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。     

端部混锚CFRP加固混凝土界面黏结性能模型

现阶段工程实际中CFRP加固钢筋混凝土构件采用的纯粘贴CFRP的方法,容易发生CFRP片材的早期剥离破坏,大大降低了加固效果,采用端部混锚技术可以有效改善该问题。为丰富端部混锚技术加固理论,研究端部混锚技术对CFRP加固混凝土界面黏结性能的影响,结合指数型双参数黏结-滑移本构模型,利用叠加法建立了端部混锚CFRP加固混凝土界面黏结行为理论模型,得到了界面荷载-滑移曲线、界面黏结剪切应力、CFRP正应力和应变分布表达式。并设计进行了端部锚固加固混凝土试件的单面剪切试验,将试验数据与理论公式进行了对比分析,验证了解析推导公式的正确性。此外,经参数分析可知,界面参数A对界面剥离荷载值和相对应滑移值的影响最大;当黏结长度小于有效黏结长度时,剥离荷载及对应的加载端滑移都会明显减小。     

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.     

CFRP板加固混凝土宽缺口试验梁界面滑移量求取方法

FRP板-混凝土之间界面的黏结能力可通过FRP-混凝土界面黏结滑移曲线来考量。为寻求相对准确的界面黏结滑移模型,研究外贴CFRP板加固混凝土梁界面特性,将混凝土梁的纯弯段混凝土保护层部分切除形成宽缺口梁,对混凝土梁实施外贴CFRP板加固,并对其进行四点弯曲加载,通过外置的测试系统可以精确测量CFRP板指定截面的移动量。试验和分析计算表明,用所设计的试验及其测试系统能够较准确地研究混凝土-CFRP板界面上的黏结剪应力及滑移特性,截面移动量易测,CFRP板受力明确且平均剪应力求取方便,可准确获取CFRP板与混凝土界面的滑移量及黏结滑移曲线,获取界面滑移量不需在CFRP板上密贴应变片,试验方法和界面滑移计算方法可为CFRP板与混凝土界面的特性研究提供参考。     

存在薄弱界面的碳纤维布复合材料加固钢筋混凝土梁剥离试验研究

置换受损保护层并外贴碳纤维复合材料（CFRP）加固锈蚀钢筋混凝土梁时,可能因新老混凝土黏结不良产生水平薄弱界面,影响其受力性能。基于此,设计10个带有水平弱界面的CFRP加固钢筋混凝土梁试件,对比分析不同界面黏结强度、加固量、保护层厚度及U形箍约束条件下加固梁的受力性能及CFRP的剥离破坏行为。结果表明,薄弱界面的存在易导致中部保护层剥离过早发生,并向端部发展,削弱了加固体系的整体性,无约束条件下纵向CFRP发生整体剥离。界面削弱越严重,加固量越大,保护层厚度越小,界面剪切传递能力越弱,剥离破坏越易发生和发展。U形箍约束能防止纵向CFRP整体剥离破坏,保证其有效受力,但不能完全防止局部剥离沿薄弱界面发展,易导致纵向CFRP在复合受力条件下过早断裂,且存在较高的端部锚固破坏的风险。     

新型CFRP抗弯加固方法的试验研究

为了解决外贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固法中加固构件因发生CFRP布剥离而使加固失效的问题,提出了一种新的端部锚固方法,即将CFRP布两端缠绕在铁片上,然后用螺栓把铁片固定于混凝土梁的支座处;对采用该方法加固的钢筋混凝土梁进行了三点弯曲试验。结果表明:这种端部锚固方法可以延缓CFRP布的剥离,即使CFRP布在跨中剥离仍可与梁共同受力,直至CFRP布拉断,从而有效地提高CFRP的利用率;此外,加固梁表现出良好的延性破坏特征。     

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。     

带端部锚具碳纤维复材板加固开裂钢梁的界面剥离规律研究

黏接界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的最薄弱环节,尤其是钢梁缺陷处黏接层易开裂导致加固结构的破坏。对带端部锚具的CFRP加固开裂钢梁进行静载和疲劳试验,记录了试验过程中钢梁裂纹尖端开裂和胶层剥离情况。试验结果表明:静载作用下,界面剥离发生在跨中裂缝处并向两端延伸,端部锚具防止了CFRP板的通长剥离;端部锚具进一步提高了加固梁的极限承载能力,有利于提高加固梁的安全性;疲劳荷载作用下,界面剥离扩展速率在纯弯段基本不变,在弯段外加速扩展;静载作用下,钢梁腹板裂纹尖端开裂过程较缓,具有明显的塑性变形阶段,而疲劳荷载作用下裂纹尖端开裂则呈现突发性。     

外贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁裂缝性能试验研究

通过外贴碳纤维(CFRP)布加固钢筋混凝土梁受弯试验,研究了加固后钢筋混凝土梁在不同CFRP用量、不同CFRP-混凝土粘结宽度和不同预裂裂缝情况下的弯曲裂缝性能,测量了加固梁中纯弯段内钢筋和CFRP应变分布,分析得到了CFRP-混凝土局部粘结-滑移曲线特征。结果表明,外贴CFRP对加固梁的裂缝性能具有显著的改善效果,随CFRP用量和CFRP-混凝土粘结宽度的增加,裂缝间距和宽度均减小,随预裂荷载的增大,加固梁的裂缝间距和宽度增大。采用基于粘结-滑移理论的裂缝分析模型对试验梁的裂缝性能进行了分析,模型同时考虑了钢筋-混凝土界面粘结-滑移和CFRP-混凝土界面粘结-滑移对裂缝性能的影响,模拟裂缝宽度和试验裂缝宽度的对比表明,基于粘结-滑移理论的裂缝分析是合理的。     

预应力CFRP格栅与高性能水泥基复材加固混凝土梁抗弯性能试验研究

为获得预应力CFRP格栅与高性能水泥基复材加固钢筋混凝土梁抗弯性能,将CFRP格栅预应力张拉值、CFRP格栅层数作为试验变量,共设计7根预应力CFRP格栅与高性能水泥基复材加固钢筋混凝土梁,开展其抗弯性能试验研究,分析各变量对预应力CFRP格栅与高性能水泥基复材加固混凝土梁弯曲性能的影响。试验结果表明,由于未进行有效的锚固,CFRP格栅与高性能水泥基复材复合层与混凝土间大部分发生相对滑移现象,大部分加固层为端部剥离破坏,其中CFRP格栅与高性能水泥基复材没有发生脱黏现象。随着CFRP格栅预应力张拉值、CFRP格栅层数的增大,加固梁的抗弯承载力得到显著提高。与未加固的普通混凝土梁相比,加固梁的开裂、屈服和极限荷载有了一定幅度的提高,为未来预应力CFRP格栅与高性能水泥基复材加固混凝土梁端部进行有效锚固提供了一定的依据。     

预应力CFRP加固高强混凝土梁试验

通过四点弯曲试验进行了预应力碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢筋混凝土梁与无筋混凝土梁受力过程、破坏形态、延性以及梁底CFRP应变的对比性研究,并对0,0.15f_cfk,0.30f_cfk（f_cfk为抗拉强度标准值）3种预应力等级下的加固梁受弯性能进行了研究。结果表明:试验梁破坏形态均为接近中部弯剪裂缝引起的界面破坏;当CFRP预应力由0提高至0.15f_cfk,0.30f_cfk时,混凝土加固梁与钢筋混凝土加固梁提升基本一致,无筋混凝土梁极限荷载分别提高了8%和28%,钢筋混凝土梁极限荷载分别提高了10%和25%;随着CFRP预应力等级提高,加固梁底部的剥离破坏逐渐由树脂胶层的破坏转变成胶层与混凝土界面的破坏,预应力CFRP加固钢筋混凝土梁比无筋混凝土梁裂缝数量明显增多,裂缝开展速度缓慢,裂缝均分布于加固梁两侧,无筋混凝土加固梁裂缝主要分布于一侧,且钢筋混凝土加固梁延性有明显提高;与CFRP预应力由0提升至0.15f_cfk相比,CFRP预应力等级由0.15f_cfk提升至0.30f_cfk时梁底CFRP跨中应变提升幅度较大,CFRP利用率有了明显提升。     

温度-荷载耦合作用下端锚CFRP加固RC梁受弯性能研究

为研究端部锚固对碳纤维增强聚合物(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁高温性能的影响,进行了温度和荷载耦合作用下带有端部锚固的CFRP加固梁受弯性能试验,采用纯外贴、钢压板锚固和自锁式锚固等不同端锚形式,对比分析端部锚固措施对加固梁受弯性能的影响。结果表明：与纯外贴CFRP加固梁相比,端部锚固提高了加固梁常温及高温下的受弯性能;钢压板锚固在常温下可以有效限制CFRP端部剥离,CFRP强度利用率由43.6%提高至79.3%,极限荷载提高12%左右;但是温度达100℃后钢压板锚固无法限制CFRP剥离,承载力退化至未加固水平,加载过程中最大强度利用率只有50.5%;自锁式锚固法在任何温度下均可限制CFRP剥离,其破坏形式多为CFRP拉断,可以最大限度地提高CFRP强度利用效率;在试验温度100℃下极限荷载相比纯外贴形式的提高了22.7%,在试验温度120℃下极限荷载相比钢压板锚固试件仍提高10%。引入了承载力退化系数,给出了温度-荷载耦合作用下端锚CFRP加固梁正截面受弯承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

CFRP板侧面嵌贴加固钢筋混凝土梁试验研究

在对5根CFRP板侧面嵌贴加固钢筋混凝土梁和1根未加固梁进行抗弯性能试验,研究该加固方法对试件承载能力、荷载-跨中挠度曲线以及裂缝发展情况的影响。试验结果表明:CFRP板侧面嵌贴加固钢筋混凝土梁可以显著提高构件开裂荷载和极限荷载,增加构件刚度,减小构件变形和抑制裂缝发展,具有明显的加固效果。     

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-混凝土界面黏结疲劳性能试验研究

采用双面剪切试验,通过对5组双剪试件分别施加不同应力水平的疲劳荷载,对比分析各组试件的破坏特征、剪应变分布、端部滑移演化规律以及200万次疲劳后的剩余黏结承载能力,讨论了不同应力水平对CFRP-混凝土界面黏结疲劳性能的影响.试验结果表明:疲劳荷载作用下CFRP-混凝土试件均会在黏结界面下较浅的混凝土表层发生剥离,剥离长度随应力水平的提高而增长,并且两者近似呈线性关系;随着疲劳次数的增加,CFRP上的应力-应变从加载端逐渐向自由端传递,界面的端部滑移量呈增长趋势;应力水平越高对剪应变沿黏结长度的分布规律及端部滑移情况的影响越明显;疲劳荷载作用后,剩余的黏结长度大于有效黏结长度时,界面极限承载力无明显变化,反之,应力水平越高,剩余界面黏结承载力的下降幅度越大.     

纤维增强复合材料加固钢筋混凝土单向板受弯性能研究

通过纤维增强复合材料（FRP）布加固钢筋混凝土单向板的受弯性能试验,研究了FRP布种类、层数、宽度、粘贴方式和锚固措施等因素对加固效果的影响。结果表明：在板底粘贴CFRP布和高强GFRP布均可明显提高钢筋混凝土单向板的受弯承载力和纵筋屈服后刚度。当采用横向粘贴1层U形CFRP布条作为端部锚固措施时,所有加固单向板试件的破坏模式均为跨中弯曲裂缝引起的剥离破坏。当FRP布宽度和层数相同时,采用CFRP布加固效果优于高强GFRP布加固。与对比试件相比,FRP布加固钢筋混凝土单向板试件的位移延性略有降低。高强GFRP布加固钢筋混凝土单向板的位移延性优于CFRP布加固钢筋混凝土单向板。FRP布的粘贴方式对FRP加固钢筋混凝土单向板的位移延性也有影响,单层FRP布加固单向板试件的延性较好。通过对试验结果的分析,提出了FRP布加固钢筋混凝土单向板构件受弯破坏模式的判别方法,验证了已有文献和GB 50608-2010《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》中给出的跨中弯曲裂缝引起的FRP剥离应变计算公式对FRP布加固混凝土单向板的适用性,建立了FRP布加固钢筋混凝土单向板受弯承载力计算方法。     

预应力CFRP板加固混凝土梁力学破坏模式研究

预应力CFRP板加固混凝土梁技术对其锚固件研究较多,而对其加固效果和破坏荷载下的力学模式缺乏数据分析。通过对空心板原型梁按比例缩小后制作3根混凝土实心模型梁,在预压和预应力CFRP板加固后考察不同荷载下梁的力学性能、破坏形态及裂缝发展。结果表明,该加固方法能有效地限制裂缝发展,提高混凝土梁承载力;加固件在较小荷载下符合平截面假定,预应力CFRP板和混凝土梁协同工作,随荷载增加,应变先减小后增大;施加的预应力使梁体应力重新分布,钢筋应力和构件变形都减小;理论计算与模型试验比较表明加固后梁体存在较大的安全储备。     

预应力碳纤维板与混凝土界面黏结滑移本构关系研究

碳纤维板(CFRP)与混凝土界面之间的黏结滑移关系是预应力CFRP加固混凝土结构计算的关键参数之一。以CFRP初始预应力、CFRP宽度和胶层厚度为影响因素,设计了12组预应力CFRP加固混凝土试件,通过双面剪切试验测试结果建立每组试件的界面黏结应力与滑移量关系曲线。对比现有CFRP与混凝土界面本构关系模型所包含的基本参数,选择合适的模型对预应力CFRP与混凝土界面的黏结滑移本构关系进行拟合,并通过有限元模拟验证所拟合本构关系的准确性。该黏结滑移本构关系将对预应力CFRP加固混凝土梁的理论分析及工程应用提供理论依据。     

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁力学性能试验

基于预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁能够提高其承载能力的理论,进行了6根外贴预应力碳纤维布(CFRP)加固钢筋混凝土梁的力学性能试验。研究了在不同预应力和不同端部锚固方式下加固后的钢筋混凝土梁的预应力损失、开裂荷载、跨中挠度、极限荷载及抗弯抗剪性能。结果表明:碳纤维布预应力在一定范围内能够决定钢筋混凝土梁的加固效果,同时在梁端部采取锚固方式能有效阻止预应力碳纤维布在放张过程中的预应力损失;预应力碳纤维布加固后梁的开裂荷载随着预应力的增大而增大,最大增大幅度达到81.8%;极限荷载在一定范围内随预应力的增大先增大后减小,极限荷载最大增大幅度为41.07%。     

HB FRP加固混凝土结构组合界面黏结特性

为揭示HB-FRP(hybrid bonded fiber reinforced polymer)加固混凝土结构多作用组合工作机制,设计了5组黏结作用组合试验.基于实测荷载-滑移关系、应变分布、黏结-滑移关系开展了界面黏结特性研究,提出组合界面黏结-滑移统一模型和黏结荷载表达式.结果表明:HB-FRP加固混凝土组合作用可拆分为FRP黏结混凝土、侧压力和FRP黏结钢板;组合界面的黏结应力发展不同步,FRP板下表面与混凝土的剥离早于FRP板上表面与钢板的剥离,叠合工作时序不同;由侧压力引起的界面摩擦应力随界面应力的发展而增加并趋于稳定;理论模型结果与试验结果具有较好的一致性,可用于计算组合界面的黏结荷载.