有弱界面的CFRP抗弯加固中U型箍防剥离研究

锈蚀钢筋混凝土梁置换保护层或直接粘贴CFRP加固时,可能因新老混凝土结合面或锈胀裂缝产生水平削弱面。设计了9根加固梁,研究弱界面对CFRP剥离的影响及传统U型箍约束的有效性。结果发现,2种弱界面均使加固梁的整体受力性能受到削弱,局部剥离破坏更易发生,且界面越弱,剪切传递能力越差。U型箍约束能够防止纵向CFRP发生脆性剥离破坏,保证其有效参与受力。然而弱界面仍有可能导致局部保护层剥离,纵向CFRP易过早拉断。实际应用中,宜适度降低纵向CFRP的容许拉应变,并采取更为严格的约束和锚固措施。     

CFRP加固梁U型锚固效果的数值分析

CFRP与混凝土层间剥离是纤维加固钢筋混凝土梁中最常见的破坏形式,在CFRP端部或沿全梁设置横向U型锚固是目前工程中使用最广泛的防止过早剥离破坏的方法。采用数值计算方法,对比了无U型锚固,端部设置U型锚固以及沿全梁施加U型锚固3种情况下,加固梁的承载力、变形、粘结层的滑移量以及CFRP应变分布,分析研究U型锚固在CFRP加固钢筋混凝土梁中的作用。由计算分析结果可知,U型锚固可有效提高加固梁的承载力和刚度,防止过早剥离破坏的发生。在钢筋屈服后,沿全梁设置U型锚固比端部设置U型锚固能够更有效防止发生剥离破坏,但同时也引起CFRP应变分布不均匀,当CFRP被拉断破坏时,沿全梁锚固时加固梁的极限承载力低于端部锚固情形。     

CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究

为能够合理粘贴CFRP布、有效提高钢筋混凝土梁的抗弯承载能力,开展了CFRP布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验,并比较了三种加固方案的加固效果。结果表明:增加CFRP布的粘贴片数不能持续提高抗弯承载力;在梁体两侧粘贴CFRP布综合加固效果更佳;梁间间断设CFRP的U型箍可以减缓纵向CFRP布与混凝土间的界面剥离。     

端部锚固CFRP板加固RC梁IC剥离过程非线性分析1

端部锚固预应力碳纤维增复合板(Carbon Fiber Reinforcement Polymer Laminate,简称CFRP板)加固钢筋混凝土结构目前最为常见的抗弯加固方式,为探讨端部锚固CFRP加固RC梁IC剥离过程的起始和演化,文章基于部分黏结作用复合梁理论,利用内聚力开裂模型模拟界面层的剥离过程,通过引入含残余强度的四线性黏结滑移本构模型模拟CFRP板与钢筋混凝土梁之间相对滑移带来的界面的变形协调和应力变形行为的非线性特征和软化特性,得到单一裂缝模式下中间裂缝剥离过程中相应的界面黏结剪应力,相对滑移量、CFRP板轴力分布以及加固构件整体荷载 跨中位移,荷载 跨中CFRP板应变的响应曲线,并与文献提供的试验数据进行对比。结果表明,理论计算结果与试验结果基本一致,可以反映端部锚固CFRP板加固混凝土梁的实际受力状态,为端部锚固CFRP板加固混凝土梁的受力分析和设计提供了理论参考。     

端部锚固CFRP板加固RC梁IC剥离过程非线性分析

端部锚固预应力碳纤维增复合板(Carbon Fiber Reinforcement Polymer Laminate,简称CFRP板)加固钢筋混凝土结构目前最为常见的抗弯加固方式,为探讨端部锚固CFRP加固RC梁IC剥离过程的起始和演化,文章基于部分黏结作用复合梁理论,利用内聚力开裂模型模拟界面层的剥离过程,通过引入含残余强度的四线性黏结滑移本构模型模拟CFRP板与钢筋混凝土梁之间相对滑移带来的界面的变形协调和应力变形行为的非线性特征和软化特性,得到单一裂缝模式下中间裂缝剥离过程中相应的界面黏结剪应力,相对滑移量、CFRP板轴力分布以及加固构件整体荷载-跨中位移,荷载-跨中CFRP板应变的响应曲线,并与文献提供的试验数据进行对比。结果表明,理论计算结果与试验结果基本一致,可以反映端部锚固CFRP板加固混凝土梁的实际受力状态,为端部锚固CFRP板加固混凝土梁的受力分析和设计提供了理论参考。     

斜向U型箍控制复材加固混凝土梁板端破坏的试验研究

将树脂基纤维增强复合材料外贴或者表层嵌贴于钢筋混凝土梁受拉部位提升其抗弯承载能力,是钢筋混凝土结构受弯加固的主流技术之一。复材加固钢筋混凝土梁通常破坏于中部剥离或者混凝土保护层剥离,破坏发生时加固复材的最大应变通常仅为20%～40%的极限抗拉应变,导致复材抗拉强度高的特点没有得到很好的发挥。合理的锚固措施能够有效控制或延缓剥离破坏,从而很好地提升加固效率和复材利用率。国内外学者提出了不同形式的锚固措施,其效果、耐久性能、施工复杂程度存在差异,为此,提出采用斜向复材U型箍,控制或延缓板端剥离破坏(也称为混凝土保护层破坏)。通过4根足尺寸的复材加固钢筋混凝土梁的四点受弯试验,验证端部斜向复材U型箍对复材加固钢筋混凝土梁保护层剥离破坏的控制效果。试验结果表明:配置端部斜向U型箍能够对外贴和表层嵌贴复材加固钢筋混凝土梁的极限承载能力和延性分别提升62.03%和117.85%,61.08%和155.44%。     

CFRP加固钢筋混凝土梁裂缝基部剥离界面剪应力分析

CFRP的剥离是抗弯加固钢筋混凝土梁经常会出现一种早期破坏模式,这种破坏主要是由于裂缝基部附近的界面剪应力与正应力所造成.通过8根碳纤维板材抗弯加固钢筋混凝土梁的试验,主要研究裂缝基部纤维片材发生剥离时的界面剪应力.研究结果表明:在跨中等弯矩区,受拉区垂直裂缝的发生,导致裂缝基部的CFRP与混凝土间产生界面剪应力而剥离,其剪应力分布类似于钢筋与混凝土之间的锚固黏结应力分布,且最大剪应力位置逐步向远离裂缝转移的过程大致与CFRP剥离过程相一致,剪应力最大值与纤维层数、混凝土强度有关.     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁锚固方式试验研究

进行了 5根碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯试验 ,重点研究了碳纤维U形箍的位置、数量及间距等方面对纵向碳纤维布锚固性能的影响。研究结果表明 ,碳纤维U形箍能够较好地减少碳纤维发生剥离破坏的可能性 ,其对纵向碳纤维应力分布的影响不大。碳纤维U形箍的宽度不宜小于 15cm ,不宜少于 2道 ,间距不宜大于 2 0cm。     

老化钢筋混凝土梁复合加固技术研究

介绍了一种使用CFRP加固老化钢筋混凝土梁的方法。采用新混凝土部分替换老化混凝土来防止CFRP和被加固梁间发生界面剥离破坏,并采取了相应构造措施来保证新旧混凝土的整体性。试验结果表明,采用复合加固技术可以将被加固老化钢筋混凝土梁的极限承载能力提高47%左右。     

受火后CFRP布加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究

通过2根未受火钢筋混凝土梁、2根受火后钢筋混凝土梁和4根受火后CFRP布加固钢筋混凝土梁的静载试验,研究了剪跨比、CFRP布加固量和楼板翼缘对受火后钢筋混凝土梁受剪加固效果的影响。采用自编有限元程序分析受火损伤的混凝土梁截面通过等截面修复后截面混凝土抗拉强度的平均折减系数,提出受火后CFRP布加固钢筋混凝土梁受剪承载力的实用计算方法。研究结果表明:加固梁破坏时,外包的CFRP布发生拉断破坏,"U形包裹加压条"的CFRP布发生剥离破坏;受火后外包CFRP布加固混凝土矩形梁的受剪承载力相比未受火钢筋混凝土梁提高了5.3%~16.6%;受火后"U形包裹加压条"方式加固混凝土T形梁的受剪承载力相比对应未受火矩形梁提高了34.0%。提出的受火后CFRP布加固钢筋混凝土梁受剪承载力的计算式具备一定的安全保证率,可用于该类构件受火后的受剪加固计算。     

The effects of NSM CFRP reinforcements for improving the shear capacity of RC beams

One of the most efficient technique for improving the shear strength of deteriorated RC members is bonding external carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites. However, delimitation and debonding of the strengthening material frustrates to achieve the expected requirements. Near surface mounting (NSM) is a recent strengthening technique that was developed with the anticipation of obstructing the drawbacks of external CFRP usage. To demonstrate the efficiency, an experimental program was conducted to validate the effect of CFRP reinforcements on behavior and ultimate strength of shear deficient (without stirrups) reinforced concrete (RC) beams under cyclic loading. Accordingly seven of eight beams except the flexural reference were fabricated and strengthened with CFRP reinforcements with distinct CFRP reinforcement arrangements. Spacing of CFRP reinforcements, variation of CFRP reinforcement diameter and application of CFRP reinforcements were the selected variables of the experimental program. Tests results confirmed that all in all an increase in strength was seen in every specimen to which CFRP reinforcements applied with no occurrence of delamination, debonding or fracture of CFRP reinforcements. To verify the reliability, experimental results were compared with ACI-440 guideline and the proposals of De Lorenzis and Nanni.     

预应力碳纤维复合板加固钢筋混凝土梁的抗弯响应预测

现有的试验研究显示,碳纤维复合材料用量不同时,采用预应力碳纤维复合板加固钢筋混凝土梁可能出现3种弯曲破坏模式(包括受压破坏、受拉破坏、剥离破坏)。基于应变和力平衡的协调性,提出理论公式对3种破坏模式下的名义抗弯强度进行预测。当出现剥离破坏时,提出预应力碳纤维复合板中的受拉应变的极限。此外,考虑预应力碳纤维复合板的作用,提出开裂弯矩、裂缝宽度和加强梁的挠度计算方法。对5根采用预应力碳纤维复合板加固的钢筋混凝土梁进行试验,并通过非线性有限元分析验证所提出的理论公式。同时,预测值与其他研究者的试验结果也进行了比较。     

碳纤维增强复合网格-聚合物水泥砂浆加固RC梁的抗弯性能试验研究

为研究碳纤维增强复合(CFRP)网格和聚合物水泥砂浆(PCM)复合加固钢筋混凝土(RC)梁的抗弯性能,对5个RC梁试件进行抗弯性能试验,分析CFRP网格-PCM复合加固RC梁的抗弯破坏机理,研究网格不同层数和不同单位加固量对RC梁抗弯性能的影响。基于抗弯承载力的既有计算模型,引入剥离应变建立改良计算模型,并采用其他学者的9根FRP网格加固RC梁的受弯试验数据,验证改良计算模型的准确性。研究结果表明：CFRP网格-PCM对RC梁的抗弯加固效果明显,单位加固量较高的试件具有更高的承载能力,但其更易发生剥离破坏;在单位加固量相当的条件下,单层网格与双层网格呈现出相同的抗弯性能,双层网格重叠布置的加固方式是有效的;抗弯承载力的既有计算模型对试验结果拟合效果较差,所建立的改良计算模型拟合程度较好,能更好地反映CFRP网格-PCM复合加固层的实际受力状态。     

CFRP加固工字钢梁的结构性能和失效分析

针对碳纤维加固聚合物(CFRP)失效分析和CFRP加固工字钢梁的结构性能进行了试验和数值模拟。了解CFRP的失效模式有助于防止和减缓结构破坏。对1根未加固梁和12根使用不同类型、尺寸CFRP条带加固的梁进行了试验和数值模拟。试验采用静态逐步加载的四点弯曲法,并利用ANSYS软件对试样进行3D建模和非线性分析。结果显示,用于工字钢梁加固的CFRP失效模式包括:集中荷载处开裂(BS)、集中荷载处脱粘(BD)、端部分层(EDL)以及端部脱粘(ED)。CFRP失效模式的产生和发展取决于强化进度。研究发现,不同加固规格的CFRP加固钢梁的结构性能不同。     

Failure modes of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber sheet in fire

It is shown that elevated temperature may cause a change in the failure mode of reinforced concrete (RC) beams strengthened with carbon fiber sheet (CFS), as flexural failure at room temperature can be transformed into shear failure in fire. In this paper, an analysis procedure for flexural capacity and shear capacity of RC beams strengthened in flexure using CFS at high temperature is discussed and validated by test results from literatures. A parametric study is conducted for the critical situation (i.e., flexural failure and shear failure occur simultaneously in fire) of the strengthened beams with fire insulation. The influences of some parameters, such as span-to-height ratio, confinement ratio, rich degree of shear capacity, thickness of concrete cover, thickness of fire insulation, and strengthening ratio, on the tensile reinforcement ratio related to the critical situation are examined. Based on the aforementioned analysis procedure and extensive numerical results, recommendations for fire-safety design of the flexurally strengthened and insulated beams are discussed preliminarily. It is important to recognize that increasing of the thickness of fire insulation is not always good for the fire performance of the strengthened beams. To account for the adverse influence of concrete shear cracks on shear capacity of the strengthened beams exposed to fire, an additional reduction factor may be considered for the shear resistance of steel stirrups at high temperature.     

Effect of bond enhancement using carbon nanotubes on flexural behavior of RC beams strengthened with externally bonded CFRP sheets

This paper studied the effect of incorporation of carbon nanotubes (CNTs) in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) on strengthening of reinforced concrete (RC) beams. The RC beams were prepared, strengthened in flexure by externally bonded CFRP or CNTs-modified CFRP sheets, and tested under four-point loading. The experimental results showed the ability of the CNTs to delay the initiation of the cracks and to enhance the flexural capacity of the beams strengthened with CFRP. A nonlinear finite element (FE) model was built, validated, and used to study the effect of various parameters on the strengthening efficiency of CNTs-modified CFRP. The studied parameters included concrete strength, flexural reinforcement ratio, and CFRP sheet configuration. The numerical results showed that utilization of CNTs in CFRP production improved the flexural capacity of the strengthened beams for U-shape and underside-strip configurations. The enhancement was more pronounced in the case of U-shape than in the case of use of sheet strip covers on the underside of the beam. In case of using underside-strip, the longer or the wider the sheet, the higher was the flexural capacity of the beams. The flexural enhancement of RC beams by strengthening with CNTs-modified CFRP decreased with increasing the rebar diameter and was not affected by concrete strength.     

碳纤维布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研究

在混凝土梁底粘贴碳纤维布提高其受弯承载力 ,常由于碳纤维布的剥离破坏使受弯加固的效率受到影响。为此 ,提出在梁底碳纤维布的粘结延伸长度范围内采用附加碳纤维布U形箍来提高梁底碳纤维布的抗剥离能力。通过 1 4根梁的试验 ,研究了U形箍的抗剥离机理和设置位置、U形箍量和形式等对梁底碳纤维布抗剥离性能的影响 ,并根据试验研究结果给出了设置U形箍的有关建议。     

预载水平及剪/弯承载力比对剥离破坏的影响

通过碳纤维片材加固钢筋混凝土简支梁的受弯试验及文献中相关试验,研究了预载水平及剪/弯承载力比对纤维片材初始剥离荷载的影响。对本文试验及文献中发生剥离破坏的碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的试验研究,分析结果表明:(1)随剪/弯承载力比的增大,加固梁纤维片材的初始剥离荷载也随之增大;但当剪/弯承载力比值较小,即受剪承载力富裕度较小的情况下,纤维片材可能会在低于设计极限承载力时发生剥离破坏;(2)加固时预载水平的大小对碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的极限荷载和CFRP片材初始剥离时的荷载影响不大。因此加固设计时必须充分考虑加固构件的受剪承载力对剥离破坏的影响,以避免纤维剥离这一脆性破坏模式的发生。