纤维增强复合材料(FRP)配筋混凝土结构研究综述

新型建材纤维增强复合材料(FRP)具有高抗拉强度、低密度和耐腐蚀性能优良等特性,是一种具有巨大潜力的工程材料。如今,传统的钢筋混凝土结构面临钢筋易锈蚀的问题,给社会造成了较大的经济损失,维护和修复成本高昂。通过在特定环境中将钢筋替换为FRP筋,不仅能够有效解决钢筋混凝土结构的耐久性问题,而且能够进一步优化其工作性能,延长使用寿命,降低维护成本。首先简述了FRP筋混凝土结构的国内外研究进展,随后对FRP筋、FRP筋混凝土及预应力FRP筋混凝土结构的特性进行了阐述,最后对FRP筋混凝土结构的重要发展问题进行了总结,并对其未来的发展前景进行了展望。

Experimental study and analysis on fatigue stiffness of RC beams strengthened with CFRP and steel plate

The objective of this work is to investigate the fatigue behavior of reinforced concrete(RC) beams strengthened with externally bonded carbon fiber reinforced polymer(CFRP) and steel plate. An experimental investigation and theoretical analysis were made on the law of deflection development and stiffness degradation, as well as the influence of fatigue load ranges. Test results indicate that the law of three-stage change under fatigue loading is followed by both midspan deflection and permanent deflection, which also have positive correlation with fatigue load amplitude. Fatigue stiffness of composite strengthened beams degrades gradually with the increasing of number of cycles. Based on the experimental results, a theoretical model by effective moment of inertia method is developed for calculating the sectional stiffness of such composite strengthened beams under fatigue loading, and the calculated results are in good agreement with the experimental results.

FRP在工程结构中的应用与发展

FRP(纤维增强复合材料)近年来在混凝土结构加固中得到广泛的应用,并作为一种新型高性能结构材料受到结构工程界的广泛关注,国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用。本文介绍了结构工程中常用的FRP材料性能和形式,分析了其优点与不足,并介绍了FRP加固结构、FRP配筋和预应力FRP筋混凝土结构、FRP结构与FRP组合结构以及FRP在桥梁结构、大跨空间结构和智能结构中的应用与发展,以期促进我国土建结构工程中对这一新型高性能材料应用和研究工作的开展。

FRP加固钢筋混凝土墩柱抗震性能研究综述

回顾并总结了纤维增强复合材料(FRP)片材和织物抗震加固钢筋混凝土(RC)结构的研究现状,介绍了FRP的加固方式,包括粘贴形式和锚固方法;对影响FRP抗震加固效果的原柱条件、加固参数和受力条件的试验研究现状进行了归纳,探讨了FRP加固墩柱的破坏模式及FRP加固结构的抗震性能理论研究进展。针对现有研究成果,提出了一些FRP加固结构抗震性能研究的建议和意见,为其后续研究提供了参考。

FRP编织网/ECC复合加固钢筋混凝土圆柱力学性能的试验研究

考虑纤维编织网表面处理、层数和ECC施工工艺等因素,对FRP编织网/ECC复合增强钢筋混凝土圆柱进行了静力轴向受压试验,研究了加固柱的承载力和变形能力.在试验研究的基础上,利用有限元软件建立了加固柱的数值分析模型.试验结果表明,加固柱的破坏形态为BFRP编织网断裂;随着编织网层数的增加,加固柱的极限荷载和变形性能均有所提高;FRP编织网经过表面处理后,显著地改善了与ECC的界面黏结性能和共同工作性能;涂抹ECC和喷射ECC与FRP编织网形成的复合加固层,均能对核心钢筋混凝土柱提供有效的侧向约束应力,延缓了纵筋的屈服.计算结果表明,利用所建立的非线性有限元模型,可以有效地预测加固柱的极限荷载和受力性能.

冻融循环作用下CFRP加固混凝土梁疲劳性能试验研究

为研究冻融循环作用对CFRP加固混凝土梁疲劳性能的影响,以CFRP加固混凝土梁的疲劳试验作为对照,分别进行了CFRP加固受到冻融循环作用的混凝土梁的疲劳试验和CFRP加固梁经冻融循环作用后的疲劳试验.试验结果表明：在正常使用状态下,冻融循环50次作用后,CFRP加固梁的挠度增加了6.2%-14.9%,主筋应变增加了2.14%-11.2%,刚度变化不显著;在相同疲劳荷载作用下,与未经冻融作用的CFRP加固梁相比,经受冻融循环作用的CFRP加固梁的疲劳寿命降低不到5%;CFRP加固受到冻融损伤的混凝土梁可能发生剥离破坏,因而在工程中,为防止发生剥离破坏应采取有效措施.

预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁受弯性能试验

为研究钢-混凝土组合梁经预应力碳纤维板加固后的受弯性能,设计4根预应力碳纤维板加固试件和1根不加固的对比试件. 5根试件均为工字形钢-混凝土组合简支梁,采用四点弯曲静力加载.锚固装置为自主研发的装配式预应力碳纤维板锚固系统,碳纤维板与钢梁之间的锚固主要依靠端部锚具,并辅之以专用环氧胶的黏结作用.试验中考虑碳纤维板的加固量和预应力水平两种因素对加固效果的影响.结果表明:加载全过程截面应变基本符合平截面假定;增大碳纤维板的加固量能提高钢-混凝土组合梁的抗弯极限承载力;增大碳纤维板的预应力有助于提高钢-混凝土组合梁的屈服承载力,对结构抗弯刚度贡献有限;破坏阶段碳纤维板有断裂和剥离两种形式,其强度利用率可达到80%以上.所采用的锚固系统锚固力大、可靠度高,工程实用价值大;预应力碳纤维板加固钢-混凝土组合梁,能有效提高结构的抗弯承载力,是一种补强效果很好的主动加固技术.

纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土柱研究进展

纤维增强复合材料(FRP)在混凝土结构加固中得到了广泛的应用。依据国内外相关资料,从FRP材料类型与施工方法、试验加载形式、混凝土柱截面形式、加固后柱的强度、延性及破坏模式等方面,对FRP加固混凝土柱的大量研究成果进行了总结评述,并对今后可能的研究方向提出了展望。

负载下CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁抗弯试验及设计理论

模拟实际构件的加固及受力过程,对不同负载下外贴碳纤维复合材料(CFRP)与钢板复合加固梁进行受弯试验与理论分析。试验梁4根,其中CFRP与钢板复合加固梁3根和对比梁1根。研究负载下CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能及负载水平对其的影响。最后推导负载下复合加固梁的抗弯极限承载力、挠度及裂缝宽度计算公式。实验结果表明:复合加固梁的承载力和抗弯刚度都显著提高,且破坏时复合加固梁具有较好的延性;负载对梁的承载力几乎没有影响,可以忽略,但对梁的抗弯刚度和裂缝宽度影响显著,尤其是在屈服阶段前;承载力、挠度和裂缝宽度的计算结果与试验数据较吻合,可供实际工程加固设计参考。

倒角半径对矩形FRP-钢复合管混凝土轴压性能的影响规律

通过对10个不同倒角半径的矩形纤维增强复合材料(FRP)-钢复合管混凝土试件的轴压性能试验,研究截面倒角半径对其轴压性能的影响。试验结果表明:在FRP断裂之前,钢管的局部屈曲能够得到有效的抑制,FRP的横向约束能够改善矩形钢管混凝土的受力性能,延缓其屈曲过程,相对于钢管混凝土,FRP对其承载力有提高效果;归因于角部的局部应力集中现象,FRP断裂位置都发生在试件中部的倒角部位,改变角部的倒角半径能够改善角部的应力集中,削弱FRP在角部的受力,提高FRP的约束效果;随着矩形截面倒角半径的增大,钢管混凝土或FRP-钢复合管混凝土的受力性能越好。

负载对CFRP及CFRP与钢板复合加固R.C梁抗弯性能的影响

对不同负载下7根外贴CFRP或CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁进行抗弯试验,研究负载时CFRP或CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能及负载水平的影响。试验结果表明：粘贴CFRP加固梁极限承载力显著提高,但屈服荷载和屈服阶段前梁的刚度提高较小,且负载对承载力提高限值有较大的影响,负载越大,承载力提高限值越小;而粘贴CFRP与钢板复合加固梁承载力和刚度都显著提高,且破坏时具有较好的延性,复合加固梁承载力提高限值远远比单一材料加固的大,承载力限值可提高113.13%~147.23%;负载对加固梁承载力影响较小,可以忽略,但对加固梁结构的使用性能影响较大,所以,在实际加固工程中尽量要卸载。

FRP加固钢筋混凝土结构阻锈性能的研究

研究了纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer/plastic,FRP)加固锈蚀混凝土结构抗腐蚀特性,并与2种常用的阻锈材料(硅烷和Sika903)进行了比较.试验研究了FRP种类(碳纤维布(carbon fiber reinforced poly-mer/plastic,CFRP)、玄武岩纤维布(basalt fiber reinforced polymer/plastic,BFRP)和聚乙烯纤维布(polyethylenefiber reinforced polymer/plastic,PEFRP))、环氧树脂对阻锈性能的影响,试验研究表明:几种阻锈材料表现出不同的阻锈能力,CFRP、BFRP和PEFRP加固试件的理论锈蚀率(由实测的腐蚀电流确定)分别是标准试件(未保护试件)的13.9%、23.6%和17.2%;硅烷保护试件的理论锈蚀率与FRP系列差别不大,是标准试件的22.5%;Sika903阻锈蚀能力稍差,理论锈蚀率是标准试件的44.3%;单独使用环氧树脂可以取得良好的阻锈效果,理论锈蚀率是标准试件的20.7%.

FRP加固钢筋混凝土构件裂缝研究进展与探讨

外贴FRP材料是一种非常流行的钢筋混凝土结构加固技术,但是与加固后构件承载力相比,在FRP加固构件正常使用性能方面的研究仍不够深入,尚存在许多值得探讨的问题。本文在总结分析国内外已有研究成果的基础上,研究了外贴FRP加固钢筋混凝土构件裂缝开展的机理和特点,分析探讨了我国钢筋混凝土构件裂缝开展性能预测方法用于该类加固构件时的适用性和存在的问题,并探讨了影响FRP加固构件裂缝形成及开展的主要影响因素,最后提出了建立新的裂缝预测模型的必要性。

表层嵌贴FRP-混凝土黏结加固研究进展

表层嵌贴FRP修复加固混凝土结构是一种富有前景的新型技术,目前该技术领域的研究主要集中在黏结机理和抗弯加固两方面。论述表层嵌贴FRP-混凝土的试验方法、主要控制参数、破坏模式、黏结机理、界面黏结滑移本构关系等。最后,对目前国内外表层嵌贴FRP-混凝土黏结性能的研究现状进行探讨,希望为表层嵌贴FRP加固技术的进一步研究发展提供方向。

外贴FRP加固钢筋混凝土梁用量显式设计方法

对外贴FRP(纤维增强复合材料)加固钢筋混凝土梁抗弯极限承载力的求解问题,ACI 440F规范及我国CECS 146:2003规程都给出了相应的求解公式,但均为验算形式.这在面向设计,即计算给定目标承载力下的FRP用量时,并不方便.针对矩形截面形式,通过引入原构件配筋特征参数和FRP配筋特征参数,推导出量纲一形式的弯矩增量与参数之间的关系表达式,并给出显式求解FRP用量的计算方法.在此基础上,进一步通过定义截面形状系数,将这一显式求解方法推广至T形及更为一般性的截面形式.

CFRP加固砼—砖组合墙抗震性能试验与分析

为研究碳纤维布(CFRP)加固后砼—砖组合墙的抗震性能,对2组开有洞口的墙体试件进行了拟静力试验研究,分析其破坏形态、裂缝分布、荷载、滞回曲线、延性系数、应力—应变曲线等抗震性能指标。研究CFRP加固对砼—砖组合墙体的影响,并与加固后的纯砖墙试件进行对比。结果显示:CFRP加固后的砼—砖组合墙试件的开裂荷载提高了16.67%,极限荷载提高了31.43%以上,延性提高了77.8%以上;CFRP加固后的纯砖墙试件开裂荷载、极限荷载均无明显提高,延性提高了10.3%。表明CFRP加固可以显著提高砼—砖组合墙的抗震性能,且加固效果要明显优于对纯砖墙的加固。为CFRP加固砼—砖组合墙的推广和应用提供参考。

CFRP加固钢筋砼梁正截面粘贴面积2种计算方法比较

针对《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》与《混凝土结构加固设计规范》2种现行标准中计算CFRP加固钢筋混凝土梁正截面粘贴面积存在差异的问题,分别从钢筋混凝土梁正截面加固计算与粘贴碳纤维布截面面积计算2个方面进行比较分析。可以看出《混凝土结构加固设计规范》中受弯构件正截面加固计算公式表达更简洁、条理更清晰。2个标准都考虑了2次受力的影响并强调“强剪弱弯”的设计原则,规定加固后正截面受弯承载力提高幅度不应超过40%,但《混凝土结构加固设计规范》还限制加固量不宜超过4层,即加固后正截面受弯承载力提高幅度约为10%/层。通过工程加固改造应用算例进行计算发现:分别采用《混凝土结构加固设计规范》与《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》计算碳纤维布的粘贴面积比值为1.17,《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》计算偏于保守;而《混凝土结构加固设计规范》计算值偏大,需要进行验证,避免在加固设计时造成浪费。

含FRP约束竖向钢筋搭接连接的预制剪力墙抗震性能试验

目的研究FRP约束的装配式剪力墙结构竖向连接的可靠性.方法在采用该种连接方式的钢筋锚固性能试验和搭接性能试验的基础上,完成了3个包含该种连接方式的剪力墙试件的拟静力试验,分析钢筋直径、搭接长度、等代关系等参数对剪力墙抗震性能的影响.结果在搭接长度l_(c)=1.04 l_(a)情况下,剪力墙试件以压弯破坏为主,且与现浇试件的破坏形态相同;试件滞回曲线的滞回环饱满,耗能性能较好;试件延性系数分别为4.3、3.9、4.6,极限位移角均不小于1/56,表明试件延性性能较好.结论研究证明装配式剪力墙结构的“含FRP约束环的钢筋搭接连接”方法是可靠的,能够保证剪力墙装配节点区域内竖向钢筋的有效应力传递.

基于单层纤维失效准则的FRP型材-混凝土组合梁极限承载力计算与试验

为研究FRP型材-混凝土组合的梁失效模式与承载能力,提出了一种基于单层纤维失效准则的组合梁极限承载力计算方法.首先,分析了FRP材料特性、铺设方式、界面连接等对组合梁结构性能的影响,揭示了FRP型材-混凝土组合梁失效模式多样性的规律.然后,基于FRP型材失效和混凝土桥面板失效,将各类破坏模式归纳为2类.最后,采用细观力学方法,建立了各单层纤维所承受的应力计算公式.针对3片FRP型材-混凝土组合梁,进行了单调荷载作用下的破坏性试验.试验结果表明,承载能力计算结果与试验结果吻合较好.所提方法可较为准确地判定组合梁失效模式,简化了FRP型材-混凝土组合梁的计算复杂度,适用于由FRP纤维破坏引起的结构失效.

BFRP网格-PCM薄面黏贴加固钢筋混凝土板抗弯性能

针对老旧桥梁桥面板出现结构损伤与材料老化,结合玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)网格与聚合物砂浆(PCM)提出一种新的加固技术以提升钢筋混凝土板的抗弯性能。首先,采用双剪试验研究BFRP网格与混凝土界面的黏结荷载,共制备18个试件,试验变量包括网格种类、网格厚度、PCM种类以及界面剂;其次,浇筑6块钢筋混凝土板,通过四点弯曲试验系统地分析网格种类、网格厚度、网格布置方式以及PCM种类对加固板抗弯性能的影响。研究结果表明:界面剂能有效提高BFRP网格与混凝土之间的黏结荷载;当BFRP网格与混凝土表面的黏结长度大于有效黏结长度时,BFRP网格强度利用率达到90%以上,黏结荷载高于相同情况下玄武岩纤维布/BFRP板与混凝土的黏结荷载;BFRP网格与PCM形成的薄面加固层能显著提高钢筋混凝土板的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载,同时减小最大裂缝宽度并改善裂缝分布;在整个加载过程中,BFRP网格-PCM薄面加固层与混凝土板协同变形,加固板最终发生混凝土压碎或FRP网格断裂破坏,并未出现剥离破坏;传统钢筋混凝土构件抗弯承载力计算方法适用于预测BFRP网格加固后板的抗弯承载力。