低了邊緣混凝土的應(yīng)力幅度由于粘貼的阻裂層參與了結(jié)構(gòu)的受力，從理論上講，此時(shí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)疊層梁，因此在荷載的作用下，當(dāng)普通混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土的應(yīng)力達(dá)到其極限彎拉強(qiáng)度時(shí)，相應(yīng)的新結(jié)構(gòu)中的混凝土的應(yīng)力卻低于極限彎拉強(qiáng)度。復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)和同樣配筋率的普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，其抗裂性能明顯提高，主要表現(xiàn)在其開裂荷載一般較普通混凝土結(jié)構(gòu)高30%以上[21][22][24][25][26]。在復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中，仍采用了普通鋼筋混凝土分析中采用的平截面假定。復(fù)合鋼筋混凝土新結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，由于阻裂層的作用，其受力特性上有許多方面不同于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出很多優(yōu)良的特性。由于粘貼的阻裂材料有阻止裂紋發(fā)展的作用并在結(jié)構(gòu)受力時(shí)參與受力，因此能夠改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種性能并提高結(jié)構(gòu)的承載力。對(duì)于粘貼的阻裂材料，有以下基本要求：阻裂材料和混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)該有良好的粘結(jié)，以免結(jié)構(gòu)受力時(shí)，阻裂材料從結(jié)構(gòu)上剝落而失去作用；阻裂材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，以保證結(jié)構(gòu)受力時(shí)，阻裂材料本身不破壞；阻裂材料應(yīng)該有一定的變形能力；阻裂材料的彈性模量應(yīng)該適中，彈性模量太大，粘結(jié)界面剪力過大，粘貼層容易剝落。在新結(jié)構(gòu)中阻裂層和內(nèi)部的鋼筋共同工作，新結(jié)構(gòu)的受力不同于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其具體構(gòu)造為：在鋼筋混凝土的底面（承受彎拉的部分）粘貼一層阻裂材料；也可以把外粘貼層沿梁體延伸?？疾煺迟N材料（鋼板、布狀材料）加固結(jié)構(gòu)的情況，可以發(fā)現(xiàn)在粘貼材料加固中，存在著這些重要的斷裂力學(xué)的阻裂機(jī)理，這也正是這類方法成功的原因。）。 ：阻裂機(jī)理二：粘貼層的集中閉合力阻裂在結(jié)構(gòu)中，如果在結(jié)構(gòu)的受拉面粘貼一層適當(dāng)?shù)牟牧?，?dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，粘貼層也參加工作，粘貼層將受拉力作用（）?；谶@個(gè)事實(shí)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，如果在裂紋擴(kuò)展時(shí)，那么集中力產(chǎn)生的負(fù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子也最大。文獻(xiàn)[29]給出了在裂紋的起裂點(diǎn)（裂紋嘴）作用一對(duì)集中力時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子：，寬度為b的無限長(zhǎng)板條，有一長(zhǎng)度為a的單邊裂紋，在距裂紋邊緣c處的裂紋面上作用單位集中力P’，應(yīng)力強(qiáng)度因子為： （）。但是隨著鋼筋和混凝土粘結(jié)的破壞以及裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，鋼筋阻止裂紋發(fā)展的作用逐漸降低。也即，可以通過在混凝土表面粘貼斷裂韌性較高的材料的方法來提高結(jié)構(gòu)的抗裂性?；谏鲜龅淖枇褭C(jī)理，在結(jié)構(gòu)的表面粘貼一層斷裂韌性較大的材料，于是原來的邊裂紋就變成了內(nèi)部偏心裂紋，應(yīng)力強(qiáng)度因子就會(huì)降低；另一方面可以使粘貼材料的斷裂韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土的斷裂韌性，這樣，但不會(huì)超過粘貼材料的斷裂韌性，于是B端的應(yīng)力強(qiáng)度因子就成了裂紋擴(kuò)展的控制因素。另一方面，如果能夠采取措施使距板邊較近的裂紋尖端不擴(kuò)展，則