混凝土结构加固施工方案

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1、目录1、碳纤维布加固混凝土结构的原理与施工技术探讨 12、碳纤维在某通信机房加固中的应用 53、南方某宾馆混凝土框架梁抗剪加固设计 94、碳纤维复合材料(CFRP)加固技术在南京*百货商店改造工程中的应用135、钢筋混凝土框架梁粘碳纤维加固现场加载试验166、碳纤维材料在某公共建筑抗震加固中的应用207、玻璃纤维聚合物在腐蚀环境下补强加固工程中的应用238、混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性279、碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力设计方法的研究3110、碳纤维布加固预应力混凝土空心板新技术3511、高强复合纤维材料加固混凝土结构技术的应用3812、碳纤维布加固混凝土梁截面刚度计算4013、锈

2、蚀钢筋混凝土结构防护与加固4314、碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析4915、CFRP 加固某大厦框架柱抗震性能的设计与施工 5316、碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用5717、碳纤维布用于钢筋混凝土工字梁桥抗弯加固的试验研究与分析6118、纤维薄板加固混凝土刚架拱桥的工程实践6519、碳纤维材料加固混凝土梁板技术在实际工程中的应用6920、碳纤维增强复合材料（CFRP）在公路 T 型截面桥梁加固设计与应用7221、特种荷载作用下，碳纤维（CFRP）技术在桥梁加固工程中的研究与应用7822、楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法8523、玻璃纤维聚合物混凝土在腐蚀

3、环境下天车道轨二次灌浆中的应用研究8724、碳纤维加固技术在桥梁补强工程中的应用902。碳纤维布加固混凝土结构的原理与施工技术探讨1、碳纤维布结构加固技术简介粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。碳纤维增强聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer 简称 CFRP，也称为碳纤维增强塑料）是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点：a、强度高（强度约为普通钢材的 10 倍），效果好；b、加固后能大大提高结

4、构的耐腐蚀性及耐久性；c、自重轻（约 200g/m ），基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广；d、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；e、施工工期短（本工程实例仅用一周）；因此，碳纤维结构加固技术在混凝土结构方面已产生较大的效应。碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于 C15 即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。2、碳纤维布加固的原理用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍；但是，碳纤维材

5、料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。3、工程概况某制药厂保太松车间建于 1984 年，因长期受腐蚀性气体的侵蚀，三根薄腹梁下弦混凝土与钢筋均遭受严重腐蚀，导致保护层混凝土开裂、酥松、剥落，下弦钢筋锈蚀、剥落

6、，钢筋受力截面削弱，危及结构安全，影响工人的生产情绪；经与设计人员一起进行分析比较，选择粘贴碳纤维布进行加固，能防止腐蚀性气体的侵蚀，延长梁的使用寿命（薄腹梁见图 1）4、碳纤维布加固的依据及前提4.1 碳纤维布加固的依据某制药厂提供的保太松车间图纸。屋架的腐蚀情况。薄腹梁的实际检测强度。混凝土结构加固技术规程。4.2 碳纤维布加固的前提首先，利用回弹法对薄腹梁混凝土进行检测，以供加固参考。经检测，混凝土的实际强度为 C30。根据设计图纸，及现场混凝土、钢筋的腐蚀情况，考虑提高下弦的抗拉强度等级，为此，将 610mm 宽的 T700S 型碳纤维布裁成两半，分两层粘贴在下弦的底面及两侧（薄腹梁下

7、弦宽度为 200mm），加固后，相当于增加原受拉钢筋面积的 46%，弥补了由于原钢筋锈蚀而造成的截面削减，构件的承载力得到加强，而且，总体配筋率minmax ，可以满足使用要求。4.3 碳纤维布的设计因梁底宽度为 200mm，而碳纤维布的宽度为 610mm，兼顾加固时碳纤维布的幅宽效应及下弦的受拉范1涂底胶找平围，考虑将碳纤维布裁为两半，一层为 300mm 宽，一层为 310mm 宽，分两层粘贴在梁的下侧及两面侧边（两侧边高度为 50-55mm），应注意：转角处须处理成圆角（R10mm），详见图 1。图1薄腹梁加固1粘贴碳纤维布二层（第一层宽度 300mm，第一层宽度 310mm）2粘贴碳纤维

8、布二层（第一层宽度 300mm，第一层宽度 310mm）5、碳纤维布加固的施工5.1 施工准备5.1.1 施工材料的准备辽宁省建设科学研究院生产的 JGN-C 胶（底胶）及 JGN-P 胶（粘着胶），T700S 型碳纤维布。5.1.2 辅助材料的准备专用滚筒，刮板，角向磨光机，剪刀，凿子，榔头，台秤，丙酮。5.1.3 搭设脚手架按安全规程要求搭设好脚手架，高度以方便施工为前提。5.2 施工工艺把屋架下弦被腐蚀部位的疏松混凝土凿掉，把锈蚀的钢筋用钢丝刷刷掉被锈蚀层。补粉凿除的混凝土梁用 SJ-601 防腐砂浆补粉凿除的混凝土梁（对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复），并养护三天。用压

9、缩空气将表面浮尘清除干净未凿部位（需加固处）用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，用丙酮将需粘贴处清洗干净。将 JGN-P 胶甲乙组分按需按 3：1 的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀，用刮板将它均匀地涂在屋架底面（两侧刮 150mm），待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。注意：调好的底胶须在规定的时间内用完，一般情况下 40min 内用完。混凝土表面凹陷部位用修补胶（JGN-C 胶掺入两倍粉料）填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补胶填补，尽量减少高度差。粘贴碳纤维布将 JG

10、N-C 胶甲乙组分按 3：1 的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀，用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上需粘贴碳纤维布处，随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位，然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚压，挤出汽泡。待指触干燥后，即可以进行第二道碳纤维布的粘贴，方法同第一道。注意：碳纤维布的搭接长度一般为 100mm，端部用横向碳纤维布固定。两道碳纤维布粘贴完，待指压干燥后，再刮涂一层 JGN-C 面胶，来回滚压，使胶充分渗入到碳纤维布中去。待面胶指触干燥后，表面做一层保护层（防火涂料或水泥砂浆）。2表122h6、有关材料的技术指标目前，国内碳纤维材料及配套结构胶的生产厂家有多家，选购前应认

11、真了解材料的相关技术指标及操作说明，我所所用的各材料指标如表 1表 3。结构加固修补用碳纤维材料（CFRP-T700S）主要性能指标抗拉强度延伸率密度（MPa）5000弹性模量（MPa）2.35105（%）2.1（g/cm3）1.8耐腐蚀性优浸透性良好均匀度良好表2碳纤维织物数据单位面积重量径向密度纬向密度(g/m )220径向重量比例%99径向纤维碳纤维纬向重量比例%1纬向纤维尼龙线碳布宽度(mm)610根/cm2.65积层厚度(mm)0.2根/cm1.6积层厚度为加入树脂后其纤维体积含量为50%时的厚度表3建筑结构胶主要技术性能指标外观结构胶名称作用甲组分乙组分JGN-C粘贴碳纤维专用胶白

12、色蜡状膏体棕色液体JGN-P与 JGN-C 配套使用的底胶无色透明液体棕红色液体粘接拉伸强度（MPa）拉伸剪切强度（MPa）压缩强度（MPa）弯曲强度（MPa）混合黏度（20时）涂布量适用期（20时）硬化时间（20时）使用温度30.020.050.030.05000cp(不流挂)0.61.0kg/m290min3.0h甲:乙=3:11035粘接强度(混凝土-混凝土)0.250.3kg/m2可使用时间指干时间（20时）甲:乙=3:1混凝土破坏2040min7、结论根据加固原理可知，在施工前必须选择合适的粘结剂，认真查看材料的质保书及使用说明，掌握材料的各有关参数，以确保它有足够的强度，能保证碳纤

13、维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作；在施工过程中，参照使用说明，每道胶都必须处理好，特别是粘贴碳纤维布的 JGN-C 胶，应尽可能让胶充分地渗入到碳纤维丝之间（细部空鼓处，可用针筒注射胶），确保相互共同工作。通过对某制药厂工程实例的施工操作，深深体会到碳纤维布结构加固技术简介中介绍的各项优点，该工程施工时，在确保安全的前提下，仅使用了简单的脚手架，而且，碳纤维布裁剪非常方便，可以根据形状及尺寸随意裁剪，在各种支架的遮挡处可以随意穿过，施工非常方便；另外，从 2001 年 5 月 7 日加固后到现在，在腐蚀性气体的侵蚀下，至今未见有被腐蚀处；该工程从开工到结束仅 7 天（包括搭、拆脚

14、手），3工程总费用仅约为 11000.00 元。由此可见，碳纤维布加固结构技术的优点很明显，应用前景很光明。8、探讨粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用，并已产生较大的经济效益；在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度，那么在其它的结构中，碳纤维布能否起到加强抗拉强度的作用呢？因为碳纤维布在结构胶的作用下强度很高，其它结构在用碳纤维布加固后，会否象类似钢筋混凝土结构构件的超筋截面破坏一样产生负面影响呢？目前我所正在探索应用碳纤维布加固砖砌体的技术（如砖砌体在外界环境影响下产生的裂缝修补，采用碳纤维布来提高砌体

15、的某些力学性能），该技术是粘贴碳纤维结构加固技术领域中的新生事物，如能成功，必将也能产生较大的经济效应。42 2-2碳纤维在某通信机房加固中的应用碳纤维增强聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer 简称 CFRP）是一种新兴的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领域。近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。较之传统的结构加固方法，碳纤维加固技术是一种新型高效的加固修复技术，它具有高强、高效、施工便捷、使用面广等优点。碳纤维加固技术是利用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从而达到结构补强及改善受力性能的目的。此项技术在美国、日本等发达国

16、家已成熟运用，在 20 世纪 90 年代后期国内才开始碳纤维加固技术的研究与应用，虽取得了一定的成果，但至今尚未形成系统的理论。1、工程概况随着通信事业的迅速发展，各地通信公司相继增设了一批通信机房。因通信设备荷载较大，一般民用建筑达不到使用要求。为确保使用安全，需对原建筑进行结构验算、结构加固等工作。某通信公司传输机房位于一办公楼三层楼面上，机房使用活载（6.0KN/m ）超过原办公楼使用活载 2.5 KN/m 。原楼面结构为主次梁现浇板体系（混凝土强度等级 C40，板受力筋为级钢筋，梁受力筋为级钢筋）。结构验算表明，楼板无需加固，而主次梁正截面需进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，

17、并征得业主的同意，决定采用碳纤维复合材料进行加固。加固平面如图 1 所示。图 1 机房加固平面2、材料特性本工程使用了日本进口的碳纤维布（ST200），其主要性能指标见表 1。表1碳纤维布主要性能指标型号ST200单位面积质量（gcm ）200设计厚度mm0.111设计抗拉强度fcf / MPa3400弹性模量Ecf / MPa2.3105粘贴用树脂采用国产 JGN 型建筑结构胶，其主要性能指标见表 2表2JGN 型建筑结构胶主要性能指标种类基底树脂（JGN-E）修补树脂（JGN-F）粘结树脂（JGN-D）拉伸强度MPa-2828压缩强度MPa-5050剪切强度MPa-1818适用温度0380

18、38038可使用时间min153040605(2)(3)23、加固设计3.1 基本假定用碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算与普通混凝土梁有所不同，其基本假定为：（1）受拉区混凝土的作用忽略不计；（2）梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：cf=Ecfcf。因本工程建成后未经装修使用，加固设计时忽略碳纤维二次受力的影响。3.2 设计方法3.2.1 实用公式根据极限状态应力应变关系（图 2），由平衡条件可得：当2a时，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcfMu cfAcf (h-/2)+ fyAs (h0-/2)- fyAs (/2-

19、as)当2a时，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcfMu cfAcf (h- as)+ fyAs (h0- as)(1)图2截面极限状态应力示意图3.2.2 规程公式根据碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程的规定，当混凝土受压区高度 xcfbh 时，其极限弯矩：MufyAs (h0- 0.5gcfbh)+Ecfcf Acf（1-0.5cfb）其中，界限相对受压区高度：cfb=0.8cu/（cu+cf）3.3 次梁加固设计次梁截面：bh=400mm500mm，As =As=1018mm2截面弯矩：Mu=242Knm3.3.1 按实用公式计算首先估算混凝土受压区高度12mm2as根据公式(2

20、),解得:Acf=53.1mm622223.3.2 按规程公式计算界限相对高度：cfb=0.80.003/(0.0033+0.01)=0.198512mmcfbh=89.3mm根据公式（3），解得：Acf=51.7mm3.3.3 设计结论两种计算结果相比较，其误差=（53.1-51.7）/53.1=2.64%在工程设计误差许可范围之内。2采取在梁底粘贴 300mm 宽碳纤维布两层（Acf=66.6mm ），可满足设计和使用要求。3.4 主梁加固设计2主梁截面：bh=500mm550mm，As=2233mm ，As=1960mm极限弯矩: Mu=450Knm3.4.1 按实用公计算首先估算混凝土

21、受压区高度: 29.5mm2as根据公式(2),解得:Acf=112.1mm3.4.2 按规程公式计算界限相对受压区高度:cfb=0.198529.5mmcfbh=89.3mm根据公式(3),解得:Acf=109.3mm3.4.3 设计结论两种计算结果相比较,其误差=（112.1-109.3）/112.1=2.5%在工程设计误差许可范围之内。2采取在梁底粘贴 400mm 宽碳纤维布 3 层（Acf=133.2mm ），可满足设计和使用要求。3.5 构造做法为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴 100mm 宽 U 型箍 3 道,在主次梁相交处每侧粘贴 100mm 宽 U

22、型箍两道,具体做法如图 3 所示。图 3 梁加固示意1柱边 3 个 U 型箍，宽 100mm，间距 100mm；2次梁每侧 2 个 U 型箍，宽 100mm，间距 100mm；3碳纤维 3 层7124、加固施工4.1 施工准备粘贴碳纤维加固工艺,施工质量至关重要,直接关系到加固效果的好坏。为确保工程质量，工程开工前对每个施工环节、环境因素、人员素质进行了细致周密的考虑，对施工现场进行了清理。4.2 施工步骤清除加固梁底及 U 型箍处吊筋等障碍物。用砂轮机将粘贴部位打磨平整，U 型箍转角处打磨成 R20mm 的圆弧状，用吹风机清除浮尘并刷丙酮去脂。涂刷基底树脂（JGN-E）使其渗透至混凝土内部，

23、以提高混凝土与碳纤维之间的粘结力。用整平材料补树脂（JGN-F）修复，填补不平整部位。涂刷粘结树脂（JGN-D），随即开始粘贴碳纤维布，多层粘贴时重复步骤（5）。粘贴完最后一层碳纤维布后再涂刷一道粘结树脂（JGN-D）。4.3 施工要点因为通迅公司传输房属城市生命线工程中的重点部位，加之本工程加固工作量大，在施工中特别注意以下几点：混凝土与碳纤维布之间界面处理和好坏直接影响到混凝土梁的加固效果。因此梁底面及 U 型箍处必须反复打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷处用修补胶找平。粘贴碳纤维布时必须两人密切配合，一人拉紧碳纤维布，一人用刮板从一侧边刮边贴，保证不留气泡，粘贴紧密。实践证明，刮板

24、粘贴碳纤维布效果很好，碳纤维布空鼓率基本为零。注意搭接区粘贴，做好标记，保证搭接长度150mm。经现场锤测及邵氏硬度计测试，施工质量达到优良，取得了良好的加固效果。5、结语工程实践证明，CFRP 加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了业主的要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广使用价值。参考文献滕智明.钢筋混凝土基本构件（第二版），北京：清华大学出版社，1998中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（征求意见稿）2000821南方某宾馆混凝土框架梁抗剪加固设

25、计1、工程概况南方某宾馆是由某政府办公楼改变使用功能而成的商业服务楼。该建筑为 6 层全现浇钢筋混凝土框架结构，局部 7 层。建筑面积 7000m ，于 1993 年建成，平面见图 1。目前的使用情况为：12 层为餐饮，34 层为桑拿，56 层为卡拉 OK 歌舞厅。在 2000 年 6 月的质量检查中发现部分框架梁梁端存在明显斜裂缝，造成安全隐患。图1结构平面D-E 轴梁尺寸为 250mm600mmE-F 轴梁尺寸为 250mm900mm2、房屋的非破损检测及评定结论在 2000 年 6 月的检测基础上，于 2001 年 4 月再次对房屋外观和框架梁进行普检。2.1 检测结果房屋外观质量良好，

26、框架填充墙表面均未发现斜裂缝。采用超声-回弹综合法进行框架梁混凝土强度检测，再采用取芯法进行修正从而确定混凝土强度值。检测结果表明，混凝土强度均大于 22Mpa。经普检，发现在第 2、4、6 层中有 16 根梁，共 25 个梁端出现斜裂缝，斜裂缝的倾斜角度较大（普遍大于 45），裂缝宽度为 0.10.3mm。斜裂缝范围内箍筋间距基本满足设计要求，对梁的抗剪承载力进行计算，也均满足设计要求。2.2 裂缝成因分析和可靠性鉴定结论由于建筑物外观良好，框架填充墙表面均未发现斜裂缝，梁端斜裂缝隔层出现，由此估计斜裂缝不是由于基础不均匀沉降造成的，又因为存在梁端斜裂缝的梁的箍筋间距和计算承载力均满足设计要

27、求（GB50292-1999） 中 4.2.5 条规定，把出现梁端斜裂缝的 16 根梁评级为 du 级，应对之进行抗剪加固。3、混凝土梁的抗剪加固3.1 基本设计参数由加固平面图和构件尺寸可知,D-F 轴跨截面尺寸：250mm600mm；E-F 跨梁截面尺寸：250mm900mm，各梁的剪跨比均大于 3，取=3。95223计算；2根据检测结果可知：混凝土强度均大于 22MPa，取 C22；箍筋为8mm，屈服强度为 210 Mpa，箍筋间距按检测结果平均值计算。碳纤维布材料参数：厚度 tcf=0.11mm，宽度 wcf=200mm，Ecf=2.110 MPa，极限应变cuf=1.5%。3.2 竖

28、直粘贴加固设计按我国在编规程Vb Vb,rc + Vb,cf中 4.4 规定，采取双 L 型片材 U 型竖直粘贴的加固方式。计算公式为：（1）Vb ,cf = 2ncf wcf tcf( scf + wcf ) cf ,v Ecf hcf（2） cf ,v = (0.2 + 0.12 ) cfu3（3）式中，Vb 为梁的剪力设计值；Vb，rc 为未加固钢筋混凝土梁的受剪承载力，按现行国家规范的规定Vbcf 为碳纤维片材承担的剪力；cf，v 为达到受剪承载力极限状态时碳纤维片材的应变； 为碳纤维片材受剪加固形式系数，对封闭粘贴取 =1.0，对 U 型粘贴取 =0.85，对侧面粘贴取 =0.70；

29、为剪跨比。应该指出，上述公式是国内外部分研究者和设计指南编写组通过碳纤维片材对混凝土简支梁进行抗剪加固的试验研究建立起来的。而连续梁的抗剪破坏发展方式与简支梁有显著区别，见图 2。图2简支梁连续梁粘贴有效长度对比（a）-U 型粘贴；（b）-简支梁;(c)- 连续梁；（d）侧面粘贴；（e）-简支梁简支梁（如图 2b）在正弯矩作用下梁顶受压梁底受拉，临界斜裂缝在梁底面 a 处最宽，梁上部 b 处最小。而连续梁端的破坏发展形式相反（如图示 2c），由于负弯矩的存在，梁底受压而梁顶受拉，临界斜裂缝在梁顶面 b 处最宽，梁下部 a 处最小。就抑制斜裂缝开展而言，在简支梁中的 AD 范围粘贴效果最佳，而在

30、 CF 范围粘贴加固作用最小。这是因为简支梁中加固效果最好的 AD 范围的粘结锚固长度最大（见图 2b 中的阴影部分），这样便充分发挥了 U 形粘贴方式的优势。而抑制连续梁斜裂缝开展的最佳部位是图10表15%2c 中的 CF 范围，但必须指出，在此范围内 U 形布的有效锚固长度恰好最短（见图 2c 阴影部分），故加固效果很小。在 BE 范围粘贴，对此两种梁的加固效果则相似。可见 U 形粘贴的加固效果对于连续梁而言只相当于侧面粘贴（见图 2c 和图 2e）。所以对于连续梁，U 形粘贴应按侧面粘贴来考虑，取 =0.70。加固前抗剪承载力 Vb，rc 和加固后抗剪承载力的提高百分比梁高箍筋间距加固前

31、承载力纤维承载力水平宽度承载力共提高加固位置h/mm/mmVbr，c /10 NVb，cf/105No/mm三层 5-E-F三层 6-E-F三层 8-E-F三层 9-E-F三层 9-E-F五层 4-E-F五层 5-E-F五层 5-E-F五层 6-E-F五层 6-E-F五层 9-E-F天面 4-E-F天面 4-E-D天面 5-E-F天面 6-E-F天面 6-D-E天面 7-D-E天面 7-E-F天面 8-E-F天面 8-E-F天面 8-D-E天面 8-D-E天面 9-E-F天面 9-E-F天面 9-D-EE端E端E端E端F端E端E端F端E端F端F端E端D端E端F端E端E端F端E端F端E端D端E端

32、F端E端9009009009009009009009009009009009006009009006006009009009006006009009006001101251201851172001541541191202002001311231212002001141091671091481161032003.1682.9162.9932.3173.0422.2242.5682.5683.0092.9932.2242.2241.8672.9462.9771.4611.4613.0943.1872.4522.0941.7283.0593.3111.4611.451.451.451.451.451

33、.451.451.451.451.451.451.450.9061.451.450.9060.9061.451.451.450.9060.9061.451.450.90680012001000100080010001000100010008001000600800100080016006008008008001400600800800120045.7749.7248.4562.5862.5865.2156.4656.4648.1848.4565.2165.2148.5349.2248.7062.0062.0046.8645.4959.1443.2652.4447.3943.8062.00还应指

34、出，规程推荐公式在两处局限，在实际工程应用中容易让人产生如下误解：（1）式中 hcf 表示FRP 抗剪承载力随梁高增高（粘结长度增加）而增加，但实际上如果粘结长度已经足够长，FRP 脱胶时的应力水平不会随着粘贴长度的增加而增加；（2）式中（scf+wcf）表示只要纤维宽度和间距之和一定，承载力与粘贴纤维片数量多少无关（如图 2c 中，若以相同的间距（scf+wcf）分别粘贴两片与三片的承载力计算11556A123结果一样）。可见容易造成误导。建议将公式修正为下式：Vb，cf=2 icfncfwcftcfcf，vEcf（icfhcf/（wcf+scf）（4）式中，icf 为与剪切裂缝相交的有效粘

35、贴的纤维片材的片数。本工程中按竖直 U 形方式粘贴一层碳纤维布，为了保证足够的抗剪承载力，取碳纤维片材条带净间距scf =0，其承担的剪力为 Vb，cf。EF 跨梁：hcf =800mm，=3.0，则 Vb，cf=1.4510 NDE 跨梁：hcf =500mm，=3.0，则 Vb，cf=0.90610 N3.3 加固前抗剪承载力 Vb，rc 和加固后抗剪承载力的提高百分比加固前抗剪承载力 Vb，rc 按如下规范公式 计算。计算结果见表 1。Vb ,rc =0.2 + 1.5f cb ho + 1.25 f yv sv hos（5）根据裂缝情况确定各梁端竖直粘贴碳纤维片材总宽度o（如图 2c）

36、，为保证有足够的竖直碳纤维布与斜裂缝相交，取ohcf（见表 1）。最后在纤维上端贴上压条，使斜裂缝末端处有纵横纤维作用，以应对该处的复杂应力状态。可见,粘贴碳纤维布使梁的抗剪承载力提高了 43%62%。4、结语连续梁抗剪工作机理与简支梁不同，建议将连续 U 形粘贴抗剪加固形式按侧面粘贴形式考虑，以保证加固设计的可靠性。参考文献GB502921999 民用建筑可靠性鉴定标准中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（征求意见稿）200012GBJ1089 混凝土结构设计规范碳纤维复合材料(CFRP)加固技术在南京*百货商店改造工程中的应用1、前言碳纤维复合材料（Carbon Fi

37、ber Reinforce Plastic）加固修复混凝土结构技术是将碳纤维这种高性能纤维材料应用于土木工程，利用与其相配套的树脂类粘结剂（建筑结构胶）将碳纤维粘贴到结构或构件需要加固的部位表面，形成复合材料体（CFRP），通过其与结构或构件的协同工作，来提高结构或构件的承载力和延性的一种新型加固工法。该工法与传统的结构加固技术相比，以其轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结结构影响较小等优点，广泛应用于国内外结构加固改造工程中。2、加固方案设计依据碳纤维材料加固混凝土构件，通常有以下几种方式：沿构件主轴方向粘贴碳纤维，以提高构件正截面的抗弯能力；沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与

38、原有箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力；沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在国内工程中应用最多的是第一种方式，即加固修复提高梁板正截面承载能力，使之满足使用功能要求。南京*百货商店一期改造工程中，经过现场勘察和设计计算，发现结构第 1 层、第 2 层和第 5 层由于使用功能的改变，局部梁抗弯承载力无法满足使用要求，经方案比较，采用在梁底通长方向粘贴碳纤维布，梁端附加碳纤维布条制成 U 字箍，既对梁底碳纤维布有较好的锚固作用，也提高了梁端部的抗剪承载力。局部改造平面如图 1 所示。图1南京*一期改造平面（一层局部）1L003，300700mm（已有，要加

39、固）；2L004，300700mm（已有，要加固）；3300800mm（已有，要加固）；4原有大楼已竣工部分；5圆筒部分不变3、工程简化计算方法3.1 简化计算假定根据平截面假定，碳纤维的应变略大于钢筋应变，为简化计算，可以近似认为碳纤维的拉应变等于钢筋拉应变，这种简化是偏于安全的。按受力相等的原则，可以将碳纤维布的面积转化为等效钢筋面积，即：Asefy= Acfsfcfs（1）式中，Acfs、fcfs、Ase 和 fy 分别代表碳纤维布的面积、抗拉强度等效的钢筋面积和钢筋的抗拉强度；为碳纤维布的强度折减系数。在工程应用中，对碳纤维的应变要加以限制也即控制碳纤维的实际拉应力，13、表1建议取

40、=2/3。碳纤维布的面积 Acfs 取其净面积，即：Acfs = tcfs Bcfs n（2）式中，tcfs、Bcfs、n 分别为碳纤维布的计算厚度（mm）、幅宽（mm）和加固梁中碳纤维布的粘贴层数；为碳纤维布的粘贴层数的折减系数，因为粘贴层数越多，层间共同协调工作程度降低，仅粘贴一层时取=1。文献1给出了粘贴层数多于一层时的取值。3.2 施工参数设计在做碳纤维布加固受弯构件正截面承载力设计时，分别根据不同的截面类型，按照钢筋混凝土结构受弯构件的正截面承载力设计公式，由外荷载的增加计算出所需补充受拉钢筋的面积。然后按式（1） 式（2）设计碳纤维布布的布置参数。3.3 等效配筋率的校核碳纤维布的

41、施工参数设计完后，还要满足截面等效配筋率的要求。ss，max（3）式中等效配筋率；ss，max 等效最大配筋率， =Assb ho; ss ,max =0.8 f c 3300hho f y 3300 + cf （4）式中 b、h、ho截面宽度、高度和有效高度；fy钢筋的抗拉强度；Ass构件中原配受拉纵筋面积（As）与粘贴碳纤维布的等效钢筋面积（Ase）的总和，即Ass = As + Ase；cf碳纤维布的允许拉应变，cf=2u，cfs/3，u，cfs为碳纤维布的极限拉应变。4、碳纤维复合材料的选择加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维与配套树脂粘贴剂。碳纤维是高强度高弹性模量材料

42、，强度是钢材的十几倍。建筑粘结剂种类繁多，选择与某种碳纤维布相容性好的粘结剂是关键。与碳纤维相配套的树脂粘结剂一般由 4 部分组成。即底层粘结剂、找平材料、浸渍树脂和防护材料。底层粘结剂必须能渗透进混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；找平材料用来修补结构表面的平整度，以便使用片材；浸渍树脂用以浸渍碳纤维片材在混凝土表面形成原位层板；防护材料用以保护碳纤维片材免受外界条件的影响，延长其使用寿命。树脂粘结剂的粘结强度应大于混凝土的拉伸剪切强度，且具有适宜的工作粘度，以便于施工操作。经过多方面分析比较，选用德国 EP0300 碳纤维布，与其配套的粘结剂选用北京中煤矿山工程有限公司研制的 J

43、CT-6 型碳纤维专用胶，其主要力学性能指标如表 1、表 2 所列。碳纤维布（德国 EP0300）的性能指标计算厚度（）0.167抗拉强度MPa3550弹性模量MPa2.35105单纤维断裂伸长率%20.00单纤维直径10-6m5.314222 2212表2粘结剂(JCT-6 型)的性能指标抗压强度MPa81抗拉强度MPa31(7d)正拉粘结强度MPa16(7d)拉剪粘结强度MPa13(7d)5、本工程施工参数的设计以本工程一层 2 号梁为例，梁长 L=7.74m,原配受拉筋 325 （1472 ），受压筋 222 （760 ）。由于营业面积的增加，使该梁线荷载增加至 45KN/m，以双筋正截

44、面承载力计算，所缺受拉钢筋面积为 271 ，由式（1）取 fcfs=3550MPa，则粘贴等效碳纤维布的面积 Acfs=35 。施工时采用德国 EP0300碳纤维布，单层厚度为 0.167 ，幅宽为梁底宽 300 ，粘贴一层（面积 57.8 ）,即满足抗拉要求.等效配筋率=0.54%，等效最大配筋率s，max=0.74%，即加固后属适筋梁。另外，端部设 4 道 U 字箍为构造锚固措施。梁加固方式如图 2 所示。图2梁加固方式示意图(a)-立面；(b)剖面 1-梁底粘贴碳纤维布一层；2梁端部 U 字箍6、施工工艺6.1 碳纤维复合材料加固混凝土结构施工工艺流程混凝土结构表面处理配制并涂刷底层粘结

45、剂面层找平处理粘贴树脂的配制并侵润碳纤维布粘贴碳纤维布表面防护。6.2 施工要点混凝土表面的处理程度直接影响加固效果。表面要打磨平整直至露出新面，涂底层粘结剂前，再用丙酮清洗一遍。碳纤维布一定要用粘贴树脂浸润透，尽可能让粘结剂充分渗入碳纤维单丝之间的空隙中，提高各单丝之间的共同工作性能。浸润后的碳纤维布用手轻压贴于需要的位置，用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证碳纤维布与结构之间密实无空洞，或者有效粘贴面积不小于 95%。碳纤维片材沿其纤维方向折直角会导致应力集中，影响其强度发挥。施工时将角部磨成圆角，可减缓应力集中，碳纤维布的强度基本不受影响。7、施工效果本工程自 200

46、1 年 4 月竣工，投入正常使用近 1 年，没有出现任何质量问题，施工效果良好。参考文献赵彤，谢剑著.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术.天津.天津大学出版社，2000中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（征求意见稿）200015表1表2钢筋混凝土框架梁粘碳纤维加固现场加载试验1、工程概况由于功能的改变，某国税局住宅楼部分钢筋混凝土框架荷载增加，原有截面及配筋不满足要求，为满足结构功能要求，需进行补强加固。经分析认为，采用碳纤维（CFRP）加固比较合理，采用碳纤维加固梁、板及柱，武汉大学及武汉长江建筑工程技术有限责任公司已进行了大量的试验研究，并已成功地应用于工程实际加固中

47、，如广西工学院学生礼堂屋面板加固、湖北工学院体育馆的加固等。但由于该种新材料的研究及应用尚处于起步阶段，相应的技术规程尚未颁布实施，又因本次是对整栋大楼的加固，为进一步分析研究碳纤维加固后的性能，确保加固后结的可能性，我们对该楼中的两梁进行了粘贴碳纤维加固，并按设计院提供的荷载进行了现场加载试验研究。2、试验材料用于结构加固修补的碳纤维材料强度为普通建筑用钢的 10 倍左右，弹性模具与建筑用钢板在同一水平上并略有提高，是一种很好的结构加固修补材料。实际加固修补用面碳纤维材料为碳纤维织物，并有各种不同型号与尺寸。本次试验用 CFRP 及粘贴结构胶 YZJ，其性能见表 1、表 2。结构加固修补用碳

48、纤维材料 L300-C 主要性能指标抗拉强度设计值MPa3550弹性模量MPa2.4105延伸率%2.0密度（m-3）1790耐腐蚀性优浸透性良好均匀度良好粘贴 CFRP 用长江牌（YZJ）建筑结构胶力学性能抗拉强度MPa3035抗剪强度MPa2430与混凝土粘贴强度MPa2.2适用温度-40+70弹性模具GPa563、计算分析采用碳纤维加固梁极限承载力的计算与普通混凝土梁有所不同。基本假定为：梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；混凝土、钢筋的应力-应变关系按现行国家规范取用；不考虑受拉区混凝土的作用；碳纤维材料的拉应力取碳纤维材料弹性模量与其拉应变的乘积，即f=Effo 根据上

49、述假定，截面分布见图 1，由平衡条件可得：f bx=fAs+ffAfM=12ffAf（h-x/2）+fAs（ho-x/2）（1）（2）其中，1 为碳纤维材料强度折减系数，根据我们对 9 根混凝土梁粘贴碳纤维试验，可偏于安全取1=0.60.8；2 为碳纤维材料与原有钢筋的共同工作系数，加固构件属于二次受力结构，若原结构受力太大，碳纤维材料就不易达到强度设计值。为使碳纤维材料尽早地参加工作，故在实际工程加固时应尽可能地卸载，否则，在设计时应根据具体情况乘以共同工作系数2，2 可取 0.81.0。本次加固前，已将大部分楼面板打掉。按上述公式计算，为满足设计要求，KL307 梁需粘一层碳纤维，L302

50、 梁需粘二层碳纤维，其尺寸每层为 0.167 200 3200 。4、现场加载试验16图24.1 检测内容根据设计院设计的加固图纸，对该住宅楼中的两根框架梁进行现场加载试验，加载的两根梁名称为：8 轴 CF 轴跨 KL307 梁；E 轴 24 轴跨 L302 梁，加载示意见图 2。在对框架梁粘贴碳纤维后，主要就以下内容进行测试：在荷载作用下混凝土、碳纤维的应变；在标准荷载作用下的挠度；在标准荷载作用下混凝土梁裂缝的开展情况；在标准荷载作用下梁受压区高度的变化情况。试验梁分 5 级加载，由于荷载较大，采用千斤顶及砂袋加载。4.2 应变片的位置在试验梁最大弯矩处顶、底、侧面及碳纤维表面分别粘贴应变

51、片，见图 2。安装千分表或百分表，实测在各级荷载作用下的挠度、应变，并观察裂缝发展情况等。KL307、L302 梁加载及测点布置示意图(KL307 梁的 10 号测点为受拉主筋)粘贴碳纤维时，必须将混凝土表面打磨平整、清理干净；转角粘贴处（如 U 形箍）应打磨成圆弧状，以保证碳纤维布与混凝土有良好的粘结。现场裁剪碳纤维布，分段粘贴时搭接长度不小于 100 ，粘贴时用辊子滚压，挤出气泡。CFRP 加固修补混凝土结构施工工艺与步骤见图 3。图4KL307 梁截面应变实测值图5L302 梁截面应变实测值1标准荷载，2设计荷载1标准荷载，2设计荷载5、试验结果及分析5.1 截面沿梁高的应变分析试验过程

52、证明，碳纤维片材与梁底混凝土未出现分离现象，由 KL307 梁实测应变（表 3）及平均应变分布（图 4）、L302 梁实测应变（表 4）及平均应变分布（表 5）表明，碳纤维片材加固后的梁，其平均应变的分布可以认为符合平截面假定。17图35.2 挠度分析KL307 梁、L302 梁在加载过程中跨中荷载与挠度曲线见图 6，在达到标准荷载时，实际挠度远远小于容许挠度，基本处于弹性状态，试验证明，未粘碳纤维梁与粘碳纤维梁相比，粘贴碳纤维的梁钢度增加，挠度减小。（准备工作）临时设施工程（脚手架等）（铺贴碳纤维工作）绘制碳纤维布的设计图剪切碳纤维布（基层处理工作）修补裂缝去除损伤劣化混凝土表面打平，将转角

53、打成圆弧状（涂敷基底结构胶工作）确认混凝土表面状态搅拌、涂敷基底结构胶，利用腻子整平结构表面铺贴基准放线确认基底结构胶面状态当多层铺设时搅拌浸渍结构胶涂浸结构胶铺贴碳纤维布表面涂浸渍结构胶CFRP 加固修补混凝土结构施工工艺与步骤表3KL307 梁截面应变实测值10-6荷载/KNP1=12，P2=50P1=42，P2=107P1=72，P2=164P1=84，P2=187P1=96，P2=210P1=116，P2=2241-58-116-209-260-316-3642-46-109-184-239-282-3303-36-79-150-190-226-2614-15-49-87-93-113

54、-13150-22-25-29-28-286192350617281测点726609713015117085258131163218267939471091291792271045511161411902411149701181461731991276117216286363432注：10 号测点为受拉主筋18-612表4L302 梁截面应变实测值10-6荷载/KNP1=14，P2=5P1=33，P2=15P1=52，P2=25P1=71，P2=35P1=90，P2=451-37-81-142-175-2162-34-73-129-171-2113-28-62-99-132-1624-18-3

55、6-59-76-925-2-4-8-8-8测点6419304954719426290998277412017019392468120157175103396160240289图 6 荷载挠度曲线1加载曲线，2卸载曲线5.3 裂缝分析根据混凝土结构设计规范（GBJ10-89）对未加固梁 KL307 进行了裂缝宽度的计算，计算结果为裂缝宽度达 0.096mm。但对 KL307 梁在加载至标准值时，对梁截面下部进行了细致地观察和寻找，并没有发现裂缝，说明粘贴碳纤维后，延缓了梁的裂缝开展，或者说减小了裂缝宽度。5.4 受压区变化分析由 KL307 梁的实测荷载和应变值（表 3）可见，加荷前及加第一级荷

56、载后，截面高度 1/2（5 号测点）处应变值为零，但从加第二级荷载后，载面高度 1/2 处应变值由零变为负值。受压区高度增加，这说明随着荷载的增加，碳纤维受力截面中和轴下移。随着荷载的增加，截面高度 1/2 处应变值基本稳定在-3010 左右，说明碳纤维与混凝土梁完全共同工作，结构胶粘结可靠。试验证明，在短期荷载作用下，碳纤维片材的粘贴仅满足弯矩图的要求，并没有出现碳纤维片材与混凝土分离的现象，但考虑荷载的长期效应，建议在大面积粘贴碳纤维用于梁、板的受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至支座边缘。6、结论使用碳纤维片材提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是有效的。粘贴碳纤维片材后，试验梁的受弯承

57、载力明显提高。碳纤维片材加固混凝土梁计算方法是可靠的、安全的，能满足工程设计的要求。碳纤维片材补强加固钢筋混凝土梁时，截面的平均应变仍然符合平截面假定。在混凝土梁底粘贴碳纤维片材后，构件的刚度增大，挠度减小，试验加载表明，混凝土梁加载达到标准值时，实测挠度远远小于容许挠度。采用碳纤维片材加固的梁，混凝土梁裂缝出现较晚，在标准荷载作用下，裂缝宽度减小，甚至不出现裂缝。参考文献丘清瑞，陈小兵，牟宏远.碳纤维材料（CFRP）加固修补混凝土结构新技术.工业建筑，1998，28（11）：15王传志等主编.钢筋混凝土结构理论.北京：中国：中国建设出版社，1985.27228019表1碳纤维材料在某公共建筑

58、抗震加固中的应用1、结构的鉴定分析某公共建筑使用功能为教学楼，建于 1960 年，主体为 4 层双排柱内框架结构，内框柱采用独立基础，基础埋深-3.2m，建筑高度 20.4m，局部区域为 4 层砖砌体结构，建筑面积 8267 ，平面布置如图 1 所示。该建筑物由于建造时间较早，设计时未考虑抗震设防。内框架节点区梁、柱端部箍筋未加密，为使建筑物具有足够的抗震能力，按照建筑抗震鉴定标准（GB0023-95）对该楼进行抗震鉴定，结论表明，内框架梁柱节点区因箍筋直径及间距设置不满足要求必须进行抗震加固。图1结构平面示意图2、抗震加固方案的确定框架结构梁柱节点区由于受力复杂，规范中为保证“强节点、弱构件

59、”的设计原则，通常采取在柱端和梁端一定区域箍筋加密的原则，防止节点区的脆性破坏，增强结构的抗震性能。本工程由于工期、资金和建筑功能的要求，对加固方案提出了很多限制，传统的抗震加固方案难以实施。在此基础上，我们通过制定各种合理方案，比较各方案的优缺点，从而确定最佳方案。2.1 方案 1粘钢加固法粘钢加固法是目前国内应用较普遍的传统的加固方法，但由于在粘结胶和钢板的交接面处容易发生锈蚀，从而削弱粘结强度，因而影响加固效果。2.2 方案 2粘碳纤维加固法碳纤维复合材料（CFRP）加固修复混凝土结构技术是 20 世纪 80 年代末 90 年代初在美、日等发达国家兴起的一项新型结构加固技术，与粘钢法相比

60、，这种方法没有界面粘结强度的削弱问题，碳纤维加固法以其材料优越的力学性能（图 2）、简便的施工工艺（图 3）在土木工程加固改造中得到了越来越广泛的应用。该项技术与传统的加固方法相比有许多明显的优点，如高强高效、施工便捷、适用面广、良好的材料耐久性等。本工程由于对加固技术的要求较高，传统的加固方法难以奏效，而碳纤维加固由于具有需要的设备、机具较少，不会产生明火，不改变原有结构的尺寸，不增加原有结构的荷载，施工影响较小等特点，比较适合。各方案比较见表 1，可以看出，对本工程来说，方案 2 是一种较合适的加固方法。碳纤维加固方法与其他加固方法比较20影响因素对原结构自重断面等的影响施工工艺耐久性工期

61、工程造价加大截面法、粘钢加固法等传统加固方法影响较大，结构自重增大，截面尺寸增大，净空减小施工工序较繁琐，有湿作业，需要相关的机械设备，需占用较大场地、空间外加钢结构易发生锈蚀，需定期维护较长较低粘贴碳纤维加固方法基本不增加结构自重和截面尺寸，为布状片材，每平方米重量约 2N，每层厚度仅 0.111 ，而且强度为钢的 10倍以上施工便捷，手工操作，无需大型机具，没有湿作业，施工工效高耐酸碱盐及大气环境的腐蚀，基本不需后期维护较短长期经济效益佳图21纤维复合材料与金属材料各项性能对比示意1钢，2铝，3复合材料（准备工作）临时设施工程（脚手架）（基层处理工作）修补裂缝，去除损伤劣化的混凝土并进行修

62、补，混凝土表面打磨平整，将转角打磨成圆弧形（涂敷基底树脂工作）确认混凝土表面状态，搅拌、涂敷基底树脂并用腻子找平结构表面（铺贴碳纤维布工作）绘制碳纤维布的设计图裁剪碳纤维布铺贴基准放线确认基底树脂面状态（多层铺贴时）搅拌树脂涂树脂铺贴碳纤维布表面涂粘贴树脂涂装、搅砂浆、耐火喷涂图3碳纤维布加固的施工工艺3、结构的加固设计及加固效果3.1 结构的加固设计碳纤维材料为线弹性材料，其本构关系如图 4 所示。图4材料本构关系图5CFS 约束下混凝土柱的轴向应力应变关系模型混凝土柱采用碳纤维约束后的应力-应变的函数关系 模型，如图 5 所示，该模型应力-应变关系与试验值吻合较好，可以很好地反映 CFS

63、的约束效果。采用碳纤维布环向粘贴加固混凝土柱时，能提高柱子受剪承载力并增大延性系数，其延性加固效果非常明显；加固柱子时碳纤维的作用相当于箍筋，但由于有混凝土保护层的存在，其对内部混凝土的约束比箍筋更有效。加固设计时在混凝土梁柱原有箍筋的基础上，沿垂直于构件轴向 U 形或环向粘贴碳纤维，其总折算配箍特征率满足相应规范要求，节点区抗震性能显著增强。加固设计及施工如图 6 所示。21123图6碳纤维加固示意1梁侧 U 型粘贴碳纤维布宽 200mm，间隔 200mm；2柱环形粘贴一层 20 型碳纤维布宽 200mm，间隔 200mm3.2 结构的加固效果节点区采用碳纤维材料加固处理后，梁柱断面尺寸和重

64、量没有增加，构件外形没有改变，其加固效果如图 7 所示。图 7 节点加固详图4、结论本工程的主体结构加固改造已完工，碳纤维粘贴量为 300 ，整个工期为 20d，保证了工期，加固质量也得到了很好的保征，收到了很好的综合效益。在建（构）筑物的抗震加固中，有许多问题有待我们去研究解决，本项目作为高性能纤维材料应用于土木工程中的一个实例，可为其它同类工程借鉴。参考文献张柯，丘清瑞等，碳纤维布加固混凝土柱改善延性的试验研究.工业建筑，2000，30（2）：1619国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心.北京大学 200 号数学力学楼抗震鉴定报告.1999中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结

65、构技术规程（报批稿）200122玻璃纤维聚合物在腐蚀环境下补强加固工程中的应用1、工程概况某化工厂化工反应器露天承台，始建于 1967 年，为 3 层钢筋混凝土框架结构，距海边仅有百余米。使用过程中因混凝土构件表面开裂严重，曾用环氧砂浆修补过。但近年来逐渐发现其梁、板、柱均发生了不同程度的损伤，梁、板、柱上裂缝明显，许多裂缝宽度较大。此外，还发现梁、板、柱上多处钢筋暴露且锈蚀严重。2、检测与计算结果分析2.1 检测结果检测表明，混凝土现有强度为 C25；混凝土碳化深度在 25-30mm 之间，已碳化至梁柱主筋；有 3/4 以上的柱混凝土保护层顺筋裂缝较宽，1/4 以上钢筋暴露且锈蚀严重，钢筋锈

66、蚀后断面面积损失率约为 10%，柱破损情况见图 1；有 1/2 左右的梁混凝土保护层顺筋裂缝较宽，1/3 以上的钢筋暴露且锈蚀严重，钢筋锈蚀后断面面积损失约为 10%，梁破损情况见图 2；各层板上均有大量后钻孔洞截面原有钢筋；有 1/3 左右的板底混凝土保护层脱落露筋，钢筋锈蚀严重；凡后钻孔洞漏液处板混凝土保护层腐蚀脱落严重，相应位置钢筋锈蚀尤其严重，板破损情见图 3。图1柱破损情况图2梁破损情况图3板破损情况2.2 计算结果设备荷载由厂方提供，其它荷载值按照现行规范，利用 PKPM 结构计算软件计算结果表明，厂房第 3层所有中间跨梁支座处负弯矩强度不够；柱抗弯及抗剪承载力不够，且不能满足现有

67、抗震规范要求；框架梁的挠度可以满足现行规范要求；框架梁的裂缝宽度不能满足现行要求；框架梁的挠度计算结果见图 4，框架梁的裂缝宽度计算结果见图 5。图4框架梁挠度计算图5框架梁裂缝计算2.3 分析与结论此厂房濒临大海，气候湿润，空气中富含氯离子且有大量的腐蚀性气体，混凝土腐蚀碳化较快。当混凝土碳化至钢筋后，混凝土保护层失去作用，钢筋逐渐锈蚀。钢筋锈蚀至一定程度，混凝土保护层顺筋胀裂，甚至导致混凝土保护层局部脱落，钢筋暴露。经调查分析，因后钻孔未及时封堵，检修设备时，设备管道中的腐蚀性液体因后钻孔洞下流，致使相应位置梁板的混凝土保护层严重腐蚀脱落，钢筋锈蚀尤其严重。所以，该结构主要存在两大问题：一

68、是部分构件承载力不能满足现行规范要求；二是腐蚀问题影响了结构的耐久性。针对这个问题，需对结构进行补强加固和修补。3、补强加固方案选择23根据计算及检测结果，初步拟定加固方案有加大截面法、外包钢套法、粘钢法及外贴 CFRP 加固法。加大截面法自重增加较大，如采用这种方法还需要加固基础，对原结构影响较大，施工周期长。考虑到厂方要求加固施工过程中不能停产，故首先排除这种方法。外包钢套法及粘钢法取材方便，成本较低，施工简单，但现场维护困难。经调查表明，该厂区采用钢梁板的厂房，钢梁板均有不同程度的锈蚀。所以该方法也被排除掉，而只能寻求耐腐蚀性强、施工简便的加固方法。碳纤维聚合物（Carbon Faber

69、 Reinforced Polymer，简称 CFRP）强度高、自重轻、耐腐蚀性好、施工工艺简便快捷，用于补强加固时对原结构几乎没有影响，加固修补效果及耐久性好，可以大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震性能，增强构件的延性和刚度，改善构件的受力性能。但其材料成本较高，厂方难以接受。玻璃纤维聚合物（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称 GFRP，俗称玻璃钢），除具有 CFRP 的上述优点之外，在我国其生产历史长，厂家分布范围广，成本低，质量容易保证，与混凝土的线膨胀系数接近，故它与混凝土结构协同工作性能良好。经过比较分析，最后决定采用现场外粘玻璃纤维布对

70、结构补强加固。详述如下：柱：所有柱均需抗弯、抗剪及抗震加固。抗弯加固：沿柱的主轴方向粘贴玻璃纤维布，提高其抗弯能力。抗剪加固：沿柱主轴垂直方向粘贴玻璃纤维布，由玻璃纤维布与柱箍筋共同承担剪力，提高其抗剪能力。抗震加固：在柱端一定长度范围内，沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布；在梁柱节点处，除沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布外，再附加交叉方向的玻璃纤维布。梁：局部梁支座及跨中处需进行抗弯加固，所有梁需进行抗震加固。抗弯加固：沿梁的主轴方向粘贴玻璃纤维布，提高其抗弯能力。抗震加固：在梁端一定长度范围内，沿梁主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布。板：凡后钻孔洞截断原有钢筋处以及板底混凝土保护层脱落且钢筋

71、锈蚀严重处均需进行抗弯加固。沿板的主轴方向粘贴玻璃纤维布，提高其抗弯能力。4、材料选择玻璃纤维：主要有 E-玻璃纤维（电绝缘性）、C-玻璃纤维（耐化学腐蚀性）、S 或 R 玻璃纤维（高强度）、M 玻璃纤维（高模量）和 AR 玻璃纤维（耐碱玻璃）等。其中 E 玻璃纤维及其制品在混凝土结构补强加固中使用最多。配套树脂：原材料树脂品种，主要有环氧树脂、不饱和聚酯树脂（UP）、酚醛树脂、热固性树脂（呋喃类树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚丁二烯树脂、有机硅树脂等）、聚氨酯树脂，以及其它热塑性树脂类，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性树脂。其中在混凝土结构补强加固中最常用的为环氧树脂类产品。本工程加固材料选用

72、耐碱高强双向玻璃纤维布，粘贴材料选用环氧树脂浸渍粘结剂。表面防护材料：根据现场环境及使用要求选用，外涂防火涂料。5、计算方法5.1 加固构件抗弯计算Ase =Agfs f gfsf y（1）Agfs、fgfs、Ase 、fy 式中为玻璃纤维布的面积、抗拉强度设计值、等效的钢筋面积与钢筋的抗拉强度设计值。玻璃纤维布的面积取 Agfs 其净面积，即：Agfs=tgfsBgfsn（2）式中 tgfs 玻璃纤维布的计算厚度，；Bgfs 玻璃纤维布的幅宽，；n加固构件中玻璃纤维布的粘贴层数。24x式中计算得到等效钢筋面积之后，可以参照钢筋混凝土单筋矩形截面（bh）受弯构件的正截面承载力计算公式进行计算。

73、对受压区混凝土合力作用点取矩，即：M = f y Ass (ho )2（3）式中，x 值由水平力的平衡条件求得，可以表示为：x =Ass f ybho f cho（4）其中，fc 为混凝土棱柱体抗压强度，Ass 为钢筋混凝土构件中所配纵筋面积与玻璃纤维布的等效钢筋面积的总和，即 Ass =As+Ase。5.2 加固构件抗剪计算V = Vc + Vs + Vgfs = c f c bho + sv f yvA svsho + gfs f gfsAgfss gfsho（5）Vgfs构件斜截面上玻璃纤维布受剪承载力设计值，反映了玻璃纤维布对抗剪强度提高的综合影响；gfs玻璃纤维布的受剪承载力影响系数

74、，与混凝土强度、剪跨比和玻璃纤维布粘贴质量有关，取gfs=0.7；fyv玻璃纤维布的抗拉强度设计值；玻璃纤维布抗拉强度折减系数，考虑各种影响条件，粘贴一层时取=2/3，二层及以上取=1/2；Agfs配置在构件同一截面内玻璃纤维的全部截面面积；sgfs玻璃纤维布条的间距。5.3 柱的抗震加固当柱抗剪能力不足或其配筋不满足现行抗震设计规范要求时，采用封闭式粘贴玻璃纤维布条约束混凝土对柱进行抗剪、抗震加固，箍筋的总折算体积配箍率可按式（6）计算： v ,e = sv ,v + vd2n gfs wgfs t gfs (b + h) f gfs f gfs(s gfs + wgfs )bh f yv（

75、6）式中sv，v按箍筋范围以内的核心截面的体积配箍率；d玻璃纤维布条的有效约束系数，取 0.45；对于柱，当轴压比大于 0.5 且未卸载时取 0.36；sgfs玻璃纤维布条净间距；tgfs单层玻璃纤维布条厚度；wgfs玻璃纤维布条宽度；fgfs玻璃纤维布条抗拉强度设计值；fyv 箍筋抗拉强度设计值。6、施工方法凡梁、板、柱顺筋胀裂处及混凝土保护层脱落露筋处，必须凿去混凝土保护层，露出钢筋，除锈后以环氧砂浆修补；对裂缝进行封堵和灌缝处理；将表面疏松混凝土予以清除，并用环氧砂浆修补平整。混凝土表面处理：对框架梁、板、柱表面不平整处进行打磨处理，将梁柱边角打磨成 R=20 的圆角，以防边角处玻璃纤维

76、布应力过于集中，受力后首先局部破坏；打磨平整后，用压缩空气吹尽混凝土表面浮灰，保持混凝土表面光洁、平整；如有必要，在粘贴玻璃纤维布前用丙酮去除混凝土表面的油脂。将磨平去脂后的混凝土构件表面进行干燥处理后，在其表面抹一层均匀饱满的粘结剂，将按计算结果裁剪好的玻璃纤维布粘贴上去，并顺纤维受力方向按压挤出气泡。如需粘贴多层则重复以上步骤，在最后一层玻璃纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。浸渍树脂必须充分浸渍单丝，以使玻璃纤维布共同发挥作用。2512在固化前应全面检查粘贴质量，如发现有局部空鼓现象，可用注射器注入粘结剂补充粘贴。玻璃纤维布条的搭接长度应不小于 150mm，各条带搭接位置应相互错开。7、结论以

77、玻璃纤维聚合物（玻璃钢）加固混凝土结构，可以提高它的承载力，增强其抗震能力，改善其抗震性能。以玻璃纤维聚合物（玻璃钢）加固腐蚀环境下的混凝土结构，可以增强其耐腐蚀能力，阻止和减少裂缝发生，提高结构的耐久性和可靠性。这种加固方法取材方便、成本适中，施工简便快捷，对原结构影响小，应用前景广阔。参考文献赵彤，谢剑著.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术.天津.天津大学出版社，2000中国工程建设标准化协会标准碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（送审稿）2001261混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性利用高强非金属纤维类材料，如碳纤维、玻璃纤维等对结构进行加固的方法，具有耐久性好，施工简便，不加大截面，不增

78、加荷载，外形美观等优点，已成功用于多种结构的抗震、抗弯和抗剪加固。但是，碳纤维加固方法也有其适用范围，本文通过几个工程实例，分析用碳纤维加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。1、碳纤维用于抗震加固试验研究表明，用碳纤维材料包裹钢筋混凝土柱，使纤维方向与柱轴线相垂直，可以有效提高柱的延性和承载力，增加其抗震耗能能力 。另外，剪力墙作为主要抗侧力构件，其破坏形态不外乎受弯延性破坏（中高剪力墙）或受剪脆性破坏（低剪力墙）。将碳纤维用于加固剪力墙，只要方法适当，也可显著提高其延性和承载力。因此，钢筋混凝土结构的抗震加固是碳纤维材料应用的一个有效领域。但应指出，用碳纤维对柱或剪力墙进行加固时，由于碳纤维本

79、身属预柔性材料，通过结构胶与被加固结构粘结，这就要求被加固结构混凝土须满足一定的强度要求，才有可能发挥碳纤维的加固效果。以下以实际工程为例说明碳纤维加固钢筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。1.1 工程概况和加固方案某多层钢筋混凝土框架结构，施工验收时发现有 9 根框架柱混凝土强度不能满足设计要求，致使轴压比过大，无法满足轴压比限值所需的延性要求，对此确定采用碳纤维布对柱进行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纤维的包裹对柱混凝土产生环箍作用，可在一定程度上提高混凝土的轴心抗压强度；另一方面，碳纤维对柱的横向约束作用还可显著提高柱在水平荷载下的延性，满足轴压比的延性要求。加固材料采用美国赫氏单向碳纤维

80、布环氧复合材料。通过对承载力和延性的计算，对强度较低的 3根柱采用沿整个柱高范围包裹 3 层碳纤维布的方案，对其他 6 根柱采用沿整个柱高度范围内包裹 2 层碳纤维布的方案。加固方案如图 1 所示。1.2 加固承载力和延性分析经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。原结构为 800 800 框架柱，层高 3.6m。根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪承载力的提高可按下式计算2：VCFS=CFSfCFSbho对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为：VCFS=2tfCFSho式中，t 为包裹的碳纤维厚度，fCFS 为碳纤维的极限抗拉强度，ho 为混凝土截面有效高度，为碳纤维布受剪系数

81、，按下式计算： =1.6(0.4 0.6n + 0.15 ) sv + CFS + 1.2式中 n 为轴压比，为剪跨比，sv+CFS 为总配箍特征值。设计混凝土强度为 C40，按此计算，单根柱的抗剪承载力应为 1312KN。对强度较低的 3 根柱，最低混凝土强度为 28.3Mpa，未加固时的抗剪承载力为 1031KN。包裹 3 层碳纤维，可算出承载力提高值为 319KN，则加固后总承载力为 1350KN，高于设计承载力。对另 6 根柱，最低混凝土强度为 35Mpa，未加固时的抗剪273承载力为 1209KN。包裹 2 层碳纤维，可算出承载力的提高值为 246KN，加固后总承载力为 1455KN

82、，也高于设计承载力。根据有关试验结果，当轴压比确定时，碳纤维加固柱延性系数随强剪弱弯系数 Vs/VM 基本呈线性增长。当轴压比为 0.48 时，有如下拟合公式 ：=-1.278+5.233Vs/VM由上式可见，碳纤维抗剪加固量越大，Vs/VM 就越大，延性系数就越大。另外，根据文献4，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比有如下关系：Asv f yvf c bs= 0.03 + 0.12Nf c A上式表明，当轴压比增大时，为保持延性系数不变，应适当增加配箍率。按保守估算，对本工程假设由于混凝土强度降低导致柱轴压比增大值为 0.3，则对应所需的配箍特征系数增量为 0.066，而本加固方案新

83、增碳纤维配箍特征系数为 0.097，完全能满足要求。由上述分析可见，当用碳纤维加固钢筋混凝土柱以提高抗震能力时，应根据承载力和延性指标确定碳纤维布的用量。2、碳纤维用于楼板抗弯加固碳纤维材料由于具有很高的抗拉强度，可以用于混凝土构件的抗弯加固。碳纤维用于抗弯加固时，纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向，另外，计算加固结构的抗弯承载力时，也应考虑对碳纤维极限强度的折减。下面以工程实例说明碳纤维抗弯加固方法。2.1 工程概况某现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，原楼板厚 120 ，现拟在其上增加一大型鱼缸。重 3.6t，鱼缸底座尺寸 4.6m1.2m（图 2）。由于新增荷载较大，须对原结构进行加固。2

84、.2 内力分析如图 2 所示，鱼缸合力作用点离剪力墙轴线 1.4m。内力计算采用有限元法，将楼板按 1m 宽板带划分为若干单元。原结构荷载中，恒载考虑板的自重，装修层按水磨石地面考虑，活载标准值取 2.5KN/。剪力墙部位对板带的约束按固定支座考虑，柱对梁的约束亦按固定支座考虑，梁板节点按刚接计算。主要内力计算结果说明如下。28在鱼缸作用下，板的弹性挠度为 0.9 左右，满足正常使用要求，但前提是板的抗弯能力能够抵抗新增的荷载。放置鱼缸部位的楼板在剪力墙部位新增的负弯矩为 4.6KNm，在板跨中部位新增的正弯矩为1.8KNm，而原结构所能抵抗的弯矩基本与原荷载持平。板的抗剪能力也足以承担新增荷

85、载。梁 L10 在与梁 ZL3 相交的部位，其负弯矩也超出抗弯能力 5.2KNm，梁 L10 的跨中正弯矩超出4.5KNm。根据上述计算结果，原结构在鱼缸作用下抗弯能力不足，可采用碳纤维结合粘钢加固。2.3 加固方案首先，楼板负弯矩区在剪力墙部位需要加固，由于碳纤维不易锚固，故采用粘钢板加固法，本文不予详述。对于楼板正弯矩区，可采用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明，一方面，当加固碳纤维布用量较大时，在楼板承载力极限状态所能达到的强度较低，无法充分发挥其强度；另一方面，若减少碳纤维材料用量，其在承载力极限状态可达到较高的应力，但由于碳纤维弹性模量与钢材接近，在正常使用极限状态下板就可能由于挠度过

86、大而破坏。另外，碳纤维材料易发生脆性破坏，强度也应按保守取值。加固板的抗弯承载力按平衡条件计算，根据文献5，碳纤维材料的极限拉应力取为极限强度的一半。根据计算结果，拟沿短跨方向粘贴双层 200 宽纤维布，每两块纤维布间净距也为 200 ，加固方案见图 3。3、碳纤维加固方法的适用性如上所述，碳纤维可成功地用于混凝土结构的抗震、抗剪和抗弯加固。但应该指出，由于碳纤维加固结构固有的一些受力特点，许多混凝土结构问题不适于用碳纤维进行加固，因此有必要对其适用性作出分析。3.1 刚度问题当混凝土楼、屋盖结构由于刚度不足，导致变形过大、开裂严重而影响使用时，不适合用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明，对于梁

87、、板等横向受力构件，当用碳纤维进行加固时，在正常使用极限状态，碳纤维对结构刚度的提高作用小于 10%，或基本没有提高。3.2 碳纤维抗弯加固的适用范围当混凝土结构由于抗弯承载力不够，采用碳纤维布进行加固时，加固结构的破坏形态一方面取决于原结构的配筋情况，另一方面取决于碳纤维的用量。现假设原结构为适筋构件，则加固结构的破坏形态可2912345分为如下三种情况。碳纤维用量较少。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可以达到较高的拉应变。碳纤维用量适中。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可达到某一中等拉应变。碳纤维用量较多。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维应变

88、很低。上述三种情况，第三种情况由于碳纤维用量大且强度利用率低，不宜采用。第一种加固方法适用于截面高度较大的梁，第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。这主要是由于对板或扁梁而言，在碳纤维未达到很高的拉应变时，结构就可能由于变形过大而破坏。具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。3.3 抗扭问题关于用碳纤维材料进行混凝土结构的抗扭加固，目前国内外进行的研究很少。从混凝土结构的受扭破坏机理上看，不论使碳纤维的纤维方向垂直于轴线，还是平行于轴线，均可以约束扭转斜裂缝的发展，起到一定的加固效果。但是，由于用碳纤维进行加固时，一方面构件裂缝已经形成，裂缝分布已经确定；另一方面由于碳纤维的极限应变可

89、高达 10000以上，而普通钢筋应变不到 2000即已屈服，若应变加到 4000以上时混凝土裂缝宽度已开展很大，必然开始向其他表面发展，结构即已接近破坏，而此时碳纤维所能达到的应力可能还很低，因此碳纤维加固受扭构件的效果有必要通过进一步研究确定。4、结论碳纤维加固法可用于对混凝土结构抗弯、抗剪和抗震加固，但各有适用范围。计算承载力时，应根据试验结果考虑碳纤维强度的折减。碳纤维加固法不适于混凝土结构由于刚度不足，变形过大，在正常使用极限状态的加固。当用于抗扭加固时，虽能起一定的作用，但并不经济，需通过进一步试验研究确定。参考文献张柯，丘清瑞等.碳纤维布加固混凝土柱改善延性试验研究.中国首届纤维增

90、强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.2000.6叶列平，赵树红等.碳纤维布加固混凝土柱的斜截面受剪承载力计算.中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.2000.6张柯，丘清瑞等.碳纤维布加固混凝土柱抗震性能分析及目标延性系数确定.中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.2000.6邹银生.多层钢筋混凝土框架柱的抗震设计.中国建筑科学研究院编.钢筋混凝土结构设计与构造，1985吴刚，安琳，吕志涛.碳纤维布用于混凝土梁抗弯加固的试验研究与分析.中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.2000.630*碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力设

91、计方法的研究由于碳纤维布具有高强高效、耐腐蚀、自重轻等优点，用其补强加固钢筋混凝土结构技术已得到推广应用，然而目前国内的研究多处于试验。本文通过 9 根碳纤维布对提高钢筋混凝土梁受弯承载力的影响和作用，并在整理试验数据和理论分析的基础上，提出碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力设计公式和设计方法。1、试验研究试验梁为矩形截面简支梁，试件及材料的具体情况见文献、。表 1 列出了主要试验结果。表1主要实验结果试件编号补强加固情况梁屈服荷载/kN试验值 提高程度极限荷载/kN试验值 提高程度u，cfsBMI-1BMI-2BMI-3BMI-4BMI-5BMI-6BMI-1BMI-2BMI-3未补强加固

92、贴一层，整条贴一层，分条贴两层贴三层贴五层未补强加固贴一层，整条贴两层，整条26.532.033.034.039.048.024.034.038.020.8%24.5%28.3%47.2%81.1%41.7%58.3%31.041.543.047.550.568.032.544.054.033.9%38.7%53.2%62.9%119.4%35.8%66.7%6000(36kN)6000(36kN)6300(36kN)7500740082007200由表 1 可以看出，粘贴碳纤维布后，试验梁的屈服荷载和极限荷载均有所增长，其中极限荷载的增长更为显著。采取补强加固措施后，梁受弯承载力的增长幅度是

93、随碳纤维布粘贴面积的增加而增大的，但这种增幅并非没有限制。在试验中发现，粘贴五层碳纤维布的梁 BMI-6 时，已开始出现一些类似超筋梁的特征，如破坏较突然、相对受压区高度接近界限受压区高度等，因而在工程设计与应用中，不能笼统地认为碳纤维布用得越多越好。梁受弯承载力的增长也并非与碳纤维布使用面积的增加呈正比关系。当碳纤维布粘贴层数减少时，增长幅度大；随着碳纤维布层数的增加，各层碳纤维并不能完全地共同工作，部分碳纤维的强度没有完全发挥出来。另外，碳纤维布用量增多，还将改变构件的破坏形态，如贴一层布的梁 BMI-2 的破坏始于碳纤维被拉断，而贴五层布的梁 BMI-6 则因受压区混凝土被压碎导致构件的

94、最终破坏。试验过程中，碳纤维与钢筋应变在加荷初期很小，受压区混凝土开裂前仅有 200，且碳纤维的应变略大于受拉纵筋的应变，符合平截面假定，说明碳纤维与混凝土表面之间度未发生滑移。试验梁裂开后，尤其是纵筋屈服后，两者在应变开始急剧增加。随着施加荷载的不断加大，碳纤维应变的发展速度开始逐渐大于钢筋应变的发展速度，碳纤维和纵筋之间开始存在较大的应变差。这种差异在纵筋屈服时为 500左右，此后差异越来越大，直至临近梁破坏时的 1000-2000。碳纤维的应变在破坏前可记录到 8000-9000。图 1 为试件 BMI-4 中钢筋与碳纤维的应变发展比较图。*提高程度是指各试件相对于本组中未补强加固的试件

95、而言；*试件破坏时（或之前）实测的碳纤维布最大拉应变（），表中括号内数据表示与碳纤维布应变对应的荷载值。317xcih2、设计计算方法2.1 全过程分析法为作进一步的分析，本文编制了有关计算分析程序，对碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件进行全过程（即从加载开始到构件破坏）分析。分析过程中，采用以下几个基本假定：平截面假定；钢筋采用完全弹塑性的应力-应变关系；受压区混凝土采用 E.Hognestad 建议的非线性应力-应变关系；碳纤维采用线弹性应力-应变关系；混凝土受压区沿截面高度划分成有限的面积相等的条带（小单元），并设每块条带的应力均匀分布。在实际计算中，如何选择小单元数目是一个问题，特别是梁达

96、到屈服弯矩后，由于中和轴上升而使混凝土受压区减小，在受压区工作的混凝土小单元数目就会相应减少。因此，必须划分相当数量的单元才能满足计算的要求，这对受压区高度很小的低配筋是一个很大的问题。较好的解决办法就是使小单元的数量不随混凝土受压区缩小而减少（而面积可以相应减小），即能在不增大计算工作量的条件下得到比较精确的结果。本文采用切比雪夫全区域逼近方法，将混凝土受压区分为 7 块，如图 2 所示。这样，对于截面尺寸为 bh 的矩形梁，受压区混凝土的内力为：0.5 x0.5 x7 c (r )bdr = ci bx / 7i =1（1）对截面高度 h/2 处取矩，则混凝土受压区内各小单元内力矩总和：7

97、 = ci b zi i =1（2）式中ci 是对应于 n 各点的条带平均应力值，x 为受压区高度。根据逼近理论计算，七等分的 r 值不是取各等分的平均值，而是取下列数值，则逼近效果最好：r1=0.4419x, r2=0.2648x, r3=0.1620x, r4=0, r5=-0.1620x, r6=-0.2648x, r7=-0.4419x这样内力力臂 Zi 为：=0.5x+ r1-0.5h由平衡条件可以得：（3）7i =1bx / 7 + s As + cfs Acfs = 0由力矩平衡条件可得：7.i =1cib zi x7+ s As ( a) + cfs Acfs2h2（5）采用数

98、值积分的方法即可对碳纤维布加固钢筋混凝土坑弯构件进行全过程受力分析，计算机分析结果与试验数据的比较见表 2，计算值与试验值吻合较好。32x2222.2 简化计算公式在理论分析计算机程序计算的基础上，并结合试验数据的整理，本文提出一个适于工程设计且偏于安全的简化设计计算方法。根据平截面假定，碳纤维的应变略大于钢筋应变。为简化设计计算，可以近似地认为碳纤维的拉应变等于钢筋拉应变，这种简化是偏于安全的。按受力相等的原则，可将碳纤维布的面积转化为等效钢筋面积，即： Ase =Acfs f cfsf y（6）式中，Acfs、cfs、Ase 和 y 分别代表碳纤维布的面积与抗拉强度、等效的钢筋面积与钢筋的

99、抗拉强度。碳纤维布的面积 Acfs 取其净面积，即：Acfs = tcfsBcfsn（7）其中，tcfs 为碳纤维布的计算厚度，Bcfs 为碳纤维布的幅度（单位：），n 为加固梁中碳纤维布的粘贴层数。得到等效钢筋面积后，可参照钢筋混凝土单筋矩形截面（bh）受弯构件正截面承载力设计公式进行计算。对受压区混凝土合力作用点取矩：M = f y Ass (ho )2（8）式中，x 值由水平力的平衡条件求得，并可表示为：x =Ass f ybho f cho（9）上式中，c 为混凝土棱柱体抗压强度；Ass 为钢筋混凝土构件中所配纵筋面积与碳纤维布的等效钢筋面积的总和，Ass=As+Ase。表2计算数据与

100、实验数据的比较试讲编号BMI-1BMI-2BMI-3BMI-4BMI-5BMI-6Acfsmm12.124.236.360.512.124.2fcfsMPa153013771301114815301377Asemm509012818876138Assmm151191229289233295/%0.891.131.351.701.371.73实验数据/Kn41.547.550.568.044.054.0计算机分析/Kn40.553.263.270.739.246.5简化设计法/Kn34.843.050.461.333.941.42.3 关于 cfs 的取值。根据本课题组的基础试验结果，取 cfs

101、=1800 （MPa）。式中，系数为层数折减系数。这主要是由于随着碳纤维布使用层数的增加，其工作效率将有所降低，为此在工程设计时应对碳纤维布的抗拉强度进行折减，其取值应根据大量试验数据统计得到。由于目前试数据较少，本文仅给出的参考数值，列于表 3。表3折减系数的参考取值碳纤维布粘贴层数11.0020.9030.8540.8050.75注:表中数据是针对碳纤维布幅宽为 100 的情况，对其他情况尚有待进一步的研究。系数 为碳纤维布强度利用系数，引入这一系数主要是从以下两个方面来考虑。一方面由于碳纤维布本身刚度很小，其使用只能通过限制受弯构件垂直裂缝的开展来增加构件的抗弯刚度，而这种增强效果有限。

102、试验过程中发现，当碳纤维布的后期强度得以发挥时，构件的挠度发展很快，有可能会出现在碳纤维布强度完全发挥之前，构件即因挠度过大而破坏。另一方面，根据课题组的基础试验研究，碳纤维布为33T T T T=完全弹性材料，其破坏具有突然性。基于上述两方面原因，在实际工程的设计计算中，对碳纤维布的应变要加以限制，或者说应该控制碳纤维布实际的拉应力。本文根据试验研究及我国工程设计的实际情况，建议近似取 =0.85。按简化公式计算的结果与试验数据的比较见表 2。从表 2 可以看出，本文提出的碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面承载力设计计算公式与试验值可以较好地吻合，且有一定的安全储备，因此可以满足工程设计的要求。

103、2.4 适用条件对于碳纤维布补强加固适筋梁，在应用公式（8）进行设计计算时，其适用范围为ss，max，其中等效配筋率=Ass/（bho），ss，max 为碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件的等效最大配筋率，ss，max 可按下面的方法计算。由平截面假定及图 3 所示的几何关系：x/h=3300/（3300+u，cfs）式中 x 为混凝土受压区高度；h 为矩形截面高度；3300为受压边缘混凝土的极限应变；u，cfs 为碳纤维的极限拉应变（u，cfs=cfs/Ecfs，Ecfs 为碳纤维布的拉伸弹性模量，碳纤维布的抗拉强度 cfs 不考虑层数折减系数）。C=T1+T2（10）式中 C 为受压区混凝土合

104、力，C=0.8cbx；1 为受拉钢筋合力， 1= yAs； 2 为碳纤维布的合力， 2= cfsAcfs。代入公式（10）得到：C=0.8cbx=yAs+cfsAcfs即 0.8cbx=yAss（11）（12）所以， ss ,max =Ass 0.8 f c 3300hbho hof y 3300 + u ,cfs（13）对于本文的两组试件，按上式计算的等效最大配筋率分别为 1.71%和 1.80%。各试件均满足公式（8）的适用条件，可以按本文提出的设计计算公式进行计算。同时发现，组中的试件 BMI-6 的等效配筋率 1.70%,接近组试件的最大等效配筋率 1.71%，这与该试件破坏时表现出一

105、些类似于超筋梁破坏特征的试验现象是吻合的。3、结论试验研究结果表明：粘贴碳纤维布后，试验梁的受弯承载力明显提高，其中极限受弯承载力的提高更为显著。加固梁承载力的提高与碳纤维布的用量、粘贴方式和粘贴层数等因素有关。本文提出的碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁受弯承载力的设计计算公式计算简便，结果与试验数据和计算分析可以较好地吻合，且有一定的安全储备，能满足实际工程应用的需要。对于设计公式中的两个系数层数折减系数和碳纤维布强度利用系数的具体取值，仍需要进一步深入研究。参考文献1 赵彤，谢剑，戴自强.碳纤维布加固混凝土粱的受弯承载力实验研究，建筑结构，2000（7）2 谢剑，赵彤，杨建江.应用碳纤维布增强

106、钢筋混凝土梁受弯承载力新技术.水利水电技术，2001（8）3 松尾庄二，松冈茂，等.FRP 织物补强钢筋混凝土梁的受弯性能实验。日本混凝土协会年会论文报告集，19964 本间博行，小林正浩，等.碳素纤维织物增强钢筋混凝土梁抗弯强度的实验研究。日本建筑学会大会（九州），19985 Hota V.S.GangaRao,and P.V.Vijay,Bending Behavior of Concrete Beams Wrapped with Carbon Fabric,Joumal ofStructural Engineering,January 19986 朱伯龙，董振祥.钢筋混凝土非线性分析.上

107、海：同济大学出版社，198534LL3碳纤维布加固预应力混凝土空心板新技术目前一些工程使用中发现预应力混凝土空心板存在质量隐患，包括跨中附近裂缝，端部裂缝，板底或板肋蜂窝、麻面及露筋，混凝土强度不足和受力主筋质量不合格等。上述问题影响结构安全时，就必须采取措施进行加固处理。加固处理的方法很多，如板面浇注混凝土叠合层、板孔剔槽埋筋现浇等，这些方法不仅施工难度大，周期长，有时还影响使用功能。碳纤维布有很高强度重量比、极好的耐腐蚀性能及耐久性，施工简便快捷，粘贴碳纤维布加固方法比其它方法更有优势。为此对粘贴碳纤维布加固预应力空心板技术进行试验研究，并用于实际工程。1、预应力混凝土空心板粘贴碳纤维加固

108、技术研究1.1 试验材料选用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号：L95G404,板号为 YKBL33-22d，尺寸为 3280mm590mm120mm，受力主筋为 650 级 8 5 冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级 C25。其中 B1、B2 为对比试验板，未进行加固处理；B3B6 底部通长粘贴日本产 FTS-C1-20 碳纤维 120 宽两道。试验用 FTS-C1-20 碳纤维材料性能指标：厚度 0.111 ，单位面积重量 200g/，密度 1.8 g/cm ,拉伸强度 3550Mpa，拉伸模量 235Gpa，粘贴碳纤维结构胶选用日本产 FR-E3P。1.2 试验方案在预应力混凝土空心板跨中

109、混凝土及碳纤维上粘贴电阻应变片，按预制混凝土构件质量检验评定标准（GBJ321-90）对预应力混凝土空心板进行结构性能试验。在 1.0 倍正常使用短期荷载检验值作用下持荷 30min，其余每级荷载作用下持荷 10min。持荷载结束时，使用静态电阻应变采集仪跟踪记录混凝土及碳纤维在各级荷载作用下的应力应变情况，用百分表量测空心板在各级荷载作用下的挠度变化，用读数显微镜观测裂缝宽度并记录裂缝开展情况，所有试验均做到破坏为止。试验结果见表 1。表1空心板试验结果板号开裂荷载/KN开裂弯矩/KNm极限荷载/KN极限弯矩/KNm试验值 计算值Mu，t MuMu，t/Mu加固材料应变破坏特征B1B2B3B

110、4B5B611.211.224.621.821.821.85.925.9211.2510.1410.1410.6924.825.847.042.645.842.611.3311.7320.1518.4019.6818.4010.3710.3717.1517.1517.1517.151.091.131.171.071.151.07-110009876120008884主筋拉断主筋拉断主筋、碳纤维均拉断主筋、碳纤维均拉断主筋、碳纤维均拉断主筋、碳纤维均拉断1.3 试验分析板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，根据现行规范抗弯设计计算的基本原理，参照国内外关碳纤维加固混凝土受弯构件正截面抗弯设计的试验研

111、究成果，假定：预制混凝土空心板受弯后，变形规律符合平截面；忽略混凝土的抗拉强度；在极限状态下，碳纤维的应力达到抗拉设计强度。正截面内力平衡方程：Fx=0M=0Acfcf+Asy=bxcmMu=Acfcf（h-x/2）+Asy（ho-x/2）（1）（2）1.4 试验结论采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，可以有效地提高预应力混凝土空心板的承载力。在同样荷载作用下，粘贴碳纤维加固后可以有效减少预应力混凝土空心板的挠度。粘贴碳纤维加固后预应力混凝土空心板的开裂荷载增大。采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，基本不影响构件的截面高度及自重，对用户空间的净高度及建筑物的其他结构没有影响。35LL试验中

112、碳纤维最大拉应变为 12000，建议设计时碳纤维抗拉强度取 2000Mpa。2、工程实例2.1 工程概况某住宅楼采用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号 L95G404，板号 YKBL33-22d，尺寸为 3280590 120 ，受力主筋为 650 级 8 5 冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级 C25，跨中弯矩设计值为5.79KNm。居民入住后，陆续发现多处空心板跨中附近存在垂直受力主筋的裂缝，裂缝宽度在 0.61.2范围，上下贯通，相邻 3 块空心板裂缝并排在一块的有 1 处。混凝土结构设计规范（GBJ10-89）规定，冷拔低碳钢丝或冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板在正常使用条件下不允许出现裂

113、缝。裂缝的存在严重影响预应力混凝土空心板的整体性和承载力，埋下了结构安全隐患，必须进行加固处理。通过对现场裂缝情况分析，上述预应力混凝土空心板裂缝是因吊装、运输不当引起的，在施工安装前即已出现。2.2 加固方案确定及计算分析按居民要求，对空心板加固后要保证房间恢复原状，不影响原使用功能。时至冬季，处理速度要快，尽量不影响居民正常生活。为此，选择灌浆封缝和粘贴碳纤维布的加固处理方案。通过灌浆封闭裂缝，堵塞有害介质腐蚀钢筋的通路，并将已开裂的混凝土粘结起来，使空心板成为一个整体，提高其耐久性，在板底粘贴碳纤维可减少空心板的变形，提高其承载力。板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，本工程计算不考虑原钢筋

114、作用。考虑碳纤维布与混凝土粘贴破坏特性，碳纤维布设计抗拉强度 cf=2400Mpa。经计算实配 2 条 100 宽碳纤维，并在端部各横贴 1 条 100宽碳纤维以加强端部锚固。加固施工图见图 1。图1预应力混凝土空心板加固作法1空心板圆孔直径 76mm；2粘贴 100mm 宽碳纤维布2.3 施工工序2.3.1 支撑卸荷将空心板上下抹灰层剔除，露出空心板顶面和底面。在每块空心板底设直径或边长为 100 的原木或方木支撑 2 根，支撑上下设垫块，用木楔打紧。3612.3.2 封缝灌浆灌浆封缝工艺如下：在裂缝处粘贴两个灌浆嘴、出气嘴；裂缝外表封闭；按比例配制好灌浆浆液，开始压力灌浆；待浆液固化后进行

115、下道工序。2.3.3 粘贴碳纤维按所选定的碳纤维和粘结胶的品种、规格准备材料后，按下列工序进行：基面处理涂刷底胶粘贴面修补粘贴碳纤维养护表面防护处理。2.4 荷载试验加固施工后，选取有代表性的空心板做结构性能试验，以试验结果评价加固技术的可靠性和加固效果。本工程选择裂缝并排的 3 块空心板做试验。试验时上下抹灰层已施工完毕，恒载全部作用到空心板上。按图集 L95G 404 规定，YKBL33-22d 空心板活荷载为 2.0KN/，试验荷载加至活荷载的 1.4 倍，检验加固后的空心板在各级荷载作用下的变形及卸荷后变形恢复情况，验证空心板裂缝的加固效果。试验过程采用分级加载，逐级观察挠度变化情况和

116、裂缝的开展情况。整个加荷过程中，空心板的挠度变化很微小，正常使用短期荷载作用下 3 块空心板的实测挠度分别为0.09 、0.07 和 0.05 ，加荷至 1.4 倍活荷载时，3 块空心板的最大实测挠度分别为 0.11 、0.08和 0.06 ，被灌浆封闭的裂缝未开裂。最后分 3 级卸荷，每级卸荷后持荷 10min 观察挠度回弹情况。挠度的回弹量与卸荷量成正比，卸荷完成后观察，外加荷载使空心板产生的挠度全部回弹。说明加固后的空心板在上述荷载作用下，外在弹性工作状态，满足正常使用要求。3、结语粘贴碳纤维加固预制混凝土空心板具有施工简便，不需专门机械设备；施工周期短，不影响居民正常生活；重量轻，不增

117、加结构重量等优点。将其结合灌浆封缝和剔槽埋筋作法，可提高被加固构件的抗弯、抗剪性能，加强结构整体性和耐久性，通过荷载试验证明加固效果良好。参考文献曲文俊等.碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工规程建议.建筑物鉴定与加固改造.汕头：汕头大学出版社，2000372 22 -6 221高强复合纤维材料加固混凝土结构技术的应用高强复合纤维材料加固混凝土结构技术的应用是由特种环氧树脂将复合双向纤维材料粘贴于混凝土表面，加固并改善构件受力性能。它具有强度高、重量轻、耐久性好、施工简便迅速、不需养护、无噪声、维持结构原状和节省造价等优点。本文结合室内试验结果，并用实际工程验证其加固效果。1、材料性能高强复

118、合纤维的主向抗拉强度为 643N/mm ，横向抗拉强度为 40 N/mm ，纤维布与树脂复合后层厚 1.3，主向截面弹性模具为 30.2KN/ mm ，热膨胀系数为 7.7410 /，与 C40 混凝土粘结力为 4.8 N/mm ，与 C15 混凝土粘结力 2.58 N/mm ，延伸率为 2.3%。2、试验结果2.1 试验梁制作试验梁梁长为 2500 ，截面尺寸（宽高）为 150 250 ，共制作 15 根梁。受力钢筋分别采用212 、216 和 220 ，配筋率分别为 0.72%、1.27%、2.1%。2.2 影响加固效果的主要因素复合纤维的粘贴量：当复合纤维的粘贴量较低时，承载能力的提高幅

119、度随纤维量的增加而增大；承载能力增加速率随纤维数量的增加而变慢。配筋率为 0.72%、梁底粘贴 13 层时，抗弯强度即提高 20%60%。钢筋配筋率：加固效果与被加固截面的配筋率大小有关，原截面配筋率越低，加固效果越明显。配筋率为 0.72%2.1%，梁底粘贴一层纤维时，抗弯承载力提高 30%16%。2.3 受弯性能分析该加固方法能有效地阻止裂缝的开展及延伸，使全梁更均匀地受力。当配筋率为 0.72%、梁底分别粘贴 1、2、3 层复合玻璃纤维，其作用荷载力 65KN 时最大裂缝分别为 0.9 、0.66 、0.35 。试验梁从加载到破坏大致可分为整体工作阶段、裂缝开展阶段、钢筋屈服纤维明显作用

120、阶段和破坏阶段。3、加固设计与实施3.1 工程概况江苏省昆山市通城河桥为三跨简支 T 形梁桥（13.5m+16.5m+12.5m），鉴定其加固前承载能力为汽-10级荷载标准，已经不适应交通运输要求，需要进行加固，提高其承载能力到汽-15 级荷载标准 ，以维持正常使用。3.2 加固设计高强复合玻璃纤维的设计强度取 Rf=180MPa。经设计校核计算，中孔和边孔的 T 形梁梁肋底 18 宽，分别粘贴 5 层、4 层复合纤维。依据设计图纸于 2000 年 6 月初对该桥进行加固施工，施工工期仅 4d。中孔跨中 5m 范围，梁两侧包裹2 层复合纤维以抵抗船只冲撞，并用红白漆相间涂刷作为警示。4、加固施

121、工工艺加固后结构属复合结构，须保证施工质量，才能使高强复合玻璃纤维材料与被加固的结构共同协调工作，并充分发挥其力学性能。4.1 配制特种环氧树脂将树脂的组分 A 和 B 按 100：34.5（重量比）混合，低速搅拌，环境温度在 20左右时约需搅拌 5min，温度更低时需 68min。混合后透明的树脂一般须在 2h 内用完。4.2 加固施工被加固结构的表面必须清洁，基本平整，没有尖角和突起物，梁柱封闭包裹处，其棱角须磨成半径20 的圆角。对已剥落的混凝土应修复后再进行粘贴，结构表面所有宽度大于 0.3 的裂缝均须用环氧树脂灌注。在结构表面涂刷一层特种环氧树脂作底层。1h 后将湿透的纤维布充分地粘

122、在结构的外表面。纤维布之间的纬向接缝不得超过 12.5 ，经向（主纤维方向）搭接长度不得小于 150 ，接缝必38表11须交错布置。纤维布中的气泡须在树脂硬化前排出，每层纤维层均须与前与层或基层紧密附着。5、加固效果评定加固后再次对该桥进行现场试验，评定其承载能力达汽-15 级荷载标准，满足加固要求，其在试验荷载作用下的数据见表 1，试验荷载为总重 22t 的 2 辆汽车。加固后桥梁已运行一年有余，效果良好。加固后中孔钢筋、玻璃纤维应力校验系数载位梁的名称实测应力/Mpa钢筋 玻璃纤维理论应力/Mpa钢筋 玻璃纤维钢筋检验系数玻璃纤维偏心加载中心加载边梁中梁边梁中梁55.2055.6055.2

123、055.2045.3050.6042.3065.6072.5054.4062.0065.6085.4364.0772.0376.890.761.020.890.840.530.790.590.85参考文献交通部标准 JTJ02385，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范39图 1碳纤维布加固混凝土梁截面刚度计算0 引言碳纤维布加固混凝土梁在结构工程加固应用中已极为广泛，相应的试验研究成果也比较多，目前国内外对碳纤维布加固混凝土梁的承载力研究已比较成熟1-5，对裂缝、变形和刚度等也有许多试验资料。试验结果表明，用碳纤维布加固梁的截面刚度比未加固梁的截面刚度有所提高，但对于加固梁刚度的计算目前

124、尚没有成熟的研究成果。本文通过解析分析，建立了基于试验资料的碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面刚度简化计算公式，试验资料验证结果表明，该计算公式可以用于碳纤维布加固钢筋混凝土梁的截面刚度计算。1 加固梁截面刚度变化规律1.1 试验现象国内外大量的试验结果表明，碳纤维布加固混凝土梁的刚度变化与普通混凝土梁的刚度变化趋势是一致的，都与混凝土中裂缝的出现和发展有关，从整体上看，碳纤维布加固梁的截面刚度比普通混凝土梁的截面刚度大，即挠度比相应的普通混凝土梁的挠度要小，其刚度变化过程也可以分为 3 个阶段，如图 1所示。碳纤维布加固梁典型弯矩曲率曲线第阶段：混凝土开裂以前。该阶段中弯矩很小，混凝土的应力与应变

125、成正比，荷载-挠度曲线（或弯矩-曲率曲线）为直线，即截面刚度保持不变，截面表现出较好的弹性性质，与普通混凝土梁的性质相同，而曲线斜率稍大，即刚度值较对比普通混凝土梁的刚度值略有提高。第阶段：混凝土开裂至纵向受力钢筋屈服。受拉区混凝土开裂时，弯矩-曲率曲线上出现拐点，曲线斜率减小，但随后曲线斜率基本不变。这个阶段中加固梁截面刚度变化也与普通混凝土梁的表现相似，截面基本上仍表现为弹性性质，但相应刚度值也较对比普通混凝土梁的刚度值大一些，即曲线斜率更大一些。第阶段：纵向受力钢筋屈服钢筋后至极限状态。纵向受力钢筋屈服时弯矩-曲率曲线上又有一个明显的拐点，曲线斜率又一次减小（这时候碳纤维布的应变也有突然

126、增大现象），即截面刚度进一步下降，挠度增加，直到极限状态。但从整体上看，本阶段加固梁刚度较对比普通混凝土梁的刚度有较大的提高。沿梁的纵向，由于各个截面纵向钢筋的配筋量不同，各个截面中和轴高度的变化等造成截面刚度也是变化的，且在不同的荷载水平下截面刚度的分布不尽相同。1.2 加固梁刚度变化的分析上述加固梁刚度变化过程中第阶段加固梁的刚度与普通混凝土梁的刚度相差较小，是由于本阶段中梁受力还比较小，混凝土、钢筋和碳纤维布都处于弹性阶段，截面整体表现出较好的弹性性质，碳纤维布与钢筋的作用完全相同，只是碳纤维布的约束力使得截面的弹性性质较对比梁更充分，从而表现出较高的刚度。第阶段中加固梁的刚度较对比梁的

127、刚度提高较大，这是因为加固用碳纤维布对混凝土受拉区的约束是双向的平面约束，虽然碳纤维布不能阻止混凝土开裂但能使受拉区混凝土开裂后扩展的趋势受到抑制，试验中可以观察到加固梁的裂缝形态与对比梁明显不同，裂缝宽度小、间距小、发展很慢，中和轴上升很慢，裂缝截面上的拉力由钢筋和碳纤维布共同承担，与对比梁相比，纵向加固碳纤维布相当于增加了钢筋，同时裂缝处混凝土截面削弱较小，因此计算截面刚度时除了考虑碳纤维布的贡献，还应该考虑混凝土受力面积的因素。第阶段中加固梁的刚度较对比梁的刚度有较大增加，普通梁在这一阶段中由于截面塑性发展很大，裂缝发展很快，使得刚度下降较大，而加固梁中由于碳纤维布材料本身直到断裂前都是

128、弹40 ， ，性性质的，碳纤维布对混凝土中裂缝的约束使得裂缝的开展受到更大限制，与第阶段相比裂缝宽度增加很少，裂缝上升高度较对比梁也要小得多，即截面混凝土受压区高度仍然很大，截面塑性化程度没有普通混凝土梁那么大，截面还表现出一定的弹性性质，截面刚度降低也就没有对比梁截面刚度降低那么大，使得碳纤维布对截面刚度的贡献比第阶段的贡献要大得多。由于碳纤维布加固量不同时对混凝土的约束能力不同，所以在第阶段和第阶段中，截面刚度变化与混凝土截面的受力面积及碳纤维布加固量不同有关。如果加固前构件已经开裂或裂缝较大则碳纤维布只能在原有裂缝的基础上约束裂缝的进一步发展，从而使截面刚度的下降减缓。如果纵向碳纤维布端

129、部有锚固则对梁整体的约束更大，因此加固梁截面刚度的变化受碳纤维布加固量、受载历史、锚固方式等因素的影响。2 加固梁截面刚度计算碳纤维布加固混凝土梁的截面刚度随着弯矩值的增大而减小，这从图 1 中可以看出，但在各个阶段中，截面刚度的变化并不十分显著。碳纤维布加固梁时一般截面受拉区混凝土已产生裂缝，即加固前受拉钢筋已存在一定的拉应变，当然混凝土也可能未产生裂缝，计算中应加以区别考虑。以下的推导过程将以受拉钢筋不存在初始应变为前提，对碳纤维布加固梁在正常使用阶段中的刚度进行解析分析6，在简化过程中再考虑钢筋初始应变的影响。考虑梁在裂缝稳定发展阶段时裂缝截面的 3 个条件：2.1 变形条件大量试验结果

130、证明1 5 7 8，加固梁在正常使用阶段截面平均变仍符合平截面假定，截面的平均曲率可以表示为：1= c + cfh（1）碳纤维布的平均应变cf 取为：cf= cf cf（2）混凝土的平均压应变取为： c = c式中 cf 裂缝间碳纤维布的平均应变； cf 裂缝间碳纤维布应变的不平均系数；c，cf裂缝截面压区混凝土和拉区碳纤维布的应变。2.2 本构关系在使用阶段，裂缝截面处压区混凝土、受拉钢筋和碳纤维布的应力分别按下式计算： c = c Ec = c Ec cf = cf Ecf = cf Ecf / cf s = s E s = s E s / s（3）（4）（5）式中 混凝土的受压变形塑性系

131、数，其含义与普通混凝土梁计处算截面刚度时一致； s 裂缝间钢筋应变的不均匀系数；Ec、Es、Ecf混凝土、钢筋和碳纤维布的弹性模量；41ho E s cfhEcf sho E s cf hEcf s2 cf +s裂缝处钢筋的应变。考虑到受拉钢筋加固前已存在的应变并由钢筋与碳纤维布的应变相似关系，式（5）可以近似地写为： s =ho E s cfhEcf s cf（6）2.3 平衡条件在忽略受拉区混凝土拉应力的情况下，裂缝截面的应力分布如图 2 所示，可建立截面的两个力的平衡方程：M = cbxcr (h a) + cf Acf aM = (h a) s As + h cf Acf（7）（8）式

132、中压区混凝土应力图形完整系数；图 2加固梁开裂后截面应力分布裂缝截面上最大的力臂系数；xcf裂缝截面的混凝土受压区高度。下面进行推导。由式（7）、式（8）可以写出： cf =(h a)Mho E s cfhEcf sAs + hAcf（9） c = M(h a) As + hAcf (h a)bxcr(h a) As + (h a) Acf（10）将式（9）、式（10）、式（3）、式（4）依次代入式（1），并记：ncf=Ecf/Ec，ns=Es/Ec，cf=Acf/（bh），s=As/（bho）， cs = cf / s 。可以得到平均曲率为：1=M ns cs s + ncf cf(h a)

133、ho E s cs As + h Ecf Acf ( xcr / ho )+ cf （11）则截面平均线刚度为：B =M1 / =(h a)ho cs E s As + h 2 Ecf Acfns cs s + ncf cf ( xcr / ho )（12）根据试验结果分析，由于碳纤维布的约束作用，式（12）中系数在使用阶段变化不大，同时，在使用阶段，裂缝处碳纤维布约束混凝土和钢筋的变形，即使钢筋存在初始应变，也使得裂缝处碳纤维布与钢筋的变形不均匀程度相当，即 cf 与 s 相差不太大，为简化计算，本文根据试验资料初步取 cs=1，=0.9，并近似取h-=ho，对其它参数则综合考虑，记：421

134、 2图 3K = cf + cs ns s + ncf cf ( xcr / ho )（13）称为碳纤维布加固梁的截面刚度综合变化系数，它随着 nss+ncfcf 的增大而逐渐增大，根据试验结果，得到了在一般使用条件下 K 与 nss+ncfcf 关系，如图 3 所示，其统计表达式为：K = 0.0033(ns s + ncf cf ) 2 + 0.103(ns s + ncf cf ) + 1.07（14）上述试验结果统计中部分考虑了钢筋初始应变的影响，由此统计得到的式（14）反映了这些因素的影响，同时也间接地弥补了前述简化所引起的误差。最后得到简化的刚度计算公式为：B =K(ho Es A

135、s + 0.9h 2 Ecf Acf )（15）其中系数 K 见式（14）。截面刚度综合变化系数 K 的变化规律3 试验验证由本文完成的试验结果及其它试验测得的刚度值、公式（15）计算的刚度值及其结果的对比表（省略）可以知道，式（15）计算的刚度值与实测刚度值比值的平均值为 1.0934，标准差为 0.1495。计算结果具有较高的精度，可以用于计算碳纤维布加固钢筋混凝土梁的截面刚度。4 结语本文根据试验结果描述了用碳纤维布加固的钢筋混凝土梁截面刚度的变化规律，对正常使用阶段梁的截面刚度进行了解析分析，基于试验资料分析提出用截面刚度综合变化系数 K 表达各种因素对碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面刚度

136、的影响，并由此推导出碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面刚度的简化计算公式，该公式在表达方式上与普通钢筋混凝土梁的截面刚度计算公式相似，易于掌握，同时与试验结果的比较表明，本文公式具有较高的精度，可以用来计算碳纤维布加固混凝土的截面刚度。由于试验资料有限，截面刚度综合变化系数的表达方式还有待于进一步研究、修正。同时，如何应用本文公式计算的截面刚度进行碳纤维布加固钢筋混凝土的变形验算等，都是今后需要进一步开展工作加以解决的。参考文献1 陈小兵等.碳纤维材料加固钢筋混凝土梁的试验研究.工业建筑，1998，28（11）：6-102 Tan K H and Mathivolii M.Behavior of P

137、reloaded Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Sheets.In：FourthInternatieonal Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcemenbt for Reinforced Concrete Structures (Selected PresentationProceedings).ACI,1999.159-1703 邱佑宗，卢廷钜，叶芳耀等.复合材料补强钢筋混凝土构件解析计算与实验验证.工业材料（台湾），1987（142）：135-146

138、4 屈文俊，张誉，曹玉明等.碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工规程建议.见：中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.北京：2000。341-3455 陈宽诚，彭少民，张海波等.碳纤维织物用于混凝土梁抗弯加固试验研究.见：中国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会论文集.北京：2000.189-1936 过镇海.钢筋混凝土原理.北京：清华大学出版社，19997 Spadea G,Swamy R N,Bencardino F.Ductility or Deformability? Reynforced Concrete Beams Strengthened with

139、ExtenallyBonded Carbon Fiber Reinforced Polymer Laminates.In ： Fourth International Symposium on Fiber Reinforced PolymerReinforcement for Reinforced Concrete Structures(Selected Presentation Proceedings ).ACI,1999.171-1808 Ritchie Philip AA,Thomas David A,Lu Lewu et al.External Reinforcement of Con

140、crete Beams Using Fiber ReinforcedPlastics.ACI Structural Journal,1991(7-8)：490-49943-9 锈蚀钢筋混凝土结构防护与加固1 前言钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀、混凝土的顺筋胀裂、层裂和剥落，成为威胁混凝土耐久性的主要灾害。它造成的巨大的经济损失，成为土木工程界关注的焦点。锈蚀混凝土结构的防护与加固技术目前已经引起世界各国的重视，在锈蚀钢筋混凝土结构防护与加固技术中，大致可划分为以下几个方面。1.1 提高钢筋混凝土材料自身的防腐蚀性能该方法应用范围是针对处于腐蚀环境条件下的混凝土结构，钢筋锈蚀、混凝土胀裂的预先防护。

141、提高钢筋自身防腐蚀性能的技术措施有以下几种：包铜钢筋、镀锌钢筋、环氧涂层钢筋、聚乙烯缩丁醛涂层钢筋、不锈钢钢筋、纤维增强复合材料（玻璃钢）配筋。由于钢筋的锈蚀是由外部环境中腐蚀性气体或酸碱性液体入侵混凝土造成，提高混凝土防侵蚀技术是提高钢筋混凝土材料自身的防腐蚀性能的另一重要方面，目前措施有如下几种：高性能混凝土、纤维增强混凝土、普通混凝土在浇注过程中添加阻锈剂。1.2 根据钢筋混凝土结构锈蚀机理发展起来的电化学加固处理技术阴极保护技术、电化学脱盐是目前工程加固领域应用的热点。电化学脱盐是以钢筋为阴极，在接触混凝土表面的电解质溶液中埋入一个金属网作为阳极，在短期内施加较大（1A/）的阴极电流密

142、度，使钢筋钝化。以后，停止施加阴极电流，拆除电化学处理装置，也能得到保护。电化学再钝化用于碳化混凝土引起的钢筋腐蚀的场合，就称为电化学再碱化；电化学再钝化用于被氯化物污染引起的钢筋腐蚀的场合，就称为电化学驱氯。1.3 工程结构加固方法碱性砂浆局部修补方案、碳纤维加固、粘钢加固等是普通结构加固方法在锈蚀结构加固中的拓展应用。2、锈蚀与保护机理、锈蚀与保护机理混凝土的微观组成是指水泥石结构，由水泥凝胶、晶体骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。拌制普通混凝土的硅酸盐水泥主要成分是：硅酸盐三钙 C3S、硅酸二钙 C2S、铝酸三钙 C3A、铁铝酸四钙C4AF。因此，在以硅酸盐水泥为胶凝材料主体的混凝土

143、中，水化时会生成大量的 Ca（OH）2，水泥水化充分时，Ca（OH）2 的生成量将占水泥质量 15%30%，其水泥凝胶孔中孔隙液通常是 Ca（OH）2 的饱和溶液，具有高碱性（pH 值为 12.513）。钢在这种高碱性溶液中，只要含有少量的氧都会形成一层致密的、厚约（210）10 m 的尖晶石固溶体 Fe3O4Fe2O3。从电化学动力学上来看，钢由活态转化为钝态，保持钢筋混凝土的高碱性状态，使钢材表面钝化，不腐蚀，是护筋的基本措施。对于被酸性物质侵蚀引起钢筋锈蚀而尚未锈蚀的钢筋保护措施之一是设法帮助混凝土恢复钝态即所谓“再钝化”。使钢筋混凝土结构再钝化的方法，一种是用碱性砂浆在锈蚀处局部修补，

144、一种是电化学再碱化，将阳极埋在与已碳化的钢筋混凝土结构临时性接触的电解质溶液中，外加直流阴极电流于钢筋，由于钢/混凝土接口上水或氧的电化反应产生 OH-，并向混凝土中扩散，使已经碳化混凝土恢复高的碱性和钢筋再钝化。试验表明，钢筋处于难以进行阳极腐蚀的电位，对硫酸铜参比电极的半电池电位约为800mV 3 。钢筋在发生电化学腐蚀的反应式为：阳极区：2Fe2Fe2+4e阴极区：4e+2H2O+O24OH-2Fe+2H2O+O22Fe2+4OH-2Fe（OH）2在钢筋混凝土锈蚀胀裂的成因调查报告中发现钢筋的锈蚀以 Cl-离子侵入引起的锈裂构件为最多 3 。其对钢筋的腐蚀反应过程如下，Cl-离子与 OH

145、-争夺腐蚀产生的铁离子 Fe2+形成易溶的 Fe（Cl）24 H2O，该产物为浅绿色，俗称为“绿锈”。绿锈从钢筋阳极区向含氧量较高的混凝土孔隙液迁移，分解为 Fe（OH）2，颜色为褐色，故俗称为“褐锈”，褐锈沉积于阳极区周围，同时放出 H+，Cl-，它们又回到阳极区，使阳44 极区附近孔隙液局部酸化，Cl-离子再带出更多的 Fe2+，反应式如下：Fe2+2 Cl-+4 H2OFe（Cl）24 H2OFe（Cl）24 H2OFe（OH）2+2 Cl-+2 H+2H2O电化学脱盐，阻锈剂及阴极保护正是针对钢筋锈蚀机理而发展起来的防腐加固处理技术。3、电化学防护技术、电化学防护技术调查表明，在我国，

146、钢筋锈蚀、混凝土胀裂而出现顺筋裂缝最为严重的结构工程，一是由大气环境和海洋环境中氯离子入侵引起的腐蚀的港口工程与水电工程；二是由撒除冰盐（NaCl、Ca2Cl 等）引起腐蚀的桥梁工程。针对由氯离子引起的锈蚀破坏的电化学防护技术是目前工程领域的热点之一。电化学防护技术主要包括阴极保护技术、电化学脱盐。其中，阴极保护系统目前在国内外广泛地用于氯离子引起锈蚀的结构的修复中，可以有效地阻断锈蚀反应继续进行。阴极保护系统按工作原理可以划分为两类：牺牲阳极的阴极保护法，外加电流的阴极保护法。至于碳化混凝土引起的钢筋腐蚀破坏一般不必考虑采用阴极保护，这不仅是因为在混凝土的腐蚀破坏中，碳化腐蚀破坏所占比例较小

147、。更主要的是因为碳化会使混凝土电阻率增高，不利于阴极保护，碳化引起的腐蚀破坏通常限于混凝土保护层较薄的那一部分结构表面，用传统的局部打“补丁”的修补方式，即可提供经济耐久的保护。3.1 外加电流的阴极保护法外加电流的阴极保保护法工作原理是以直流电源的正极接通难溶性阳极，发射保护电流；以其负极接通被保护的钢筋，阳极与被保护的钢筋均处于连续的电解质中，使被保护的钢筋充分均匀地接受自由电子，从而受到阴极保护。适用于钢筋混凝土结构的阴极保护系统由以下几部分组成：可调式电源装置；阳极系统；阴极系统（被保护的钢筋）；连接电缆；电位测量系统。在阴极保护系统的设计中，下面几点尤为关键，直接涉及到系统的稳定性与

148、可靠性。1）阳极系统必须为难溶性材料，如铅银等。2）阳极与阴极电缆线要保证有足够小的电阻，临测电缆线要有一定的强度。3）可调式电源装置输出电压不能过高（通常 1236V）3 ，可采用专用阴极保护仪；一般所需电流保护密度为 220mA/ 1 。4）通过电位测量系统保证在系统保证在系统长期运行中被保护钢筋的电位处于-800-1500mV 之间。3.2 牺牲阳极的阴极保护法由于混凝土被氯化物侵入，使钢筋表面局部去钝化，同时放出自由电子；而仍然钝化的钢筋其余表面，则成为阴极区，与上述阳极区构成腐蚀电偶。牺牲阳极的阴极保护法主要工作原理是采用电化学上比钢更活泼，即电位更负的铝合金（或锌合金、镁合金）作为

149、阳极，与被保护的钢电连接，以本身的腐蚀（牺牲）提供自由电子，对保护的钢实施阴极保护。要实施阴极保护，使大面积钢筋网上任何进方都可以均匀地接受足够的自由电子，靠配置于结构表面上间距较大的少数牺牲阳极或外加电流阴极保护的阳极是不可能的，只有采用均布于整个被保护表面上的阳极系统，才能成功地实施阴极保护。因此，阳极系统的设计就成为暴露于大气中的盐污染钢筋混凝土结构阴极保护技术的关键。目前，技术比较成熟，效果比较可靠的阳极系统有如下几种，但在功能、造价及应用场合各有利弊。硅铁（主阳极）覆盖以热沥青焦炭屑砂浆层（次阳极）系统，由 Stratfull 首先在美国圣克拉蒙市以东的内华达山区 50 号公路 Sl

150、y 桥的桥面板上敷设。做法是，先凿除因钢筋锈胀而开裂、剥落的混凝土保护层，用普通水泥砂浆找平。然后以 1.9m 间距在桥面板安置硅铁阳极块。再将热沥青和焦炭屑的拌合物铺摊于整个桥面板，趁热碾压成厚 5 的一层覆盖层。顶面再加一层 5 的沥青磨耗层。其施工简便，成本低，运行可靠，但是增加构件自重，减少结构上部净空尺寸，在板底和板侧难以敷设。活化钛板网阳极是指表面具有钛、铂、铱、钽、或钌的氧化物的混合物的钛板网，称为活化钛板网。一般情况下，是用尺寸相近的 0.52 厚的钛板网拉成宽约 1m 的成卷的活化板网，将这种板网切成一定尺寸，可用塑料固定件固定于任意取向的混凝土表面上，点焊钛条件作为阳极连接

151、件。由于网眼大小不同，可按被保护构件各部位的钢筋密集程度的不同，局部采用不同的规格，以提供不同的电流密度。当这种阳极覆盖以后约 30 的普通水泥砂浆时，以混凝土表面积计的额定工作电流密度平均是 1540mA/，局部高达 110 mA/。使用寿命估计为 22.5100 年。活化钛板网阳极是当今保护盐污染混凝土结构中最成45功也是应用最广泛的阳极材料。其唯一缺点是太昂贵，阴极保护单价高达 160200 英镑/。导电塑料电线网（主阳极）覆盖碱矿渣焦炭屑砂浆层（次阳极）的阳极系统。由于碱矿渣水泥焦碳屑砂浆层，简称 AS 砂浆，可以人工涂于构件侧面和底面上，施工简例，也很经济，适用范围广阔。4 碳纤维布

152、对锈蚀结构的加固锈蚀钢筋混凝土结构的锈蚀加固技术有粘钢加固技术、纤维增强复合材料（简称 FRP）加固技术。纤维增强复合材料（简称 FRP）主要是指碳纤维（CFRP）、芳伦纤维（AFRP）、玻璃纤维（GFRP）。在我国研究应用比较热门的是碳纤维（CFRP）加固。碳纤维布在锈蚀结构中的应用，目前在国内还未见这方面的报道。4.1 碳纤维及粘结剂的力学性能碳纤维具有轻质高强、耐腐蚀性能好、易于施工等优点。尤其是高弹模型碳纤维，其抗拉强度比钢材大 6-8 倍，弹性模量比钢材大 1.82.6 倍；在 600高温下其性能保持不变，在-180低温下仍很柔韧；不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀。其具体力学特性见表

153、 1。表 1碳纤维的力学特性纤维高抗拉碳纤维高弹模碳纤维等级纤维质量，g/纤维密度，g/设计厚度，设计抗拉强度，Gpa设计抗拉弹模，GPaFTS-C1-202001.80.1113.55235FTS-C1-303001.80.1673.55235FTS-C5-303001.820.1653.00380FTS-C6-303002.10.1432.50500FTS-C7-303002.170.1432.00550钢筋及不同碳纤维应力-应变曲线见图 1。图 1建筑结构胶的性能指标见表 2。钢筋及不同碳纤维应力应变曲线表 2建筑结构胶性能指标抗压强度MPa5060抗拉强度MPa1518剪切强度，MPa

154、（对混凝土）20弹性模量MPa（56）1034.2 碳纤维布加固设计原理与计算碳纤维布加固设计的基本指导思路：1）对于外观完好，钢筋锈蚀较少，混凝土保护层尚未开裂的构件，即轻度锈蚀钢筋混凝土结构，在计算承载力时，可认为钢筋与混凝土的自身强度与它们之间的粘结强度都没有降低，因此，对于此类构件，若进行碳纤维加固，仅进行预防性防腐蚀加固即可，以提高构件在不利环境下的耐腐蚀性。该类加固属于构造性加固，不必对碳纤维布所需数量进行计算。2）对于混凝土保护层已经开裂的重度锈蚀钢筋混凝土结构，钢筋锈蚀引起钢筋截面积减少，钢筋强度降低，且钢筋与混凝土之间粘结力损失引起的强度降低。在进行碳纤维加固时，应针对结构锈

155、蚀程度不同，来计算纵向碳纤维布所需数量，以提高抗弯承载力；计算横向碳纤维布数量，以提高抗剪承载力。在这里，需要指出的是结构加固是对整个构件强度的恢复和提高，而不是对钢筋损失量的弥补。4.3.1 抗弯承载力加固设计46。 ，。：由文献7得到的钢筋直径损失与顺筋裂缝之间的关系公式（试验构件中钢筋平均直径 16 ）D=645.71*W+56.2（1）式中，D钢筋直径损失（m）；W裂缝宽度（）根据文献3中，钢筋截面损失率与构件承载力降低之间的关系图3，可推得到以下钢筋截面损失率与构件承载力降低公式：12Md/Mo+0.27s%-12=0（2）式中，Mc锈蚀构件承载力；Mo正常构件承载力；s%钢筋截面损

156、失率。由此，可以得到构件裂缝宽度与构件承载力降低之间的关系：12Md/Mo+10.89W-11.05=0（3）在观测宏观裂缝宽度，并且已知构件原有承载力的前提下，可通过上式得构件承载力的降低值，来计算纵向碳纤维布的需要量。碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力试验分析得如下几点计算假定4 6 11：1）可认为碳纤维布加固的梁承载力计算中基本符合平截面假定；2）锈蚀结构混凝土的极限应变为 0.0035；3）锈蚀钢筋的极限应变 0.01；4）碳纤维布的极限应变 0.01（偏安全，实际应变可达 0.015）从而，可得到碳纤维布对锈蚀结构承载力的加固计算公式如下（按钢筋混凝土单筋矩形截面受弯构件正截面

157、承载力设计公式） C f c bx = yf y As + E f cf AcfM c = E f cf Acf (ho x / 2)（4）（5）在这里，根据 ACI 委员会 FRP 设计指南建议 CFRP 应变不应小于 0.005，相当于x 0.64bho（6）c锈蚀结构混凝土强度降低系数；y锈蚀结构混凝土强度降低系数；=1-s%为钢筋锈蚀后面积降低系数；c 按照混凝土设计规范修订稿，混凝土强度等级不于 C50 时，等效矩形应力图的应力取轴心抗压强度c。Ef碳纤维布的弹性模量；cf碳纤维布的极限拉应变（可取为 0.01）；Acf碳纤维布的使用截面积。4.3.2 锈蚀构件抗剪承载力加固设计研究

158、证明，碳纤维布对提高梁的受剪承载力的作用机理与箍筋相似。碳纤维布对抗剪承载力的提高与以下因素有关。第一类是加固梁本身的性能及原始情况：包括荷载情况、支撑情况、梁的高跨比、剪跨比、混凝土强度、配筋率、配箍率等；第二类是加固材料（包括碳纤维布和胶）的性能：包括 CFRP 的厚度（层数）、弹性模量、锚固长度、剪跨之比，胶的弹性模量、剪切强度、厚度、极限延伸率等。在以上影响因素中，对极限承载力及破坏特征影响较大的是配筋率、CFRP 的厚度（层数）、剪跨比、胶的剪切强度等。一般来讲，碳纤维条粘贴层数越多，则加固梁的抗剪承载力提高得越多；在碳纤维用量相同的情况下，条带间距小、层数少的加固方案优于条带间距大

159、、层数多的加固方案。碳纤维布加固的构件，其受剪破坏类型有两种形式。一种是粘贴于梁侧的碳纤维布发生受拉破坏；一种是梁侧的碳纤维布与混凝土之间发生粘结剥离破坏。抗剪加固设计公式47V=Vc+Vs+Vf（7）其中，Vc 为混凝土的抗剪承载力，Vs 为箍筋的抗剪承载力，可按规范有关普通混凝土梁的规定方法进行计算，针对锈蚀构件，这两项前分别乖于混凝土和钢筋的降低系数c、y。Vf 为碳纤维布抗剪承载力，按照碳纤维布的粘贴方式不同，采用不同计算公式。当梁侧的碳纤维布是以等间距的 U 形条带+压条的粘贴方式进行，则公式为V f = f fA fS fho（8）f碳纤维布受剪承载力影响系数（文献5取为 0.7）

160、；f碳纤维布破坏时应力；Af梁侧碳纤维布条带的面积；Sf梁侧碳纤维布条带的面积；ho钢筋混凝土梁截面有效高度。当梁侧的碳纤维布是以梁的侧面全包+压条的粘贴方式进行，则公式为Vf=ff tf ho（9）tf梁侧碳纤维布的厚度。4.4 碳纤维布加固锈蚀混凝土结构亟待解决的问题目前,我国碳纤维布用于结构工程加固正处于试验阶段，碳纤维布用于锈蚀结构的加固在国外也是一个新领域，许多问题还需要进一步探索和研究。1）加固锈蚀结构工程的计算问题属于二次受力结构，受拉区加固碳纤维布与受拉区钢筋相比，存在应变滞后问题。2）锈蚀结构中，混凝土由于锈蚀产物渗入，混凝土强度和钢筋强度降低，混凝土强度降低值与锈蚀生成物之

161、间的关系。钢筋强度降低值与钢筋截面损失率之间的关系。3）由于钢筋锈蚀膨胀后产生顺钢筋开裂，文献10表明，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢筋之间的粘结力（握裹力）也随之下降（下降速度取决于钢筋锈蚀速度），滑移增大，构件变形。当“握裹力”丧失到一定限度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。因此，钢筋与混凝土之间因锈蚀产生的粘结滑移，并使构件承载力降低，这种情况如何在加固设计公式中体现出来，也是非常重要的一个方面。4）受剪承载力加固设计公式是建立在敷设的纵向碳纤维布发生受拉破坏模式而来；受剪破坏另一重要类型剥离破坏模式，未在设计公式中体现出，是通过碳纤维布粘贴施工过程中构造

162、与锚固措施来防止出现。这是否能满足工程安全度与可靠度的要求，还需要进一步研究。5）在锈蚀结构的加固计算中，针对锈蚀程度不同，在设计过程中混凝土和钢筋的强度降低系数c、y 的具体取值，有待于进一步试验分析。参考文献1 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护.北京：中国铁道出版社，P184-P2362 邱富荣等 海港码头钢筋混凝土沉箱群阴极保护的研究与应用。材料保护，2000（10）：P35-P373 惠云玲等 混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能实验研究，工业建筑，1997（6），P14-P184 叶列平等 碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析，建筑结构，2001（3），P3-P55 赵 彤等 碳纤维

163、布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力试验研究，建筑结构，2001（7），P11-P156 吴 刚等 碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究，建筑结构，2001（7），P3-P67 王军强 混凝土中钢筋均匀锈蚀实验研究与理论分析，硕士学位论文，2001，河海大学，P22-P238 Triantafillou TC.Shear strengthening of reinforced concrete beams using epoxy-bonded FRP composites.ACI StructuralJournal,March-April 19989 Malek A M,Saadatmanes

164、h H.Ultimate shear capacity of reinforced con-crete beams strengthened with web-bondedfiber-reinforced plastic plates.ACI Structural Journal,July-August 199810 Miyauchi K,Inoue S,Nishibayashi Setal.Shear behavior of reinforced concrete beam strengthened with CFRP sheet.Transactionsof the Japan Concr

165、ete Institute,1997,(19)48，碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析碳纤维作为一种高强的复合材料，由于它具有质量轻、减振性能好、可粘贴性和操作方便等优点，已经在钢筋混凝土桥梁加固中得到了广泛的应用。如 1999 年在宁（南京）合（合肥）公路江苏段高速化改造过程中和山东省内的 104 国道上 T 形桥梁的加固改造中1 2，都利用了碳纤维板对部分桥梁进行了加固处理，并且取得了良好的经济效益。同时，国内多家科研单位开展了碳纤维在钢筋混凝土桥梁加固方面的理论研究3，取得了许多成果，发现利用碳纤维可以有效地恢复与提高桥梁等钢筋混凝土结构的承载力。但是，许多铁路桥

166、等结构是钢结构，并且在许多情况下也会由于局部的损伤或提高承载力的需要对其进行加固，过去对于钢结构的加固主要采用焊接杆件或增大截面等方法，但是这些方法都存在增加结构自重、施工困难等缺点。文献4用数值方法分析了经过碳纤维加固后的钢结构，发现利用碳纤维可以有效地提高钢结构部分进入塑性区后的刚度和承载能力；但是在弹性状况下由于碳纤维的截面较小，而且弹性模量与钢材的弹性模量相近，于是在相同荷载作用下经加固后结构的应力与应变并没有得到有效减小。而钢结构一般按强度设计、刚度校核5，不考虑材料的塑性承载能力，因而在现有的设计规范下采用粘贴碳纤维的技术不能有效地增加结构的使用荷载。于是本文提出了一种碳纤维加固的

167、“反拱预应力技术”，可以在现有的钢结构设计规范下利用碳纤维有效提高钢结构的承载能力；同时，文中推导了考虑结构状态变化的正截面应力应变计算公式和承载力计算公式，可以方便工程应用。1 碳纤维加固的“反拱预应力技术”本文提出的“反拱预应力技术”的基本思路是：将传统的体外预应力施加技术与碳纤维加固技术结合起来，在具体实施时，首先利用已经成熟的体外预应力施加技术，在结构使用荷载的反向变形，并在该变形状态下粘贴碳纤维，当碳纤维与钢梁等结构粘贴可靠后撤收施加预应力的设备。该技术的基本施工流程见图 1。（a）（b）图 1（c）施加预应力和粘贴碳纤维过程示意（d）（a）准备施加预应力（b）施加预应力（c）粘贴碳

168、纤维（d）撤收预应力施加设备通过分析该技术的施工流程图，可以发现该技术利用了传统的体外预应力施加技术，首先使结构产生一个反向的变形，而后粘贴碳纤维片；在碳纤维粘贴可靠后撤收施加设备，于是结构要恢复原来的形状；在结构恢复原来形状的过程中，碳纤维被拉伸，而碳纤维被拉伸的力是由碳纤维与梁之间的剪应力提供的，于是在梁的下部将产生相向的剪力，这种剪力类似于偏心压力（图 2），正是这种偏心力使结构依然处于预应力的状况下。这样在结构没有受到外力作用时，在使用荷载作用下处于受拉状况的区域此时处于压应力状况，而在使用荷载作用下处于受拉状况的区域此时处于拉应力状况，一旦使用荷载作用到结构上，首先需要抵消这部分预应

169、力，从而提高了结构的承载能力。图 2自然状态下梁的受力状况图 3体外施加预应力方法之一需要说明两点：对于桥梁等结构，图 1b 的预应力施加方法并不适用，因为千斤顶往往在河跨中间没有施力点，而图 3 所示的体外预应力施加方法可广泛应用于桥梁结构6。要注意施加反向荷载不能使钢结构产生初始的塑性变形。因为钢结构是采用强度设计、刚度校核的准则，不允许结构产生塑性变形。2 结构正截面应变应力解析表达式利用碳纤维加固的“反拱预应力技术”进行钢结构加强时，结构经历了两种几何状态变化（没有粘贴碳纤维与粘贴碳纤维两种结构）与 3 种受力工况（作用反向弯矩、释放反向弯矩和施加使用荷载 3 个工况），因而是一个复杂

170、的非线性问题，但是为了便于工程应用，我们做了如下假定：平截面假设，即无论钢梁是在碳纤维加固前还是加固后正截面的变形都满足平截面假设；碳纤维与混凝土梁粘结可靠，不发生相491 1对滑移；不考虑碳纤维的高度对于截面抗弯能力的影响，即认为碳纤维片形心位置处于梁的下缘；计算碳纤维的应变时考虑结构变化的影响，即不能简单认为等于钢梁下缘的应变。在以上假定基础上，计算钢梁在利用“反拱预应力技术”加固时各阶段正截面的应变应力。2.1 施加反向弯矩阶段根据一般的材料力学原理可以知道：在初始反向弯矩 Mo 作用下的矩形截面上下缘应变o 是： o =6M oEbho2（1）式中 E混凝土或钢材的弹性模量；ho梁的高

171、度；b梁的宽度。2.2 撤收预应力施加设备阶段当反向初始弯矩撤消后，假设由于梁恢复原来形状引起粘贴碳纤维的拉应变为t、1 为反向初始弯矩撤消后梁在自然状况下上缘的应变，2 是反向初始弯矩撤消后梁在自然状况下下缘的应变。根据碳纤维与梁下缘协调变形的原理，则有：2=o-1（2）其中，t 是碳纤维在反向弯矩撤消后梁恢复原来形状引起的碳纤维拉应变。同时，根据平截面假设，有： 1 =xcho xc 2（3）其中，xc 是截面中性轴距上缘的距离。在反向弯矩撤消后，由于梁没有外力的作用，平截面上的力与力矩必须实现自平衡，即在梁拉应力区的合力与碳纤维拉力的和应该等于梁压应力区的合力；梁拉应力区的合力与梁压应力

172、区的合力形成的弯矩等于碳纤维拉力与梁压应力区的合力形成的弯矩，并且方向相反。具体可以表达为：Et t At + bE 1 xc = bE 2 (ho xc )2 2Et t At (ho xc ) = E 1bxc ho根据式（2）、式（3），求解上面两式，有：（4）（5）xc = t =ho3Ebho o4Et At + Ebho（6）（7）将式（7）代入式（2）、式（3），有： 2 = 1 =4Et At4 Et At + Ebho2 Et At4Et At + Ebho o o（8）（9）2.3 施加使用荷载阶段502 ot7在该阶段梁截面的应变可以分解成两部分：一是由于反拱作用施加在梁

173、与碳纤维中的预应力，它们由式（2）、式（3）与式（7）可以求得；二是使用荷载作用在梁上引起的应变，由于碳纤维与钢材的弹性模量相近，这里不仿假设两者相等，于是由使用荷载 Mu 在矩形截面上下缘引起的应变为： 3 =6M uEb(ho + ht ) 2（10）其中，ht 是碳纤维片的厚度。则截面上下缘的总应变s、x 分别为： s = 3 1 =6M uEb(ho + ht )2 Et At4 Et At + Ebho o（11） x = 3 2 =6M u 4 Et AEb(ho + ht ) 2 4 Et At + Ebho（12）我们知道在传统碳纤维加固技术下，由于钢结构采用强度设计准则，结构

174、正截面的最大应力与最大应变应该满足： 3 或3根据式（10）应该有：（13）M U Eb(ho + ht ) 26 （14）而在利用反拱预应力技术时，应该有下式成立：M u Eb(ho + ht ) 26( +2Et At4Et At + Ebho o )（15）显而易见，式（15）的右端项大于式（14）的右端项。可见利用反拱预应力技术是可以有效提高钢结构的承截能力的。3 算例为了说明本文解析解的正确性，我们用考虑大变形效应与结构变化的非线性有限元对一个利用“反拱预应力技术”加固的矩形截面钢梁进行了分析，并且将分析结果与解析解进行了对比分析。本文针对长 5m、高 0.5m、宽 0.15m 和下

175、部粘贴 5 厚碳纤维片的钢梁建立了非线性有限元的计算模型：在这个模型中梁被简化成平面应力问题，单元选用四节点平面单元；反向弯矩由作用在梁下缘距梁端为 1.5m 处的两个点上集中力提供，从而在跨中形成了一个纯弯曲问题；而使用荷载作用在相同位置梁的上缘；为了反映“反拱预应力技术”施工流程中结构的变化，本文在 ANASYS 程序的求解控制中打开了大变形选项，并且利用了单元“生死技术” ，即首先连同碳纤维一起划分结构的网格，但在求解施加反向弯矩时结构的应力与应变时，将碳纤维部分的网格杀死，当分别求解撤收预应力施加装置与施加使用荷载时结构的应力与应变时，则激活这些单元；材料的本构关系则采用以下两种符合材

176、料特点的本构关系：对于钢材采用理想弹塑性本构关系，即当材料达到屈服点时，应变增加的同时，应力却保持不变，对于碳纤维片则采用了典型的脆弹性本构关系，即在纤维应力达到断裂强度之前，认为材料的应力应变关系是线性关系，一旦拉断后纤维不再承受任何应力。表 1 则给出了两种材料的主要力学参数，图 4 给出了不同初始弯矩下碳纤维的拉应变，图 5 给出了使用荷载下正截面上的应变分布。51图4图51234567表1主要材料的力学参数材料种类碳纤维（FTS-C6-30）钢弹性模量/GPa500210屈服强度/MPa-240抗拉强度/MPa2500-通过对图 4、图 5 分析可以发现：本文在几个基本假定基础上推导的

177、解析与有限元解较为吻合，可以作为工程应用的技术公式。第二阶段碳纤维的拉应变解释解与有限元解对比第三阶段碳纤维的拉应变解释解与有限元解对比4 结语本文针对在强度设计准则下碳纤维加固钢结构效果不是很明显的问题，提出了一种“反拱预应力技术”。通过理论推导发现：该技术在强度设计准则下可以有效提高钢结构的承载能力。同时本文推导出利用该技术加固矩形截面钢梁时正截面上的应变预应力分布计算公式，该推导思路便于推广到不同截面的钢梁，公式简单方便，可以作为工程设计的公式。参考文献董放红，金志强.碳素纤维板在老桥改造中的应用.华东公路，2001（5）：14-17柯敏勇，柏文正，孔善能，等.应用碳纤维加固韩庄闸 T

178、梁.水利水运工程学报，2001（3）：54-59岳清瑞.我国碳纤维加固修复技术研究应用现状与展望.工业建筑，2001（10）：23-26赵启林，胡业平，金广谦，等。利用碳纤维恢复或提高军用桥梁承载力的数值分析.解放军理工大学学报叶见曙.结构设计原理.北京：人民交通出版社.1996：37-42孙宝俊.现代 PRC 结构设计.南京：南京出版社，1995陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析 ANASYS 使用指南.北京：中国铁道出版社，2001521f co s s CFRP 加固某大厦框架柱抗震性能的设计与施工1 工程概况某大厦框架柱原设计混凝土强度等级八层以下（包括八层）为 C50，八层以上为 C4

179、0，但经现场取样检测，八层柱和九层柱混凝土未达到设计强度，立方体抗压强度实测值分别为 30.44MpaT 和 29.1MPa。经验算，这两层中大部分柱（图 1）的轴压比不符合设计规范要求，柱的抗震性能得不到保证，必须进行加固，加固后柱的轴压比应小于 0.9。图 1 大厦主楼加固范围内柱网为降低加固费用，设计院在征得甲方同意后选用了新型轻质的墙体材料和楼面装修材料，以最大限度地减少荷载，重新计算后，提出只需将八层柱混凝土强度等级加固到 C45 即可，九层柱仍加固到 C40。经多方案比较后决定采用施工方便、不改变结构构件建筑尺寸的体外粘贴包裹 CFRP 布补强新技术2对混凝土柱进行加固。2 加固机

180、理混凝土在侧向约束的作用下，轴向抗压强度和延性均可得到提高。CFRP 布由于在树脂凝固前十分柔软，可紧密包裹于混凝土柱的周边，并由于其具有较高的强度和优越的变形能力，可在固化后对柱形成有效的约束机制，使混凝土的抗压强度得到提高从而降低柱的轴压比，使原轴压比超限的柱满足规范所规定的要求。CFRP 约束混凝土矩形截面柱由于在国内尚处于研究阶段，碳纤维加固规范中还没有相应的设计条文。本工程在参照了国内外研究成果的基础上，采用了 Mander 公式进行设计。设计中，考虑到所加固的柱大部分为边柱，是偏压构件，且柱截面尺寸较大，对 CFRP 布极限抗拉强度引入折减系数 0.6。根据 Mander 公式，经

181、 CFRP 布条带环向约束后柱混凝土抗压强度 co 为f cc = f co 1.254 + 2.254 1 +7.94 f f cof 2 （1）其中，对于矩形截面柱 f =2 f us Asths(1 )(1 )2h 2b1 cc式中： f co 、 f cc CFRP 约束前后混凝土圆柱体抗压强度；f 侧向约束强度；us、AstCFRP 抗拉强度和每道 CFRP 条带受拉截面积；53表 1s、sCFRP 条带的中心间距和净间距；b、h被加固混凝土柱的截面宽度和高度；cc纵向钢筋配筋率。3 加固设计本工程采用日产 FTS-C1-20 型碳纤维布进行加固，抗拉强度为 3550MPa，弹性模量

182、 2.35105MPa，厚度 0.11 。由于净间距对加固效果的影响较大，为了尽量减小净间距，从而减少混凝土柱的薄弱段，将大部分柱的第 1 层 CFRP 全截面包裹，不留间隙。设计时尽可能将第 1 层用 CFRP 全截面包裹，以后各层为间隔条带加固，然后运用叠加原理，分层按公式（1）进行计算，将各部分加固后强度提高系数进行叠加，从而得出总的提高系数。加固柱位置详见图 2 和图 3，加固方案详见表 1 和表 2。九层柱粘贴 CFRP 加固方案和混凝土强度提高比例柱位置编号边长（）混凝土立方体强度（MPa）混凝土圆柱体强度（MPa）层数层号布宽 净距（） （）单项 合计提高 提高（%） （%）加固

183、后混凝土立方体强度（MPa）加固前轴压比加固后轴压比图中柱编号9-4D33.2026.2333.200.88Z19-4E9-4F9-4G9-5D9-5G9-6D9-6G9-7D9-7E9-7F9-7G80080080080080080080080080080080029.0629.0629.0629.0622.7029.0629.0632.7029.0629.0629.0622.9622.9622.9622.9617.9322.9622.9625.8322.9622.9622.9611124221222111No.1No.21,2,3,41,21,211,21,2No.1No.22442446

184、1061024461061061024461061061024437937900680001300002234.04.016.916.912.371.132.032.08.532.032.016.96.84.04.016.929.371.132.032.08.532.032.023.730.2430.2433.9837.5638.8338.3738.3735.4938.3738.3735.950.910.911.031.131.461.171.140.951.161.171.070.870.870.880.870.850.890.870.880.880.890.87Z2Z2Z3Z4Z5Z6Z6

185、Z7Z6Z6Z8注：柱位置编号“9-7G”表示第九层上轴线 7 和 G 相交点处的柱，表中其他柱子表示方法均与此同。54表 2八层柱粘贴 CFRP 加固方案和混凝土强度提高比例柱位置编号边长（）混凝土 混凝土立方体 圆柱体强度 强度（MPa） （MPa）层数层号布宽 净距（） （）单项 合计提高 提高（%） （%）加固后混凝土立方体强度（MPa）加固前轴压比加固后轴压比图中柱编号8-4D80030.4424.052No.1610016.220.136.551.050.87Z9No.22443793.98-4E80026.9021.252No.1610018.222.132.831.070.88

186、Z9No.22443793.98-4F8-4G80080030.4430.4424.0524.05121No.124461022306.516.26.522.732.4237.350.951.060.890.87Z10Z8No.22442236.58-5D80030.4424.053No.1,2610030.737.241.771.180.86Z11No.32442236.58-5G80030.4424.053No.1,2610030.737.241.771.180.86Z11No.32442236.58-6D8-6G80080037.7030.4429.7824.05131No.1,2244

187、6106809.630.79.637.241.3241.770.981.200.890.87Z12Z11No.32442236.58-7D80030.4424.052No.1610016.228.038.961.120.88Z4No.22446811.88-7E80034.9027.572No.1610014.218.141.211.040.88Z9No.22443793.98-7F80030.4424.053No.1,2610030.739.942.581.210.87Z13No.32441309.28-7G80030.4424.052No.1610016.228.038.961.120.8

188、8Z4No.22446811.8注：柱位置编号“8-4D”表示第八层上轴线 4 和 D 相交点处的柱，表中其他柱子表示方法均与此同。从国内大量柱抗震性能试验的试验现象中观察可知，在地震作用下柱端最容易发生破坏，因而除按计算进行条带层数、宽度和间距设计外，还需加强构造措施，在所有需加固的柱中柱端 0.5m 范围内均无间隙包裹 CFRP，以增强约束效果。柱的角部一定要倒角处理，否则 CFRP 会因应力集中而提前破坏3，高强度的优点得不到发挥。倒角时要严格把关，保证角部圆弧半径不小于 50 。4 加固施工4.1 加固材料本工程采用日产 FTS-C1-20 型高性能碳纤维布，碳纤维搭接部分采用配套粘结

189、树脂共三种，包括：FP-NS 底涂树脂，主要作用是增强混凝土粘结面的强度，同时提高碳纤维布与混凝土之间的粘结强度；FE-Z 整平树脂，作用是找平并修补混凝土表面的缺陷；FR-E3P 浸润树脂，作用是粘贴碳纤维布，并做表面涂覆。为降低工程造价，非搭接部位采用国产专用 CFRP 树脂，其组分及性能与进口胶相近，也有三种，包括：底涂树脂 CFP；整平树脂 CFE；浸润树脂 CFR。4.2 粘贴 CFRP 施工流程准备工作搭设临时支架，并做好防护工作，必要时搭设防护栏和操作平台。55123基面打磨清洗去除混凝土表面的粉刷层，把混凝土表面打平，将转角打磨成规定的圆弧状，要保证转角处曲率半径不小于 50

190、。用丙酮擦洗混凝土表面，去除表面浮灰。基面修补补平混凝土基面上的蜂窝、空隙、凹陷与缺失处，面积较小处可直接用整平树脂填补，面积较大处可用树脂砂浆填补。涂敷底涂树脂确认混凝土表面满足要求后，涂敷底涂树脂。涂敷找平树脂底涂树脂面干后，涂敷找平树脂。铺贴碳纤维布首先按照施工图裁剪碳纤维布，然后在混凝土柱表面放样，搅拌并涂刷粘结树脂，将碳纤维布铺贴于适当位置，并继续涂刷粘结树脂，使布充分浸润。待树脂面干后，在其表面再涂敷一层粘结树脂。整饰工作在加固后的柱表面涂抹防护砂浆，加固完成后将搭设的临时设施去除。5 结语对不满足抗震延性要求的混凝土柱可在其周边粘贴包裹 CFRP 条带进行加固，该方法施工方便，工

191、期短且不影响建筑使用功能。目前该大厦经加固后已全面交付使用，CFRP 加固新技术的运用获得了良好的社会效益，得到了业主和当地建设主管部门的好评与肯定。参考文献H.Saadatmanesh，M.R.Ehsani，M.W.Li.“Strength and Ductility of Confumns Externally Reinforced with Fiber CompositeStraps”，ACI Structural Journal，Vol.91，No.4，July-August，1994吴刚，郭正兴，张继文.碳纤维复合材料加固混凝土结构技术及施工要点.建筑技术，Vol.31，No.6，2

192、000.6潘景龙，王雨光，来文汇.混凝土柱截面形状对纤维包裹加固效果的影响.工业建筑，Vol.31，No.6，2000.656图 1表 1碳纤维材料在桥梁加固工程中的应用1 前言若简单地回顾一下人类开发利用材料的历史就可以发现，首先是利用最贴近人们的土木材料，随着人类文明的进步，逐渐发展到利用木、石材料、混凝土材料或钢材。可以想象，建筑材料由传统的材料发展到现代的钢筋混凝土材料，其中蕴含了历史的演变和科学技术的革命。正是由于土木建筑工程的需要和科学技术的发展，促使建筑材料不断更新。新材料、新技术的出现，为土木建筑工程的发展提供了更加广阔的空间。现代复合材料（CFRP）以其出色的机械性能、优良的

193、耐腐蚀性能和良好的公益性能扩展了建筑材料的范围。图 1 表示人类使用材料的变迁情况。可以说，复合材料是人类与大自然斗争产生的智慧的成果。将复合材料按其所含纤维的种类，可分为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、维呢纶纤维、硼纤维等。目前已开发成熟并在土木工程中利用的主要是前三种。通常可按图 2 对复合材料进行分类。人类使用材料的变迁图 2 连续纤维增强复合材料的分类及简称表 1 所示为纤维增强复合材料及连续纤维增强材料的发展历程。纤维增强复合材料及连续增强材料的发展历程年代19 世纪后半1900 前后19071920复合材料钢筋混凝土轮胎FRPFRP纤维增强复合材料增强剂钢筋麻布、棉丝、人造纤维木粉、红

194、、棉布木棉母材混凝土硫化橡胶碳酸树脂尿素树脂连续纤维增强材料种类1940玻璃纤维开发1942GFRP玻璃纤维不饱和聚酯树脂GFRP195019591960维呢纶纤维开发碳纤维开发碳纤维开发1966197019711971BFRPCFRP芳纶纤维开发AFRP硼纤维碳纤维芳纶纤维环氧树脂环氧树脂环氧树脂197119751983198619861986198719891992矾土纤维开发碳化系列纤维开发CFRPCFRPAFRP各种均有AFRPAFRPCFRP19931997VFRP维呢纶纤维环氧树脂各种均有57# #在上述几种纤维增强复合材料中，碳纤维材料的技术发展迅速。品种多、用途广、用量大。并且

195、在桥梁工程界得到了普通关注，特别是在桥梁加固工程中得到广泛应用。这是因为它具有众所周知、无可比拟的优点：高强度、高弹性、耐腐蚀、耐疲劳和易加工性。采用（粘贴）CFRP 进行加固是一种新型的加固方法。国外始于 10 年前，在国际上深受重视并已获得了较多的应用和发展。其优越性已在对美国洛杉机和日本阪神地震中被损坏建筑的修复中得到验证。国内则是最近几年的事。虽然起步晚，但发展的势头很快，首先主要应用于房屋建筑工程，现在已发展到公路、铁路桥梁领域。2 混凝土试验梁加固试验为了检验粘贴碳纤维布的加固效果，我院曾专门制作了一批混凝土试验梁进行加固效果试验。试验梁按极限状态法设计，为钢筋混凝土矩形小梁。梁全

196、长 2.4m，跨度为 2.0m，梁高为 0.35m，梁宽为 0.2m。这批试验小梁中，一部分粘贴了碳纤维布，另一部分则未粘贴，以进行对比。对试验梁按相同的荷载加载，进行了抗弯能力试验，观测了梁体在试验荷载作用下的挠度、应力以及承载能力。试验结果表明：粘贴碳纤维布以后，其抗弯刚度提高了近一倍；当裂缝宽度为 0.2 时，其承载能力提高了 20%左右。说明碳纤维布参与原混凝土梁共同工作，加固效果良好，此种加固材料是一种值得信赖的新型材料。3 工程应用近年，旧桥及病害桥梁加固工程日益受到桥梁工程界的重视。加固方法及手段也在不断改进与更新。国外用于桥梁维修加固的费用也在逐年增加。如英国仅在 1997 年

197、就有 30 多座桥梁和大量的结构物采用碳纤维增强材料加固和维修，预计今后 10 年的修复费用大约为 6200 万英镑。日本在阪神大地震后，用于桥梁和结构物的加固修复工程的费用也相当可观。我国公路、铁路桥梁的加固工程也有不少。最近几年一直呈逐渐增加的趋势。我院一直在从事这方面的研究工作和进行具体工程的加固作业。下面简要介绍最近所进行的两个典型项目。3.1 厦门某立交桥的加固3.1.1 桥梁概况该桥为双喇叭式全互通立交桥。桥式类型有钢筋混凝土异形梁、钢筋混凝土简支箱梁、预应力空心板梁、预应力箱形连续梁等。下部结构有圆柱形桥墩、T 形墩等。设计荷载为汽超 20，挂120，人群荷载为 3.5KN/。3

198、.1.2 病害情况经检查，上部结构除预应力混凝土梁外，大部分钢筋混凝土箱梁均出现了裂缝。钢筋混凝土异形梁的裂缝为横向裂缝，在从支座到跨中的范围内基本均匀分布，大部分裂缝从底板延伸到腹板，缝宽为 0.1 0.32 （见图 3）。图 3钢筋混凝土箱梁裂缝图图 4独立墩上端裂缝分布展开图钢筋混凝土简支箱梁的裂缝，从 1 墩到 6 墩，每孔梁的梁底均有横向裂缝，大多数裂缝已从梁底延伸至腹板，少数裂缝延伸至上翼缘的底面，缝宽为 0.2 0.25 。部分桥墩的上端出现了竖向裂缝，缝长 0.15m0.70m，缝宽为 0.05 0.3 （见图 4）。58图 63.1.3 病害原因分析针对梁体、桥墩上的裂缝，经

199、分析认为，产生裂缝的原因是多方面的，因素也是很复杂的，但其主要原因是：温度效应、施工过程中混凝土收缩徐变效应、交通量增大导致堵车后引起的梁体超载及超载汽车过桥等。3.1.4 裂缝处治方法由于该桥位于东南沿海城市，有大量裂缝的桥梁长年累月受到潮湿空气的侵蚀，对桥梁结构的承载能力、耐久性均有不利影响。所以必须对裂缝进行全面彻底的修补，对结构进行加固。为了便于修补加固，对裂缝进行了分类，一类是受力裂缝，这类裂缝较严重；另一类是非受力裂缝，裂缝宽度大于 0.20 ；第三类是裂缝宽度小于 0.20 的非受力裂缝。对于第一类裂缝，通过进行结构验算，采取了粘贴 12 层碳纤维布的方法，以提高结构的承载能力及

200、结构耐久性；对第二类裂缝，采取压力灌浆补强的方法；对第三类裂缝，采取表面封闭处理的方法。异形梁的裂缝处理：异形梁的裂缝主要分布在箱梁侧面（腹板）及梁底，采取粘贴日本进口碳纤维布的方法进行加固，在梁外侧底面及侧面（腹板）上粘贴两层碳纤维布，其余部分粘贴一层碳纤维布，具体粘贴位置见图 5。图 5异形梁碳纤维布粘贴布置钢筋混凝土简支梁的裂缝处理：简支箱当梁的裂缝宽度相对较小，对于裂缝宽度大于 0.20 的裂缝，采取先进行压力灌浆，再粘贴一层国产碳纤维布的方法进行加固，具体粘贴位置及方法与图 5 相似。对于 2#7#桥墩的顶部位附近的裂缝，虽然裂缝宽度很小，但从长远观点上考虑，也采用粘贴碳纤维布的方法

201、，加固范围为墩顶至以下 1.5m，具体粘贴布置见图 6。独立墩上部裂缝部位碳纤维布粘贴布置3.1.5 加固效果检验全桥加固完成后，对该桥进行了静动载试验，验证了加固效果。试验结果表明：在试验荷载作用下，梁体的控制断面的应变、变位校验系数均满足相关规范的要求，残余变形很小，其动力特性值与同类桥梁结构物比在常值范围，桥跨结构满足设计荷载的荷载等级要求。加固工程完成后，至今已运行近两年，运行情况正常。5913.2 天津某公路桥加固工程该公路桥的主桥系一座五跨连续的预应力混凝土连续箱梁，主跨 64m，其余为跨度 32m 的预应力混凝土简支 T 梁。主跨的箱梁采用三向预应力体系。纵向预应力采用 75 的

202、钢绞线，腹板竖向预应力采用25 冷拉级粗钢筋，顶板和横隔板的横向预应力为 245 高强平行钢丝束。3.2.1 主梁裂缝情况该桥在运行若干年后，在对桥梁现状进行检查时发现，主梁腹板、顶板、横隔板、底板均有不少裂缝。腹板的内外侧均有裂缝，裂缝大多呈斜向和水平向，长度从几米到几十米，宽度在 0.3 以下。顶板的裂缝发生在其底面，有纵向裂缝，也有横向裂缝。但数量较少，裂缝宽度为 0.2 以下。箱梁底板裂缝均发生在其外侧，主要为纵向裂缝，裂缝宽度为 0.1 0.2 以下。3.2.2 裂缝处治方法腹板裂缝处治：考虑到腹板上的裂缝较多，且宽度较大。采用了加厚腹板和粘贴碳纤维布相对合的方法。即腹板内侧，采用在

203、箱梁腹板内侧加浇一层 20 厚腹板，并施加竖向预应力，以改善箱梁腹板受力状态；对于腹板外侧，先对裂缝进行压力灌浆，然后在表面粘贴碳纤维布。顶板、底板裂缝处治：顶板、底板上的裂缝，根据每跨梁内裂缝实际情况，先进行封闭或压浆，对有裂缝的区段（主要集中在跨中 10m30m 范围内）全部粘贴碳纤维布进行补强。3.2.3 加固处治效果为检验加固效果及经过加固处治后能否满足设计要求和运营条件，对该桥进行了静动载试验，试验结果表明：经过加固处治后，梁体受力状态良好，可以恢复按原设计荷载汽超 20 通车，且通车后至今梁体受力完全正常。4 几点体会几年的加固实践，使我们认识到碳纤维材料用于桥梁维修加固具有许多无

204、可比拟的优越性，是一种使用方便、值得信赖的可靠的加固材料。碳纤维材料，从其力学性能上看，应力-应变关系曲线中无明显的屈服点或无塑性变形，是一种脆性材料。设计时应充分注意这一特性。采用碳纤维材料加固的混凝土结构按极限状态设计时，其破坏状态有两种可能，一种是碳纤维材料产生极限变形，另一种是受压区混凝土达到极限变形。因此，在计算设计断面的极限承载能力（极限弯矩）时，若混凝土发生弯曲受拉破坏，设计方法与常规的钢筋混凝土或预应力混凝土结构相同，若碳纤维材料发生弯曲常受压破坏。假定结构仍保持平截面假定，求得碳纤维材料发生极限变形时的应变分布，据此推算极限承载力。此时，若碳纤维材料按多层配置时，可以从最外层

205、的碳纤维开始，按逐层达到极限直到破坏考虑。为使碳纤维布与混凝土表面良好粘贴，真正做到共同参与受力，达到有效的提高结构承载力的目的，在粘贴碳纤维布时必须注意保证粘贴质量。为此要求：在此期间停止桥面上的任何交通，直至施工完成 36 小时后再恢复交通；当底漆固化后用腻子找平混凝土结构表面时，修平工作的好坏直接影响加固的整体效果，如果被粘贴混凝土结构表面凹凸不平，将会造成碳纤维布受力不均，严重时可能造成应力集中，因此，应予以高度重视，认真做好找平这道工序；粘贴碳纤维布时，搭接长度和位置非常重要，受力方向的搭接长度应大于 10 ，非受力方向，理论上可以不搭接，但实际施工时为了控制的需要，一般要求有 2

206、5 的搭接长度，同时不宜在同一断面设置搭接接头。为进一步在铁路桥上推广使用碳纤维布加固技术，有必要结合铁路桥梁的荷载特点进行研究，以利于合理地采用碳纤维材料。目前我院正在进行这方面的研究工作，模拟铁路的受力、分别按一期、二期恒载、活荷载的不同阶段进行模拟，碳纤维布的粘贴时间也随之变化，据此来研究碳纤维加固在铁路静荷载、动荷载以及疲劳荷载作用下的应用技术。参考文献岩崎达彦.连续纤维加强材料.日本预应力砼，2000，42 (2)60图 1碳纤维布用于钢筋混凝土工字梁桥抗弯加固的试验研究与分析1 工程概况双凤桥位于白（沙关）景（德镇）公路 102 公里桩处，该桥原为一半永久性桥梁（修建年代不详）：上

207、部结构为木板桥面；下部结构为浆砌块石扩大基础配实体墩台（据调查基础放置在岩层上）。1970 年将该桥改造成全长 34.10m 的永久性桥梁：将桥墩加设局部斜撑（挑臂）拓宽；上部结构改为 4 孔普通钢筋混凝土工字梁与微弯板组合结构。设计荷载为汽车13 级，验算荷载为拖车60，桥面设计净空为净7.25m+20.25m 安全带（见图 1）。双凤桥加固总体布置图（尺寸单位：标高为 m，余为 cm）1992 年至 1995 年公路部门对白景公路进行改建，路线、路基、路面采用二级公路标准（路基宽 12m，路面宽 9m），桥涵按照汽车20 级、挂车100 的设计（验算）荷载进行改造或重建，仅该桥未经任何加固

208、处理而直接利用。随着沿线国民经济的不断发展，白景公路的交通量和重型车辆随之急剧增加，特别是经常有未通知公路管养部门而自婺源方向运煤、碎石的超重车辆通过该桥，致使桥梁产生病害并逐步加剧。2001 年 3 月19 日该桥第二跨第二、三片工字梁（由上游向下游）间的微弯板不堪重负突然断裂，掉入河中，后经公路部门在断裂处现浇了一块普通钢筋混凝土空心板，并在全桥桥面上铺筑了一层 1.5 厚的沥青表处，恢复通车。由于双凤桥原设计（验算）荷载为汽车13 级，拖车60，而两岸公路现已改为二级公路，桥涵设计（验算）荷载为汽车20 级，挂车100，且超重车辆经常通过该桥，致使上部结构的主要构件（工字梁和微弯板）的承

209、载力不足充分显露出来，桥梁内部的病害亦在不断加重，已不能满足现有交通的要求，该桥亟待加固提载。2 桥梁加固方案的确定2.1 加固方案设计针对现场检查中发现的各种病害及该地区交通量的发展情况，经研究分析，提出该桥主要加固提载措施（见图 2、图 3）。在桥跨两端支点部位各增设一横隔板，以增加全桥受力的整体性能和拓宽桥面；重新浇筑钢筋混凝土连续桥面，增大桥梁的整体受力性能和减小活载产生的跨中弯矩；对工字梁底粘贴二层碳纤维布，增大主梁抗弯强度；重新预制安装钢筋混凝土人行道构件，增大桥面净空。2.2 主梁(工字梁)提载计算要点61图 2xrs1由于双凤桥未查询到原设计图纸及竣工图纸等资料，对工字梁内部配

210、筋不清楚，因而加固设计中从安全角度出发，仅考虑从汽车13 级（拖车60）提载到汽车20 级（挂车100）跨中截面增加的弯矩值来验算补强钢筋量。工字梁加固补强构造图（尺寸单位：cm）图 3 主梁拓宽一般构造图（尺寸单位：cm）经计算由汽车13 级（拖车60）提载到汽车20 级（挂车100）工字梁跨中截面最不利布载时增加弯矩值M=485.08KNm，跨中截面惯矩 I=0.1201m4，中性轴到下缘距离 h1=0.60m，截面高 h=0.60m，截面高 h=0.83m，根据正截面强度公式： M Rg Ag (h )2计算补强钢筋截面面积：Ag=3533.54 2上式中：M提载前后的弯矩增加量；rs钢

211、筋安全系数；Rg钢筋抗拉设计强度；Ag补强钢筋面积；h截面高度；x混凝土受压区高度。经校核，工字梁斜截面强度满足使用要求。综合有关情况，本次对工字梁提载加固决定采用碳纤维布（规格见表 1），因而计算碳纤维布截面面积：Ac=Ag（Rg/Rc）=242.3 2上式中：Ac碳纤维布截面面积；Rc碳纤维布抗拉设计强度。表 1碳纤维布（CFRP）性能指标单位面积质量（g/）300设计厚度（）0.167抗拉设计强度（MPa）3500弹性模量（MPa）2.35105为了方便碳纤维布的裁剪操作及考虑储备，考虑每层碳纤维布宽为 250 ，粘贴两层，五片工字实际粘贴碳纤维布截面面积为 Ac =2500.16725

212、=417.5 23 碳纤维布加固工字梁的施工顺序及工艺本次粘贴碳纤维布加固工字梁桥的施工工艺及步骤如下：搭设施工用支架，用砂轮机对梁底劣化层进行清除和打磨，并修补裂缝；涂刷底胶，待底胶硬化后对不平处磨平；按比例配粘结胶（600A、B62图 4图 5图 6图 7组分）拌匀，在梁底均匀涂刷粘结胶（厚度 1 2 ）；将剪裁好的碳纤维布逐渐粘贴在梁底，用滚筒挤压并抹平碳纤维布，使粘结胶从碳纤维布缝中渗出，并用刮子刮平，使得碳纤维布内的气孔消除；按上述步骤粘贴第二层碳纤维布；在碳纤维布表面均匀涂刷一道粘结胶；待粘结胶完全干燥后，在其表面涂刷一道白色油漆，使其外表美观。4 桥梁静载试验4.1 静载试验概述

213、为了对碳纤维布在旧桥加固中的使用性能进行量化分析，分别对双凤桥加固前、后进行了等效静载试验，且两次静载试验采用的加载车辆、荷载等级及加载位置均相同。由于该桥未查询到原设计图纸及竣工图，对各片主梁的配筋无法考证，根据大跨径混凝土桥梁的试验方法和公路旧桥承载能力鉴定方法中的有关规定确定，加固前后两次荷载试验的性质为轻型荷载试验。本次试验最大加荷效率为 0.65。根据工字梁桥的受力特点，加固前后两次静载试验分别测试了工字梁跨中应力（应变）、跨中挠度。并按两种工况进行试验：第一工况为两辆加载车偏载（最外侧车轮中心离人行道边缘 50 ）；第二工况为两辆加载车对称中心布载。4.2 静载试验数据整理加固前后

214、两次静载试验数据整理见表 23 和图 47。表 2 第一加载工况试数据表项目梁底钢筋应力跨中挠度梁号加固前（MPa） 加固后（MPa） 减小幅度（%）加固前（）加固后（）减小幅度（%）1234550.946.957.645.85.147.343.953.142.44.77.076.407.817.427.842.081.982.401.860.211.931.852.201.710.197.216.578.338.069.52表 3第二工况试验数据表项目梁底钢筋应力跨中挠度梁号加固前（MPa） 加固后（MPa） 减小幅度（%）加固前（）加固后（）减小幅度（%）1234526.145.861.2

215、45.427.124.342.856.342.124.96.906.528.017.278.121.031.832.331.821.080.961.712.151.680.996.806.567.737.698.33跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第一工况）跨中梁底钢筋应力变化曲线图（第二工况）跨中挠度变化曲线图（第一工况）跨中挠度变化曲线图（第二工况）631234.3 静载试验数据分析从表 2表 3 及图 4图 7 可看出：在工字梁梁底粘贴碳纤维布后，在相同的受力状况下跨中梁底钢筋应力明显减小，减幅最大达13.72%，相应跨中部位挠度（变形）亦减小，最大减小幅度达 39.29%。说明粘贴碳纤维布

216、后，工字梁抗弯强度增大。并通过分析说明：双凤桥加固后符合汽车20；挂车100 的荷载使用要求。粘贴碳纤维布后，在试验荷载作用下，原跨中梁底裂缝得到抑制，未发现原有裂缝进一步扩大。所测应力（应变）、挠度数据基本与理论值相符，并呈弹性变化，塑性变形率最大为 0.08%。5 结语通过对双凤桥整个加固过程的跟踪观察和加固前、后静载试娄据的对比分析，说明采用碳纤维布加固双凤桥是成功可行的，经总结，碳纤维布用于旧桥加固具有以下优点：5.1 不增加恒载及断面尺寸碳纤维布的自重仅为 200g/300 g/，设计厚度为 0.111 0.167 ，加上环氧树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空影

217、响微乎甚微，可忽略不计。这一优点是传统补强方式所难以比拟的。5.2 可适应不同构件形状，成型很方便由于桥梁结构常因构造和受力要求，其外形多呈不规则状。采用传统的方法加固，施工难度极大，采用碳纤维布补强法，因碳纤维布的随型性极强的特点，可以随结构外形变化任意施工，从而降低施工难度，减少施工成本，缩短施工工期，产生巨大的社会及经济效益。5.3 施工简便因施工时所需工作面小，在作业空间受限制时，该优点是其他加固方法无法比拟的。5.4 采用碳纤维布加固补强，对原结构不产生新的损伤碳纤维布加固补强系采用环氧树脂系列的粘结材料进行粘贴，不需要设置锚固螺栓及开凿混凝土等，因而不会对已经损伤的结构产生新的破坏

218、，更可避免钻孔时与结构内原有钢筋和预应力索发生冲突而引起新的问题。5.5 不影响结构的外观碳纤维布的厚度很薄，粘贴固化后其表面还可以涂刷一层与原有结构外观颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。参考文献安琳，吕志涛.CFRP 板加固混凝土梁桥的工程实践.中国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集，2000年.P370-372交通部公路科学研究所等.大跨径混凝土桥梁的试验方法，1982 年.P7-17江西省公路管理局科研设计所.白景公路双凤桥大修加固设计文件，2001 年64，纤维薄板加固混凝土刚架拱桥的工程实践由于设计等级偏低、结构老化、环境恶劣、施工不当和超载等人为因素，混凝土桥梁

219、的损坏日益严重，全国已出现了为数不少的危桥。其中，仅广东省急需加固维修的大中型旧危桥就有二千多座。为了经济、高效地对这些旧危桥进行加固和维修，高强纤维布或纤维薄板粘贴加固技术由于其具有强度高、耐腐蚀、重量轻、施工方便、工期短等优点而在国内外备受关注1 6。近年来，国外尤其是日本和欧美的专家、学者对纤维薄板或纤维布粘贴加固混凝土桥梁结构的机理做了大量的研究，并在工程中予以大力推广应用。在国内，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、天津大学、东南大学、同济大学和华南理工大学等单位在碳纤维布或碳纤维薄板加固混凝土构件方面也做了不少工作，有的已应用于工程实践中7。另一方面，混凝土旧危桥中受

220、拉构件容易产生裂缝，采用纤维薄板或纤维布对有裂缝混凝土构件进行加固后，构件的破坏模式及其强度与无裂缝加固构件有别。为此，本课题组在国家自然科学基金项目（19972020）、广东省自然科学基金项目（990567）和广东省科委重点攻关项目（99M02104G）等的支持下，对此类构件的承载能力、破坏机理等进行了一系列的研究，得到了一些阶段性的成果8 12。为了能将上述研究成果迅速地应用于工程实践，广东省交通厅于去年对广东省公路旧危桥承载能力的检测、评定方法及加固技术研究进行立项，并委托广东省公路管理局和华南理工大学交通学院承担此课题。321 国道上某一混凝土刚架拱桥由于损坏严重急需加固维修，故被列为

221、本课题组的试验桥。今年一月份，为了保证春运，本课题组采用自行编制的碳纤维、芳纶纤维和高强玻璃纤维薄板，对该刚架拱桥（半幅）进行了加固，加固后经动静载试验确认加固效果后即开通运行，至今情况良好。本文介绍该桥的加固技术和方法。1 工程概况321 国道上某一刚架拱桥分为新旧两幅，旧桥建成于 1987 年，新桥建成于 1996 年，设计荷载为汽20、挂100；新旧桥均为双车道钢筋混凝土刚架拱结构，桥面宽各为 9.5m，跨径为 70m。该桥建成通车以来运营情况良好。然而，由于近年来交通量的不断增长，尤其是超载车辆的大量涌现，致使该桥出现了较严重的病害。经管辖市公路局于 2001 年 7 月检查，发现该桥

222、的新桥上弦杆和节点等部位出现较多裂缝，而且扩展迅速，部分裂缝已贯穿上弦杆；虽然桥面铺装层基本完好，但大部分肋掖板损坏严重。为保证交通运输安全，该市公路局于同年 11 月初将该桥的新桥部分（半幅）实行交通管制。2001 年 12 月，该桥的新桥部分经华南理工大学交通学院检测后认为，新桥病害较严重，承载能力明显下降，为保证交通安全，必须进行加固处理。此外，自从新桥被实行交通管制后。所有车辆都从旧桥上行驶。经过 1 个多月的通行，旧桥的上弦杆等部位也出现的裂缝。为了尽快使该桥全面恢复设计通行能力，并保证 2002 年的春运，必须尽快对该桥进行加固。2 加固方案刚架拱桥的加固方案是在本课题组的前期研究

223、基础上，经过理论和有限元分析、模拟实验、并与国内外参考资料比较后确定。其中，上弦杆等构件的抗弯拉、抗剪模拟实验简述如下。2.1 模拟实验模拟实验的试件尺寸为 0.1m0.2m1.8m，计算尺寸为 0.1m0.2m1.6m；试件所用混凝土材料为C40 中砂碎石混凝土，其弹性模量 Ec=30Gpa，剪切模量 Gc=0.43Ec（MPa），泊松比为 0.20，混凝土抗拉强度 Rt=5.15 MPa；碳纤维材料是采用日本东丽公司生产的碳纤维丝 T300-3K 编制成 0.1m 宽0.5 厚（长度任意，下同）的碳纤维薄板（预浸带） 其弹性模量 Ecf=240 Gpa，抗拉强度 Rt=2100 MPa，泊

224、松比为 0.29；芳纶纤维薄板采用日本东丽公司生产的芳纶纤维丝 K49，高强玻璃纤维带采用日本东丽公司生产的玻璃纤维丝，由本课题与合作研究单位编制而成。本拟采用的芳纶纤维薄板规格为 0.1m0.4 厚；高强玻璃纤维带规格为 0.1m0.4 厚。为使模拟实验更加接近实际情况，试件分为 3 组：无加固钢筋混凝土梁；底部粘贴碳纤维薄板的加固梁；先对无加固钢筋混凝土梁施加静载使其出现足够长的裂缝，再按图 1 所示加固方法分别粘贴碳纤维薄板和芳纶纤维薄板。在 MTS-810 试验机上进行静载试验，试验结果列于表 1。由表 1 可知，图 2 所示加固试件的极限承载力是无加固试件的 1.52 倍。65-表

225、1试验结果试件类型及编号无增强试件 A-1、A-2、A-3纤维薄板增强试件 C-1、C-2、C-3先开裂后增强试件 D-1 补、D-3 补极限荷载（KN）35.5749.6554.19图 1模拟试讲（3）极限承载力增幅39.6%52.3%2.2 加固方案为恢复、甚至提高该桥的承载能力，本方案拟对该桥的新桥（下游侧）的上弦杆、节点、斜撑、拱肋的顶部等构件的加固方案如下：对已出现的部分裂缝采用环氧化学压力灌浆的方法进行加固处理；在上弦杆的底面和侧面、节点的侧面、斜撑的侧面和拱肋的顶部底面（都为弯拉区）粘贴一层碳纤维薄板，并在上弦杆的底面和侧面粘贴芳纶纤维箍或高强玻璃纤箍（见图 3）。碳纤维薄板规格

226、为：0.1m宽0.5 厚（长度任意，下同）；芳纶纤维薄板规格为：0.1m 宽0.4 厚；高强玻璃纤维带规格为：0.1m宽0.4 厚；在斜撑的受剪部分采用高强玻璃纤维带进行缠绕加固（图 2）；图 2纤维薄板粘贴加固示意图对加固部位喷射（或涂抹）玻璃纤维环氧树脂；对要求做美观处理的施工部位做色彩处理。另一方面，由于桥面铺装层基本完好，但大部分肋掖板损坏严重，经研究决定，此次加固工程不换桥面铺装层，只对部分损坏严重的肋掖板进行加固。经采用 ANSYS 大型有限元分析程序对各部位的肋掖板的受力进行分析后，提出加固方案如下：对拱顶附近的肋掖板，采用碳纤维薄板和芳纶纤维薄板或高强玻璃纤维薄板按照图 3（a

227、）所示方案进行加固；对上弦杆部分的肋掖板，采用碳纤维薄板和芳纶纤维薄板或高强玻璃纤维薄板按照图 3（b）所示方案进行加固。3 施工工艺纤维薄板的施工工艺对加固效果影响极大，为尽可能保证加固效果，根据现场情况，本研究采用了如下施工工艺。环氧化学压力灌浆的施工步骤为：66123456灌浆嘴定位、封缝；灌浆（根据裂缝不同部位及不同宽度确定相应型号的 AB 灌浆树脂）；确认灌浆完成，树脂初凝后卸除机具。粘贴纤维薄板的施工步骤为：基底打磨处理；涂刷底层树脂；修复、填补混凝土粘结面上的缺陷及不平整部位；涂刷粘贴环氧胶（国产神力铃牌环氧粘结剂），并粘贴纤维薄板；采用专用充气压力带或真空吸附法对纤维薄板加压。

228、加固完毕后，在纤维薄板的外表面及其附近涂抹或喷射玻璃纤维环氧树脂；对施工部位及其附近区域做色彩处理。（a）拱顶附近的肋腋板图 3（b）上弦杆部分的肋腋板肋腋板加固方案示意图4 加固效果分析按照大跨径混凝土桥梁的试验方法的要求对加固后的刚架拱桥进行了动静载试验（详情另文报道）。试验结果表明，通过采用上述方法的加固，该桥恢复了原设计承载能力。自 2 月 3 日通车以来，该桥运营情况良好。上述刚架拱桥的实桥加固结果表明，与国内外同类技术相比，本文所示加固技术除了纤维材料所具有的共同优点，即高强度、耐腐蚀和重量轻以外，还具有如下特点：纤维材料可根据工程结构的实际需要，采用进口或国产的各种性能不同的碳纤

229、维、芳纶纤维等；纤维薄板由本课题组及合作单位自编，基本材料为国产环氧树脂；粘结剂全部采用国产材料；纤维薄板加固层由受力层、防护层（防老化、防碰撞）及装饰层组成，具有结构合理、耐用、美观等优点；本加固技术的性能价格比优于现有的加固技术，如钢板加固法、体外筋加固法等；本加固技术的单价与钢板加固技术持平，总单价约为 960 元/平方米；现场施工方便；所需配套设备少。因此，本文方法将对今后的旧桥加固具有重要的参考作用。参考文献涌井一，松本信之.新素材纤维一铁道高架桥耐震补强.JSCE,1997,82(May)：10-12荒木伸宏，松崎育弘，中野克彦等. 一状连续纤维断补强 RC 梁构造性能关实验的研究

230、.工学年次论文报告集.1997，19(2)：207-212吴智深，松崎智优，福伬公夫等.CFRP 紧张接着铁筋曲部材补强效果关实验的研究，土木学会论文集.2000，46(641)：153-165吉泽弘之，吴智深.破坏解析法炭素纤维一补强 RC 构成材引张特性关研究.构造工学论文集，1997，43(A)1339-1346赵彤，谢剑，戴自强.碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承截力试验研究.建筑结构，2000，30（7）：11-15赵树红，李全旺，叶列平，张轲，岳清瑞.碳纤维布加固钢筋混凝土柱受剪性能试验研究.工业建筑，2000，30（2）：67789101112-15中国纤维增强塑料（FRP）混凝土

231、结构学术交流会（首届学术会议论文集）.国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心，治金工业部建筑研究总院.北京.2000孔德清，黄培彦.纤维增强混凝土缺口试件应力场数值分析.华南理工大学学报.2000，28（4）：1-5孔德清，黄培彦.纤维薄板与混凝土界面应力场数值分析.华南理工大学学报.2000，28（4）：1-5黄培彦，罗立峰，张桂森等.碳纤维增强混凝土缺口梁承载力试验研究.实验力学，2000，16（3）：250-255黄培彦，郑小红，罗立峰等.碳纤维增强混凝土缺口试件破坏模式的研究.湖南大学学报，2001，28（4）：9-1568 o)碳纤维材料加固混凝土梁板技术在实际工程中的应用1 前言随

232、着我国国民经济的迅速发展，人们对建筑物的使用要求也发生了很大的改变。在实际工程中经常会遇到这种情况：一个项目的主体结构刚刚封顶（甚至是某一层的楼板刚刚打完），其使用功能就由于某些原因发生了改变。使用功能的改变必然引起结构荷载的改变。当结构荷载增加而在复核原结构又不能满足强度或刚度要求时，就必须对原结构构件进行加固。目前，除了传统的加大截面法，外包钢法外，近些年来又出现了很多新的加固法。如：喷射混凝土、预应力、粘钢加固、碳纤维加固等。这些加固方法都有不同的技术、施工条件的要求。而且，它们每种方法都有一定的局限性。因此，在加固设计过程中，设计人员就必须根据实际工程的具体特点（结构形式、荷载变化情况

233、、施工条件、经济条件等），选择一个相对合理的加固方法进行设计。本文介绍了一个具体的工程加固改造实例：北京*综合楼 B1 栋的加固改造。2 工程概况*综合楼位于北京南二环路的南侧。整个建筑群由 A、B、C 三个独立的建筑物组成。A 栋为高层公寓，C 栋为商业中心。B 栋总建筑面积为 12200 ，地下二层，地上十二层，其中地下为人防办公，地上一层三层为办公及会议，四层十二层为宾馆客房。结构水平抗力体系为框架-剪力墙体系，竖向承重体系为普通的现浇梁板体系，楼板厚为 100 。当 B 栋进入室内装修阶段时，由业主提出要在地上一层三层的每层加设一个为宾馆使用的厨房（原为办公）。原办公地面作法荷载标准值

234、为 1.25KN/，活荷载标准值为 1.5KN/。改为厨房后，地面作法荷载标准值增加为 4.45KN/，厨房活荷载标准值为 5.0KN/。经复核，原结构梁、板在增大的荷载条件下已不能满足正常的使用要求，需要加固。3 加固方法的确定根据常用的几种加固方法的工艺要求及本工程的具体条件，并综合考虑经济因素，采用排除法来确定最终的加固方案。首先，由于小区室外环境设计、施工均已结束。小区的现场已不具备堆料条件。为了在整个施工过程中不影响小区内的公共环境以及小区居民的正常室外活动，我们排除了传统的喷射混凝土加固方法。排除此方法的另一个主要原因是：B 栋的外墙玻璃幕已施工完毕，厨房周围的办公也已装修完毕，若

235、采用喷射混凝土法，必将对玻璃幕墙及办公的装修部分造成污染。而常用的粘钢加固，必须沿钢板纵向每隔一定距离用注胶胀栓将钢板与混凝土构件表面贴紧，这就必须在原混凝土表面钻大量的孔。而与 B 栋一墙之隔的商业中心已正式营业，钻孔的噪音必将影响其正常运作。所以也排除了这种加固方法。对于预应力加固方法来说，因其对施工机具要求较高，现场施工繁琐，且造价相对较高，因此也被排除在外。经综合比较：位于 B 栋东侧的 A 栋高层公寓，居民已全部入住；B 栋北侧的商业中心也已正式营业。因此，要求施工无噪音。新加的每层厨房面积均为 100 左右，周围的办公及客房装修均已进入尾声，这就要求施工简单，材料运输量小，施工垃圾

236、少。而碳纤维加固恰恰具备了这些优点。尽管碳纤维加固的造价略高于粘钢加固，在与业主及总包单位协商后，还是确定了采用这种加固方法进行加固。4 碳纤维加固计算4.1 基本假定变形协调的几何关系平截面假定；混凝土，钢筋及碳纤维的应变符合平截面假定。应力-应变的物理关系。混凝土当o 时， = fc 2 ( 2 o 当ou 时，=c式中o=0.002，u=0.0033钢筋采用理想弹塑性应力-应变关系。碳纤维采用弹性应力-应变关系。69不考虑混凝土的抗拉作用。4.2 计算方法加固计算示意图，如下图所示。从本页应变关系图得出以下截面应变的几何关系：根据力平衡关系 N=0，即：C=Ts+TCF（3）受压区混凝土

237、合力： C =oxn ( )bdy（4）受拉钢筋合力：Ts=sAs当sg 时，s=Ess当sg 时，s=y（5）（6）碳纤维内力：TCF=CFACF=ECFCFACF由力矩平衡关系，M=0 截面弯矩的计算公式为：（7）M=Ts（ho-yc）+TCF（h-yc）M+Tss=c（h-yc）（8）（9）式中：CF碳纤维应变；ECF碳纤维弹性模量；ACF受拉碳纤维面积；xn按平截面假定所确定的中和轴高度；ho截面有效高度；h截面高度；yc受压区混凝土合力至受压区构件边缘的距离。5 加固方法5.1 梁的加固次梁加固：在计算次梁时，按弹性连续梁计算梁在支座及跨中截面的弯矩值，以此确定支座及跨中截面碳纤维面

238、积。结果见图 1。图 1次梁加固图框架梁加固：框架梁的加固计算与次梁不同。由于框架梁的支座为钢筋混凝土柱，碳纤维布不能通过支座。所以在框架梁加固计算时，采用支座调幅法，将支座弯矩调到跨中，然后根据调幅后的弯矩值进行碳纤维面积计算。结果见图 2。因本工程柱网尺寸相对较小，经复核原框架梁的抗剪钢筋满足要求，故未设抗剪纤维。5.2 板的加固原结构楼板为 100 厚的现浇混凝土板，按弹性连续板计算其在支座及跨中截面的弯矩值，以此确定70123支座及跨中截面碳纤维面积。加固结果见图 3。图 2框架梁加固图图 3楼板加固图6 加固施工及加固效果碳纤维加固施工时应严格遵循以下步骤：基底打磨处理；涂底层胶；用

239、不平整修复材料整平；涂粘结树脂；粘结碳纤维布；重复、步骤；表面涂刷粘结树脂。采用碳纤维加固，因纤维布本身非常薄，基本不改变原构件截面尺寸和结构重量。从工期、使用空间、加固材料、耐久性及施工质量各方面均达到了预期的目的。7 结束语通过本工程碳纤维加固的实际应用，可以看到，碳纤维加固技术具有施工便捷、功效高、噪音小、现场整洁等优点。与粘钢法相比，粘贴质量更易于保证。同时，由于碳纤维加固技术不增加结构自重、不需要定期维护及具有良好的耐酸、耐碱、耐大气环境腐蚀的特点，必将在以后的工程实践中得到更广泛的应用。由于目前没有碳纤维加固技术的耐火极限资料，所以，对其耐火性能尚不能作出评判。笔者认为，任何一种加

240、固方法都应保证满足原结构的耐火极限要求。但是，从目前收集到的资料来看，似乎都忽略了这一点。希望有关的科研人员在今后的工作中尽快解决这一问题。参考文献混凝土结构设计规范.GBJ10-89碳纤维布加固修补结构技术规程(试行).Q/NERC001-98李荣，佟晓利.碳纤维材料加固混凝土结构技术应用实践71；碳纤维增强复合材料（CFRP）在公路 T 型截面桥梁加固设计与应用1 吉林市*河大桥的加固与拓宽改造1.1 概况既有*河大桥位于吉林市北出口零公里处，横跨*河，桥长 620m=120m，桥宽净 9.5m+21.5m(含20.25m 栏杆地袱)，梁宽 11.2m。上部结构采用 6 跨标准跨径为 20

241、m 的简支 T 梁（交通部颁标准图）下部结构：中墩采用柱墩射水沉桩基础，桥台采用 U 型桥台扩大基础。设计荷载汽-20 级、挂-100。2000年 10 月黑龙江省道桥检测中心，对该桥进行检测，定义该桥处于“病态”桥梁，结合本次桥梁拓宽，将主梁荷载等级提高至汽-超 20 级、挂-120。受吉林市城乡建委委托，将该桥拓宽至 25.0m，其中混行车道22.0m，人行道 21.5m，桥长仍为 620m=120m。根据设计委托要求，桥跨仍为 6 孔标准跨径为 20m 的钢筋混凝土简支 T 型梁，将既有桥主梁采用碳纤维增强复合材（CFRP）等方式加固后摆入在新建墩台，新建梁放在中间，桥面采用双向 1.0

242、%横坡，由盖梁垫石调整，桥面铺装采用 6 沥青混凝土加 10 40 号混凝土。则横断面布置如图 1 所示。图 11.2 上部结构设计计算既有桥梁的设计荷载为汽-20 级验算荷载为挂-100。改造后，为适应快速路的要求，将荷载等级提高到超-20 级，验算荷载为挂-120，同时，由于桥面系的改造，二期恒载也有一定的增加。改造后，本桥属于宽桥，活载内力采用 G-M 法计算。由于全桥是由 7 片旧梁（高 1.3m，翼缘宽 1.6m）及 6 片新梁（高 1.5m，翼缘宽 2.2m）组成，故本文在 G-M 法计算中采用有限条法，将桥横向分成 123 条梁，分别按不同的梁宽进行横向分布计算，求得活载内力，其

243、中控制主梁为 1#、2#、7#。并考虑到旧梁有一定的退化后，加固设计的承载能力（控制截面）应为Mmax=2825.55KNm，而原梁承载力为M=2188.4KNm，故需进行补强加固。经论证，采用碳纤维增强复合材进行加固，若还有不足时，可采用其他措施完成。2 加固设计2.1 基本假定平面假定。混凝土、钢筋及碳纤维片材（CFRP，下同）符合平面假定，且达到承载能力极限状态时，碳纤维片材的拉应变cu 不应超过碳纤维片材的允许拉应变cu。弹性假定。即碳纤维片材应力c=Ecc，Ec 为碳纤维片材的弹性模量。混凝土的应力、应变关系。受压混凝土区采用现行规范建议模型，当压应变达到极限应变时，混凝土受压破坏。

244、受拉区混凝土不参加工作。钢筋应力应变关系。为理想的弹塑性体。加固碳纤维片材的理想粘结。即达到受弯承载力级限状态前，碳纤维片与混凝土之间不发生粘结剥72x h f（1）。离（脱粘）破坏。2.2 基本公式首先，观察一下在弯曲行为下，CFRP 的各种破坏的形态。2.2.1 破坏形态根据大量试验研究，可以观察到。CFRP 有以下五种破坏形态1：超筋破坏。即：受拉钢筋未达到屈服前，受压区混凝土被压坏；适筋破坏。即：受拉钢筋屈服后，CFRP 亦达到级限拉应变，受压区混凝土也被压坏；不完全适筋破坏。即：受拉钢筋屈服后，受压区混凝土被压坏，但 CFRP 此时尚未达到级限拉应变；低筋破坏。即钢筋屈服后，CFRP

245、 亦达到极限拉应变而拉断，而此时受压区混凝土尚未破坏。当然还有第 5 种破坏形态，即 CFRP 与混凝土层间粘结剥离破坏。但在构造措施和施工质量保证的前提下不应发生此种破坏，即此种破坏形态不在我们讨论之内。2.2.2 正截面受弯承载力公式的建立根据钢筋混凝土结构规程2的通常规定，第种破坏行为，不在我们的讨论之列，即：CFRP 加固设计亦不能出现超筋破坏形式。因此我们要讨论的是发生第、种破坏形态时的承载力公式的建立（以单筋截面为例）当发生适筋破坏时：即：当混凝土受压区高度 xbh，同时 xcfbh 时，（见图 2）图 2M f cd bx(ho ) + f cd (b f b)h f (ho )

246、 + Ecf cf Acf (h ho )2 2此时，混凝土变压区高度 x，可由下列分式确定：f cd bx + f cd (b f b)h f = f sd As + Ecf cf Acf（2）当发生不完全适筋破坏3。即：当混凝土受压区高度 xbho，但 xcfbh 时，（见图 3）图 373x h f（3）（6）2M f cd bx(ho ) + f cd (b f b)h f (ho ) + Ecf cf Acf (h ho )2 2此时，混凝土受压区的高度 x 和受拉区 CFRP 的拉应变cf 由下列公式确定：f cd bx + f cd (b f b)h f = f sd As +

247、Ecf cf Acf（4）x =0.8 cu cu + cf（5）当发生低筋破坏即：当受拉区钢筋和 CFRP 配置数量较低时，此时 x 可能很小，即：xcfbh，且受压区受压混凝土边缘的压应变小于极限压应变，即：ccu。由于受压区高度很小，所以其取值对计算结果影响不大，故可近似地偏安全地取 xcfbh，即：MsdAs（ho-0.5cbh）+EccAch（1-0.5cbh）式中（见图 1、图 2）：M包含初始弯矩的总弯矩设计值；As受拉钢筋截面面积；sd受拉钢筋抗拉强度设计值；Ac受拉面粘贴的 CFRP 截面面积；EcCFRP（碳纤维片材）弹性模量；cbCFRP 达到其允许拉应变与混凝土压坏同时

248、发生时的界限相对受压区高度；c CFRP 的允许拉应变，且 cmin cfu30 . 01，或按文献3计取；cfuCFRP 的极限值；tcf单层 CFRP 的厚度；cu混凝土的极限压应变，取 0.0033；b f 、 h f T 形截面受压区翼缘的计算宽度和翼缘厚度；b、h腹板的宽度、截面高度；ho截面的有效高度；c混凝土轴心抗压强度设计值；c应变图上，实际混凝土受压区高度；受拉钢筋截面重心到混凝土受拉区边缘的距离。3 计算公式的讨论3.1 界限破坏cb当受拉区 CFRP 应变与受压区混凝土边缘压应变同时到极限值时，根据平面假设有： cfb = cu0.8 cu+ cf + i式中：0.8为按

249、现行规范取用的混凝土受压区高度系数，在通常非常标号混凝土（C50）时，取为 0.8；i考虑二次力影响时，加固前的构件在初始弯矩下，截面受拉边缘混凝土的初始应变。可按文献3中的有关规定计算。本文讨论时暂不考虑此值，取其为 0。根据实际工程通常采用 CFRP 材料，c=8000100001，3；所以，cb=0.2340.198，74 cbf + suc即：cb0.2（本文取c=0.01）。而钢筋混凝土受弯构件的纵向受拉钢筋和截面受压区混凝土同时达到其强度设计值时，构件的正截面相对界限受压区高度，b 在通常标号混凝土下，在不同钢筋种类时，其值在 0.530.622，显见b 恒大于cb，其相对比值为：

250、= cu b cu + cf = 0.32 0.37其中，c=0.01，su 普通钢筋达到抗拉强度设计值时的应变值，按常用普通钢筋 R235、HRB335、HRBB400、KL400 计取2。上述分析表明，只要满足不大于 CFRP 的界限相对受压区高度时，一定也不小于普通钢筋混凝土的相对界限受压区高度值，即：应为适筋梁。此时可按公式（1），进行设计计算。这种情况是针对适筋梁破坏形态建立的公式，它的前提应该是受拉区配置的钢筋和 CFRP 的数量应该适当，这样才能保证钢筋达到设计值 sd 和 CFRP 达到允许值后c后，受压区混凝土亦被压坏。但国内外的许多试验研究表明，出现这种材料能充分利用破坏形

251、态很少，即这是一个比较理想的设计工作状态，但很难予以实现，尤其是在公路 T 型梁中，其中公式中的c很难达到。3.2 CFRP 的c众所周知，采用 CFRP 加固修复桥梁的构件，一般采用带载加固4，其承载能力可按两阶段受力迭合梁计算，其图示见图 4。图 4通常公路 T 型截面桥梁结构自重（包括构件自重及桥面拼装、栏杆、人行道等）引起的内力由原梁承担，该部分占短期组合内力的 40%50%，本文近似取 rgMg/（rgMg+rqMq）=45%,此时,构件处弹性工作阶段,其截面上的应变值可由材料力学公式求得，见图 4 中线。而活载（包括加固后增加的结构重量）作用，则由 CFRP 加固修补后的截面来承担

252、。见图 4 中线。在界限破坏状态下：c1+c2=cu=0.0033s1+s2=y（7）（8）本文的讨论，若以常用钢种 HRB335（级钢）为例，即：y =sd/Es=280/（2.0105）=0.0014依据上述条件，可由平面假设求得：c1=0.001458；cf1=0.001037（取=0.1h）。由国内外有关规范及混凝土结构试验方法标准 GB50152-92对混凝土结构受弯承载能力极限状态破坏准则规定su 可取 0.01，若同时亦取c为 0.01 时，此间，构件承载能力虽不再有明显地提高，但仍能有承受很大的变形能力（因ysu，cf1c，荷载作用下变形继续发展，直于达到极限值为止，见图 4

253、中线。由图中不难看出，当s=su=0.01=10000时，3=0.248ho，则此时相应的c=0.011337c=0.01，即已超过允许值约 13.4%；又若当c=c=0.01 时，c3=0.248ho，则此时s=0.00868su=0.01，即受拉钢筋未达到破坏规定的极限值，尚有 13.2%富余。由于 CFRP 破坏时呈脆性，故不应使cc，即应以后一种形式加以控制。当然，在原梁中钢筋及加固的 CFRP 配置适当时，这两种状况都应属于本文所述的适筋破坏。75s，配筋率高（3%）显然，当荷载（作用）产生的截面应变介于、之间时，为不完全适筋破坏形态，此间受拉区y，但cc，受压区混凝土应力分布图形达

254、到很大程度的丰满，而最终受压破坏。图 3 中线的上端，摆动在、之间时，为低筋破坏形态。此间，受拉区sy，且c=c，但受压区混凝土的应力图形未能得到充分的发育，可能是第a 阶段以前的任何一种应力图形，其取决于受拉区配置的钢筋和 CFRP 数量、荷载和截面尺寸大小。3.3 关于公路 T 型截面的加固计算与设计在公路与城市道路中，需加固的中小跨径的桥梁中，原结构多为 T 型截面，其数量多，桥龄多在 3050 年间，损伤严重，其亟待补修加固的数量大。特点是截面尺寸多为薄壁（或接近）结构，受压区翼缘尺寸大（ b f 为 1600 2200 ） ，且原 T 型截面梁为适筋梁设计，即：b。根据上述的讨论，公

255、路桥梁 T 梁加固将有以下的特点：由于原结构的配筋率高，所以单纯采用 CFRP 加固时，因受拉钢筋数量较大，可以使受压区混凝土应力图形能得到充分的发育，所以发生低筋破坏的可能性小。由于受正常使用极限状态的牵制，受拉区钢筋很难达到大应变状态，如通常公路 T 型截面桥梁达到最大裂缝宽度时，受拉钢筋应变约为 1000左右，即或 CFRP 的加固约束了裂缝的开展，最多能达 15002000，这也远小于破坏时的应变值；挠度的变化也有类似情况，故受拉区亦难于达到 0.01 的应变值。观察近年来大量的 CFRP 加固受弯构件的试验研究，不难看到其破坏发生 CFRP 材料拉断（即达到c）情况偏少，多发生在粘结

256、界面附近。公路 T 型梁在极限状态时的承载能力计算中，受压区翼缘承担其中的很大一部分。因而从经济上，从材料充分利用上来看，亦应使受压区翼缘的承载能力得到充分的发挥。鉴于上述原因，公路 T 型截面桥梁的加固设计计算时，除应与原结构设计规范做好衔接外，通常不应使 CFRP 达到c，建议不以本文规定的适筋破坏和低筋破坏为设计依据，而以不完全适筋破坏作为设计的依据。即以式（3）（5）进行设计计算为宜。3.4 应用实例吉林市*河大桥原为 T 型截面钢筋混凝土梁桥，根据交通需要，将原桥拓宽，并将设计等级提高一档，需对原 T 型梁进行加固，经分析研究拟采用 CFRP 等方法进行加固。已知：原梁正截面设计资料

257、如图 5 所示：h=130 ，ho=118.5 =11.5 ，b=18 b f =160 ， h f =11 5 号钢筋 As=84.42 2fsd=230MPa25#混凝土 fcd=10.6MPa拟于下缘粘贴一层 CFRP，厚 tcf=0.167 ,Ecf=2.35105MPa。提高等级后，要求结构（控制截面）承载能力为Mmax=2825.55KNm。求：加固后的抗弯承载能力M解：计算 CFRP 的界限相对受压区高度cb76可得1234、cb=（0.80.0033）/(0.0033+c)=（0.80.0033）/(0.0033+0.01)=0.1985式中取c=0.01由式（4）（5）联立求

258、解 x 及cc =0.00547；x=39.13 ；=39.13/118.5=0.33b=0.56但c=39.13/130=0.301cb=0.1985 为本文不完全适筋破坏形式，代入式（3）求得M=2614.05KNm。又当采用两层 CFRP 时，Acf=0.601 2，同理得c =0.005955；x=40.879 ，亦为不完全适筋破坏形式。求得M=2644.1KNm。因提高等级后，要求结构（控制截面）承载能力为 Mmax=2825.55KNm，加固中不足部分，采用其他措施完成。参考文献叶列平等.碳纤维加固混凝土构件正截面受弯承载力分析.建筑结构，2000 年，31(3)：第 3-5 页中

259、分公路规划设计院.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，(征求意见稿)北京：2000 年 12 月北京特希达科技有限公司、东南大学.采用碳纤维片材受弯加固的设计计算.中国公路学会 2001 年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文，2001.12.昆明：第 1-4 页张树仁.旧桥加固加宽技术与设计理论研究成果简介.中国公路学会.2001 年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文，2001.12.昆明：第 67-68 页77特种荷载作用下，碳纤维（CFRP）技术在桥梁加固工程中的研究与应用对 207 国道*门中桥提载加固工程设计方案的商榷0 引言根据国家西电东送的战略决策，国家电力公司电网建设分

260、公司决定在荆州市马山镇建设一个电压等级为500KV，送电容量为 3000MW 的大型换流站，其关键性设备由国外进口，超重设备单件重量达 270t左右，重型牵引车总重 74.7t，大型平板运输车自重 80t，重件运输车组总重达 417.74t，经专家验证的运输路线必须通过 207 国道*门中桥，大型设备运输荷载大大超过了现有桥梁设计荷载，原桥梁结构不能满足大件运输的安全通过，故须对该桥实施加固。1 加固设计方案1.1 概述*门中桥地处湖北荆州，为三孔不等跨简支 T 型梁桥，其跨度分别为 1622.216m，桥面布置为1421.5，该桥建于 1988 年，原设计荷载标准为汽20 级，挂100，该桥

261、地处 207 国道与 318 国道通过荆州市的复线地段，已经过 15 年的营运，交通运输十分繁忙，使用情况尚好，近年来，在交通量不断增加，超载重车行驶频繁的情况下，使用情况尚属正常。据观测该桥现有有限缺陷均在允许范围内。根据公路养护部门经常运用的直观评定方法：上部构件在运营中已行驶过相当于设计荷载或以上车辆，没有发现缺陷或缺陷在允许范围内，可以认为该桥具有设计承载能力。据此，国家电力公司电网建设分公司某部委托武汉某设计院进行了该桥的加固设计。将原有汽车-20、挂-100、荷载等级提高至汽超-20，验算荷载挂-385t 的桥梁加固工程在我省尚属首例，对业主、设计者、施工者都极具挑战性，必须慎重对

262、待，精心设计，精心施工，确保万无一失。经过认真计算，设计院拿出了突出以下加固设计要点的施工图设计，并于今年 4 月初由业主主持初步通过了该设计方案。1.2 设计者提出的设计要点改造原桥面铺装层，增设钢筋网，桥面铺装采用 CF30#钢纤维防水混凝土，增大桥面层的整体刚度。修复结构缺陷，恢复结构的完整性。在 T 型梁底部和端部、墩帽挑梁处粘贴钢板，增加其抗弯能力和抗剪能力，在 T 梁端部粘贴 U 形钢板箍，增加底部钢板的锚固力和梁端的抗剪力，T 型梁底粘钢钢板厚度为 8 ，U 形箍钢板厚 4 ，墩帽处采用凿槽埋贴方法，本方案见图 1：*门桥粘钢加固方案示意图。2 对上述加固设计的商榷笔者曾作为 2

263、07 国道*门中桥加固施工图审查会议人员参加了评审会，同时近年来担任了部分桥梁加固工程的技术负责人和主持了交通科研项目 SHO-BOND 结构补强材料在桥梁维修与加固工程中的应用项目。在探讨优选加固技术的过程中，对粘钢技术、碳纤维技术作了初步探讨，所以对上述加固设计有以下商榷意见。对上述方案中桥面铺装及修复缺陷无异议。考虑到该桥地处城区，加固工程量大，荷载等级要求高，又须和桥面翻修同时进行、工程必须在短期内完成，现有桥梁具有原设计承载力，施工时以不破坏、不扰动原有结构的加固方法为最佳等诸多因素，对 T 梁底、梁端、墩帽均采用碳纤维片（CFRP）加固的方案优于粘钢加固方案，经分析、计算、比较，主

264、要表现在以下几方面。技术性能比较78碳纤维复合材料贴合加固法，与钢板贴合加固法同样可以取得提高承载力的效果，这已是业内公认的不争的事实，而在本项特殊的桥梁提载加固工程中，采用碳纤维技术比粘钢技术有其更为独特的优势。（a）关于碳纤维技术798碳纤维是在几千度的高温下经特殊工艺制造出的一种高科技产品，是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的材料，由环氧树脂（epoxy）结合成一体后，在纤维方向上具有极高的抗拉强度。碳纤维片是将碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成的纤维定向排列的复合片材，它具有轻质高强高弹模（比重仅为钢铁的 1/5，其抗拉强度达 3400MPa4000 MPa，约为同等截面钢材的 710

265、 倍，弹性模量为 2.3105 MPa），抗腐蚀性佳，没有疲劳老化现象，物理性能稳定等诸多优点。碳纤维的技术初期应用于航空太空产品上，在欧美及日本等发达国家，这项技术已经进行了普遍的应用，仅英国在 1997 年就有 30 座桥和结构物采用了 FRP 增强纤维加固技术。FRP 加固是一种新兴的加固方法1，首先应用于航天航空工程，仅在近二十年来才逐渐地推广应用到土木工程中。1991 年 7 月，瑞士联邦材料测试研究所率先在多跨连续箱形梁桥（Ibach）进行了碳纤维加固试验和研究，并获得了成功。美国各研究机构先后开展 FRP 加固混凝土结构研究，美国混凝土协会（AIC）编制发布了外贴 FRP 加固钢

266、筋混凝土结构设计和施工指南。日本在 1984 年开始将 FRP 应用到土建中，1987-1998 年用碳纤维片加固混凝土结构得到了广泛的应用。国内也开展了 FRP 的研究和工程应用，完成各类工程 300 项左右。在我国用碳纤维片维修与加固混凝土桥梁结构，是继 1997 年国家工业建筑诊断与改造工程技术中心在国内率先开展了碳纤维材料应用于土木结构的研究与应用之后，发展起来的一种混凝土结构修复与加固技术。该技术是利用环氧树脂将碳纤维片卓越的抗拉强度达到增强混凝土构件承载能力及刚度的目的。碳纤维加固具有高强高效、适用面广、质量易保证，施工便捷快速，工效高，没有湿作业，不需现场固定设施、施工占用场地少

267、，耐腐蚀、抗疲劳、耐久性等性能极佳，加固后，基本不增加原结构自重及构件尺寸、不需增加施工构造措施等优点，适用于多种结构类型。在本项工程中，用于梁端进行提高抗剪能力的环包加大和墩帽挑梁加固特别适应，对于薄而小的横梁加固也有独特的优势。（b）加固设计方案比较根据该项工程采用粘钢技术的加固 T 梁的设计方案，将 T 梁底粘钢及梁端粘贴 U 型钢板箍、墩帽凿槽埋贴，改以碳纤维片取代，以 SHO-BOND 碳纤维工法为例，T 梁底采用 NAC-700-30（厚型）碳纤维片粘贴两层、梁端和墩帽，采用 NAC-700-30 环包一层，碳纤维加固方案见图 2：*门桥碳纤维加固方案示意图。经采用碳纤维加固与细部

268、设计理论进行计算2，可满足汽超-20，校验荷载 385t 的加固设计要求。将两种工法主要材料（钢板除外），全部采用 SHO-BOND 材料，在同等效应下，碳纤维工法加固*门桥优于粘钢工法加固的特点十分突出，见表 1。（c）根据有关文献记载3，粘钢所用钢板厚度不易太厚，太厚对贴合质量影响较大。也不易太薄，钢板太薄，在自重下容易产生挠度，因此施工上的优越性也大大降低，通常用 4.5 6 的钢板为宜。SHO-BOND 工法也有此方面的要求。该粘钢加固设计中的钢板厚为 4 、 ，不仅给施工造成一定难度，同时加固效果并非十分理想。（d）综合上述因素，不难发现，粘钢工法加固，在施工时存在难度大，施工处理复

269、杂，施工现场要求高，工期长等缺点。而碳纤维布是柔性材料，施工时可以依靠现场用剪刀裁剪成所需的形状和尺寸，对构件的不同外形都具有极高的适应能力，特别适应本工程中梁端、墩帽、横梁等部位的加固。由于重量轻，现场施工基本是手工操作，不需大型设备和施工工具，在较小的空间中即可进行施工，且施工速度很快，施工工期短，粘贴质量容易得到保证。（e）桥梁结构是受到重复荷载、移动荷载等作用的混凝土结构，需要考虑结构的抗疲劳能力。碳纤维的抗疲劳性能极好。试验研究表明，CFRP 加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载，在进行静载试验、挠度试验，与未经历疲劳循环荷载的对比试件相比，其强度及延性指标并没有显示出有所降低，而普

270、通的80表 112345679101112混凝土试件经历同样的疲劳循环荷 载后，其静载强度和延性指标会有不同程度的降低，这主要是由于 FRP材料本身抗疲劳性能优异，在设计承受反复荷载的结构时，如考虑采用 FRP 材料则会显示出很大的优势。而*门桥加固工程的特点：一是加固设计应在满足汽超-20 的基础上，同时必须满足 385t 的验算荷载，以确保超大构件运输的安全通行；二是大型设备运输时间长达两年，共 30 余车次，采用粘钢加固设计时，因系汽超-20 设计，对应一般验算荷载为挂-120，其强度安全储备本身不大，抗疲劳性能又不如 FRP，还要通过 30 次重型运输车组，据此也可看出采用碳纤维要优于

271、粘钢。碳纤维加固方法与粘钢加固方法各项技术性能比较工法序号碳纤维加固工法粘钢加固工法备注项目施工效率施工简便迅速、桥面施工可同时进行材料笨重、施工缓慢强度安全储备施工重量施工机械施工工艺及工期重叠性能加固物形状大于“粘钢”工法加固几乎不增加结构重量无需重型机械及模具工艺简单，技术可靠，固化好，施工中不会扰动原结构，保持其完好状态，工期短非常便于多重粘贴不受任何形状限制，在梁端、墩帽环包粘贴碳纤维，以提高抗剪承载力，同时，可大大降低施工难度，小于碳纤维工法加固使结构重量增加 12.5t使用重型机械及各类模具需增加加固超厚钢板的构造措施，用电锤打孔穿梁，钻孔 150个，膨胀螺栓孔 2086 只，不

272、仅结原结构有所损伤，还需较多植入胶，费用较大，工期较长多重加固非常困难受结构形状的限制极大，墩帽埋贴、梁端粘贴钢板 U 型箍，费时费力费用大计算略本项工程是以提高荷载等级为目的的加固工程，加固时不宜伤及原有构件，以保持原设计标准不受影响本项工程梁端、墩帽加固是难点，而采用面纤维粘贴则会化难为易减少施工成本，缩短施工工期8疲劳性能抗酸碱腐蚀维护及保养加固后外观工程造价极好抗酸碱腐蚀且不渗透无需进行维护外观无改变，且适合各种涂料综合造价略低于“粘钢”工法较好易腐蚀需定期实施防腐蚀措施外观改变较大综合造价略高于 CFRP 工法技术可靠性比较（a）粘钢加固是采用双组分环氧树脂粘接剂把钢板或其他钢质件粘

273、贴在混凝土表面，并构成一个混凝土-粘接-钢三相复合物系统，让钢板部分替代钢筋的作用从而提高结构的承载力，该法设计方法简单、施工简便、加固钢板厚度一般在 4.5 6 ，对结构总体尺寸改变小，加固效果可靠。但由于抗剪加固需要牢固的锚固措施，会对 T 梁结构产生破坏作用，而在本项加固工程中，为了增加 T 形梁端部的抗剪能力和底部钢板的锚固力采用了较大面积的 U 形钢板箍粘贴及构造措施，需用电锤在每片梁上钻 208 个膨胀螺栓孔，全桥 2080 个孔，（粘钢面积为 298.41 ，7 个/），全桥 150 个穿心螺杆孔，以形成稳固粘结，这对 T 梁结构的破坏作用是不言而喻的。此外，从外观看，T 梁浇筑

274、质量较差，表面不平，而梁底厚达 8的钢板本身刚度较大，也无法确保钢板与混凝土构件形成稳固粘结。（b）碳纤维（CFRP）加固混凝土桥梁结构技术属于新技术材料与土建问题的交叉学科，不仅在日本、81韩国、欧美等国家得到广泛应用，1997 年以来在我国也一开展了碳纤维加固技术的研究和工程应用，这项技术具有施工简便快捷、安全可靠、耐久性好，能适应多种复杂的结构外形，不影响原结构的外观，施工时不须采用扰动结构的构造措施进行固化等诸多优点，已日益在架桥梁结构修复加固工程中得到较为广泛的应用。（c）工程应用案例见证技术可靠。不少文献有关于我国应用碳纤维技术加固桥梁上部和下部结构加固效果甚佳的记载，现举几例。北

275、京特希科技有限公司从日本引进了碳纤维片维修加固混凝土结构的整套技术，并与江苏省建筑科学研究院以及东南大学合作，对混凝土用碳纤维加固效果和机理进行系统的试验研究，验证了该项技术在工程中应用的可靠性。并通过了新技术，新材料科技成果鉴定4。天津于家岭大桥维修加固工程5：该桥长 202.5m，桥宽 9m，跨径 13.5m，上构由 6 片 T 梁组成，下构是灌柱桩式墩台，由于 1976 年唐山地震及重载车行驶等因素影响使上、下部结构受到一定损害，梁帽、梁帽腹板、墩柱都有裂缝，最大缝宽 2 ，根据病害程度分别采用 TXD-C-20 碳纤维片粘贴一至二层，环包等进行维修，并与桥面维修同时进行，甚为简便，补强

276、后安全运行至今。韩庄闸公路桥 T 梁维修加固工程6：韩庄闸公路桥位于山东省微山县境内的 104 国道上，桥全长435.6m，设计标准汽-20、挂-100，全桥 31 孔，每跨跨径 10m，桥宽 9m（加宽而成），由 5 片钢筋混凝土T 梁（原桥），5 片钢筋混凝土空心板（加宽）组成，运行 41 年，新闸和加宽部分公路桥运行 20 年，T 梁混凝土老化病害严重，普遍出现可见裂缝，经检测不能满足设计汽-20、挂-100 要求。采用 CFRP 补强。在梁底跨中粘两层单向碳纤维布，在梁侧面粘贴 12 层双向碳纤维布，共加固 140 ，经现场静载试验发现，梁的挠度降低 30%左右，加固效果显著，加固以来

277、，工程安全运行至今。天津普济河道立交桥维修加固工程4：该桥位于天津市区中环线上，横跨南仓铁路编组站的 25 条铁82路线，全长 1080m，桥宽 18m，跨径 20m35m，上构有普通混凝土 T 梁，预应力混凝土板梁、T 梁、现浇普通混凝土箱梁，下构全部采用混凝土打入桩，于 1986 年建成通车。由于超载重车频繁行驶及诸多自然因素影响，边梁腹板下缘钢筋多被腐蚀、混凝土脱落，板梁正负弯矩区，均有明显裂缝，较大缝宽 1 ，延伸至梁高 2/3。部分 T 型梁端部出现程度不同的剪切裂缝。经多方面综合研究，对梁体及下构的维修，均采用碳纤维修复补强的方案。裂缝密集部位粘贴 12 层 TXD-C-20 型碳

278、纤维片，既起到补强作用，又起到封闭作用，延长结构使用寿命，维修后安全使用至今效果良好。天津经路立交桥维修工程5：该桥是天津最早的一座立交桥，其弯桥部分为四跨连续梁结构，跨径20m，墩柱为 Y 型结构，其 21 号墩柱的墩帽及墩柱下部产生明显的裂缝，于 1999 年 9 月用碳纤维修补。在墩帽沿垂直裂缝方向粘贴了一层 TXD-C-20 型碳纤维片。墩柱下部则沿柱的竖向粘贴一层碳纤维片，再环包一层碳纤维片，以提高抗剪承载力，固化后，对施工面进行了涂装处理，采用水泥灰浆配置一定比例的建筑胶作为结构外涂，外观上与原结构保持了一致。加固后，使用至今效果良好。上述工程案例从技术性和经济性，使用性，美观性等

279、方面说明了碳纤维技术在桥梁加固工程中的技术可靠性和可行性。经济合理性比较从经济合理性上看，本项工程粘钢加固设计中，对钢板的要求非常严格，因为考虑到在桥梁上通过如此大型的超重设备必须满足 385t 验算荷载，在本省尚属首例，加固设计对材料要求必须严格。而且主体工程所用的钢板设计厚度为 8 ，钢号为 Q235A，厚度不得有负误差，满足此项要求一般需用军用、船用钢板、其价格比较高。与 FRP 相比，虽然进口碳纤维布价格相对较高，但在运输、存储、装卸、加工、维护过程中的费用相对较少；施工机具简单，从而减少了机械台班费，施工速度快，相应缩短了工期，也节省了人工费用。碳纤维耐久性好，也减少了后期维护费用，

280、因此，加固工程综合造价却相对要低。综合上述各项技术性能比较、施工难易程度，施工工期和施工质量等方面因素，采用碳纤维技术加固831234567钢筋混凝土 T 梁比粘钢更适宜该项加固工程的特殊要求。科技进步性比较从科技进步方面来看，碳纤维（CFRP）属高新技术，目前，已在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到迅速发展和广泛应用，粘钢属成熟技术，但已被欧美、日本等发达国家所淘汰7。碳纤维技术在桥梁提载加固工程中突出的优异性，设计者在本工程加固设计方案中不曾考虑，笔者认为有以下原因：（a）我国在桥梁维修与加固方面存在的一个突出点是基础薄弱，技术落后，这影响了许多新技术，新产品的应用和推广。技术落

281、后主要体现在两个方面：一是没有形成一整套完善的研究、开发、试验，应用体系；二是在实际生产中我们仍采用着许多落后技术，例如粘贴钢板，表面喷浆等加固技术，费时费力，而且效果并不十分理想，已经被欧美、日本等发达国家淘汰，在我国全部仍然被广泛使用7。这是中国公路有关专家对我国桥梁维修加固业存在的问题切中要害的分析。（b）在桥梁加固设计指导思想上，长期以来，对设计者来说，“重传统轻创新”的落后意识一直占据着人们的思想，严重制约了新技术，新产品的开发、应用和推广。本项工程从优选方案来看，虽然碳纤维技术与粘钢相比显示出诸多明显优势，但设计者采用的是用传统加固方法进行加固设计，这一方面是传统方法的成熟可靠性使

282、然；另一方面是我国桥梁加固技术落后的大环境所致。因为在我国还没有形成像国外那样完善的体系，从早期检测到维修加固已经有一套完整的流程，并积累了丰富的经验，许多问题还是第一次碰到。在本项工程加固设计中，对荷载标准要求极高，既无成文规范可循，又无经历的工程案例可参照，因此，采用一种不熟悉的新技术、新工法进行设计，风险大、工作量大。尤其是目前试验研究条件十分有限，研究新技术、新课题既耗时又缺乏资金支持，使设计者对新技术，新产品的了解、研究条件十分有限，凡此种种，都制约了桥梁加固设计中的优化方案，优选设计工作，这使得本应走在依靠科技进步提高桥梁维修设计加固水平前沿的桥梁维修加固业科技含量大受限制。3 结

283、语碳纤维（FRP）加固混凝土桥梁结构已成为土木工程的一个新领域，本文以对 207 国道*门桥提载加固设计方案的商榷为工程实例，从技术性能、技术可靠性、可行性，经济合理性、科技进步性诸方面初步说明了碳纤维技术与传统的加固方法在梁式桥加固工程中显现出的明显优势，希望能对桥梁维修与加固工程业界的工程设计、施工有所助益。参考文献柯敏勇，金初阳，洪晓林等.碳纤维增强塑料(CFRP)在桥梁加固工程中的应用.2001 年全国公路桥梁维修与加固技术研讨会论文集,P92翁冠群.碳纤维加固与细部设计.2001 年全国公路桥梁维修加固技术研讨会论文集，P61-64(日)高架桥构造研究会编.王惠著.李阳海译。299-

284、230杨渡.碳纤维技术在天津的应用.中国公路，第 104 期 P25谷木谦介.关于混凝土结构修复补强工程中碳纤维片耐久性能.http:/金初阳，柯敏勇，王宏.碳纤维布在韩庄闸公路桥 T 梁加固中的应用.2001 全国公路桥梁维修加固技术研讨会论文集，P83-86塞雁.长路漫漫待求索，重整旧桥看今朝.中国公路，第 130 期 P55-5684楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法1 前言土木工程领域已有结构的加固改造是当前一个相当普遍的问题。许多建筑在施工或使用过程中，由于功能的改变，需要进行各种类型的改造，如楼板开洞，柱或承重墙的托换，剪力墙开洞等。在这些改造中，由于结构荷载、约束条件可能

285、发生变化，受力性能也会产生相应的改变，通常原结构截面或配筋很难满足要求，因此也就存在如何最有效地进行加固的问题。本文通过一个工程实例，对楼板开洞改造的受力情况用有限元算法进行了分析，并进一步探讨了适用的加固方法。2 工程分析2.1 工程概况某工程为现浇框架-剪力墙结构，现由于使用功能改变，地下一层楼板某一开间内拟开设4.8m0.6m的洞口，如图 1 所示。图 1楼板洞口开设示意图 2开洞楼板变形分布示意图由图 1 可见，该处楼板开间为 5.95m，进深为 8m，而洞口长度达 4.8m，且垂直于主受力钢筋大量截断，楼板承载能力大幅度削弱。另外，洞口边缘可能出现的应力集力也会对结构产生不利影响。因

286、此，要实现这样的开洞改造，就应对楼板的受力情况进行全面的计算分析，并根据分析结果提出相应的加固方案。2.2 有限元分析用 SAP 有限元软件对该开洞结构和完全不开洞的楼板进行了弹性对比分析计算（荷载约为 28KN/，为参考值，主要用于对比分析）。图 2 为开洞楼板的变形分布云图，图 3 为不开洞楼板的变形分布云图。85图 3不开洞楼板变形分布示意图图 4开洞楼板最大主拉应力分布图对比分析图 2 和图 3 可见，在同样的荷载和约束条件下，开有洞口的楼板的最大变形出现在洞口离楼板的边缘较远的一侧长边，达 9.88 ；而普通楼板的最大变形则出现在楼板跨度中心部位，为 5.6 。因此按弹性分析的结果，

287、开洞楼板的挠度较不开洞楼板的挠度增加了 76.4%，如考虑到楼板混凝土开裂和弹塑性性能等的影响，实际挠度增加的幅度还会更大。另外，根据弹性分析的结果，开洞楼板的最大主拉应力较不开洞楼板增加了 25.6%，这主要反映了洞口在强度上对楼板的削弱作用。图 4 为开洞楼板的主拉应力分布云图，可以看出，开洞楼板的最大主拉应力出现在洞口的短边和短跨方向支座处，这表明在洞口的短边出现了明显的应力集中现象，该处应力接近于应力接近于应力最大值。这也是在制定加固方案时必须加以考虑的。3 洞口大小对受力性能的影响为了解洞口尺寸对楼板受力性能的影响，用 SAP 有限元软件对多种洞口尺寸楼板的变形和受力性能进行了计算。

288、图 5 为楼板挠度随洞口尺寸的变化曲线，图中横坐标为洞口长度与楼板短跨之比，纵坐标为楼板挠度与不开洞楼板挠度之比。从图中可以看出，楼板的最大挠度基本与洞口尺寸成正比，这主要是由于采用了弹性分析方法。因此，如考虑楼板混凝土的开裂及弹塑性性能，实际开洞楼板挠度的增长将高于图示结果。图 6 为楼板最大主拉应力随洞口尺寸的变化曲线，图中横坐标为洞口长度与楼板短跨之比，纵坐标为楼板最大主拉应力与不开洞楼板最大主拉应力之比。可以看出，楼板的最大主拉应力也基本与洞口尺寸成正比。由于最大主拉应力的变化反映了楼板整体强度的变化，因此可以得到结论：楼板所开洞口越大，对楼板强度的削弱就越大，两者基本成线性关系。图

289、5挠度随洞口变化曲线图 6最大主拉应力随洞口变化曲线对比图 5 和图 6 可以看出，即使采用弹性分析方法，开洞楼板的挠度增长也显著高于其强度的削弱，因此控制开洞楼板受力性能的主要指标为其刚度和变形性能，对开洞楼板的加固应主要考虑提高其整体刚度。另外，当洞口尺寸较小时，楼板刚度和强度的削弱均有限，可以不需要对楼板进行加固，而当洞口尺寸增大到一定程度时，楼板可能由于变形过大而破坏，此时就需要对楼板进行加固。具体的判断指标应根据工程实际的容许挠度或相关受力性能来确定。4 加固方法探讨根据上述分析，一旦确定开洞楼板需要加固，就应确定是采用刚度加固的办法，或是刚度与强度加固相结合的办法进行加固。刚度加固

290、主要解决楼板变形过大的问题，可采用钢结构支撑或体外预应力加固的办法，而强度加固主要解决洞口应力集中以及支座部位负弯矩过大等问题，可采用粘贴碳纤维布的方法。8612对本文的改造工程，采用了刚度与强度加固相结合的办法。即一方面用钢结构对楼板进行支撑，另一方面在板顶和板底相应部位粘贴了碳纤维布。加固方案简图如图 7 所示。图 7加固方案示意图5 结论当对已建房屋楼板开洞改造时，开洞楼板的刚度和强度较不开洞时会有不同程度的削弱，一般情况下，刚度的削弱会更为显著，在洞口短边或转角处会出现较大的应力集中，现浇连续楼板在支座部位也会出现较大的主拉应力，在确定加固方案时应该予以考虑。参考文献刘航,李晨光.混凝

291、土结构加固技术.水工混凝土建筑物病害评估与修补文集.湖南.2001,9张誉,赵鸣,赵海东.碳纤维片材加固混凝土结构研究综述.中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会(首届学术会议论文集).北京.2000 年 6 月87玻璃纤维聚合物混凝土在腐蚀环境下天车道轨二次灌浆中的应用研究0 前言玻璃纤维增强塑料简称 GFRP，已广泛应用于生产板材，加固钢筋混凝土受压构件，增强混凝土构件的抗腐蚀性能。但用于钢筋混凝土受弯构件的补强加固，由于其抗拉强度和弹性模量低，增强效果不佳，已逐渐被碳纤维补强、粘钢加固技术所取代。国内外许多材料专家对玻璃纤维的特征进行了大量研究，发现其弹性模量高于混凝土，与混凝土

292、的线膨胀系数相近，比强度高，用于有裂缝的复合材料能承受持久的较高应力，在一段时间内可以产生显著伸长或很大挠度。多半用于希望基体不裂，有瞬时超载的场合。用于永久性模板承受短期荷载。尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但主要还是用于非结构性或半结构性的混凝土构件中。用其三维乱向短纤维作为细石混凝土（粗集料粒径10 ）的拌合物，用于天车道轨二次灌浆，可以增强混凝土二次灌浆层的抗裂性和耐腐蚀性。1 工程实例某轧钢厂房建成于 1985 年，处于腐蚀环境中，厂房内配置重级工作制（5+5）T 天车两部，天车道轨二次灌浆层，采用 80 厚 C20 细石混凝土。由于天车低周反复荷载的作用，混凝土二次灌浆层开裂脱落

293、，导致天车道轨垫块松动失效，造成天车卡轨，道轨断裂。后为了提高混凝土的抗裂强度 ，在灌浆细石混凝土中掺入 4%（重量），长度 30 100 的 22#镀锌铁丝。虽然提高了混凝土的抗裂强度，但混凝土的和易性极差，无法机械搅拌，只能人工拌制，且振捣困难，混凝土的密实度低，空隙较多。使用一段时间，掺入铁丝锈蚀断裂，混凝土脱落，严重影响天车使用。1.1 方案比较由于该厂房处于腐蚀环境中，天车为重级工作制，对二次灌浆混凝土的耐腐蚀性和抗裂性要求比较高。选用耐腐蚀混凝土，其抗裂性不能满足要求。而钢纤维混凝土虽然可以提高混凝土的抗裂性，但耐腐蚀性比较差。采用碳纤维混凝土，抗裂性和耐腐蚀性均满足要求，但造价太

294、高。玻璃纤维增强塑料尽管抗拉强度不及碳纤维，但其短纤维作为混凝土的拌合料可以大大提高混凝土的耐腐蚀性和抗裂性，且材料组织容易，价格低廉。通过分析比较，我们采用 GFRP 纤维混凝土对天车道轨进行二次灌浆。1.2 材料选择当前，已实际应用的玻璃纤维主要有两类：硼硅玻璃纤维即 E 型玻璃纤维，与低碱水泥和高铝水泥一起使用。耐碱玻璃纤维常称 Cem-FIL，与普通硅酸盐水泥一起使用。我们在二次灌浆混凝土中采用的是 Cem-FIL 复合材料。通过试验研究发现：对于各种不同长度的纤维，当纤维体积掺量增加到 2.5%时，混凝土的坍落度比掺长纤维的拌合料的坍落度大，但捣实所有的拌合料都比较容易。当纤维积小于

295、 2.0%时，极限抗挠强度随纤维体积的增大而增大。当纤维体积一定时，掺 12 纤维的抗挠强度最低，但是加大纤维长度并不一定对抗挠强度有利，因为加大纤维长度后工作性降低的不利因素及粘结面积增大的有利因素在一定程度上互相抵消。研究发现，38 对极限抗挠强度最有利。因此，在实际应用中我们采用的纤维长度为 12 50 ，体积掺量为 0.5%2.5%。为了增加玻璃纤维增强塑料混凝土中纤维的均匀度，减少混凝土收缩，改善混凝土的工作性，限制粗集料粒径10 ，砂率50%。1.3 配合比8812设计抗压强度20MPa，GFRP 体积掺量 1.5%丝束直径 0.11 0.65 35 ，安阳产海工牌425#普通硅酸

296、盐水泥，粗集料粒径10 河卵石，细集料粒径5 中砂，细度模数 M=2.7。通过大量的试验研究，确定了如下施工配比。坍落底：30 50 玻璃纤维掺量：V=1.5%每立方米混凝土材料用量配合比（单位：kg/m3）材料名称配合比（kg/m3）水2930.65水泥4501.00砂8151.86砾石6891.601.4 施工工艺与普通混凝土搅拌相比，玻璃纤维复合材料混凝土采用的配比有所不同，主要要求拌合料中要有较多的砂浆，以便能满足纤维的掺用量要求。由于天车道轨混凝土二次灌浆层厚度很薄，一般为 50 80 。因此，要求水泥含量高，砂子比例大，最大集料粒径小。为了避免纤维成团，防止纤维弯断，充分发挥纤维的

297、作用，采用强制式搅拌机搅拌，严格控制搅拌时间，采用人工播撒纤维。投料次序为：水泥中砂卵石GFRP 短纤维，分二次干拌，即水泥、砂、卵石充分拌合后，再投加纤维拌合，整个干拌时间 2 分钟左右，干拌完成后，再加水湿拌 23 分钟。浇筑时，采用人工摊铺，人工分层捣实，木搓搓平。该道轨自 1990 年混凝土二次灌浆至今，从未发现混凝土开裂脱落。2 结论GFRP 短纤维作为混凝土拌合料，可以增加混凝土的抗裂性和耐腐蚀性，替代素混凝土或含铅丝的混凝土，用于重级工作制天车道轨混凝土的二次灌浆，能很好防止二次灌浆层混凝土开裂、脱落，效果显著。特别是其优良的耐腐性能，在腐蚀环境下，用作混凝土构件的保护层，可以增

298、强其耐腐蚀能力，阻止和减小裂缝发生，提高结构的耐久性和可靠性。而且 GFRP（玻璃钢）短纤维取材方便，价格适中，具有其他材料无可比拟的优点，因此应用前景非常广阔。参考文献陆建业译,林振校.(英)D.J.Hannant：Fiber cements and fiber concretes中国建筑工业出版社，1986王晓春.钢纤维混凝土在上海虹桥机场候机楼高架桥面层的应用.建筑施工,1997/4,4089碳纤维加固技术在桥梁补强工程中的应用1引言运用碳纤维织物对混凝土结构进行补强，是近年来在发达国家运用的非常普遍的一门新技术。在美国、日本，上世纪 80 年代初就进行了这方面的试验研究，特别是日本，从

299、规范的制定到工程的广泛应用，使碳纤维加固技术已经变得相当成熟。我国于上世纪 90 年代末开始碳纤维加固技术的试验研究，并在近 23 年内在房屋建筑中有了一定数量的工程实践，但是在桥梁工程中应用极为有限，目前全国仅有区区数例。本次对北京市四环路上立交桥梁的盖梁运用碳纤维加固，在北京地区还是首次，加固的碳纤维面积近 400 ，目前国内还未见类似桥梁加固工程的报道。2 加固工程概况及加固方案的比选2.1加固工程概况本立交位于北京市北四环，为菱形首蓿叶互通式立交。建成于 1988 年。上部结构为预应力混凝土 T梁，中央隔离带内外侧分别为机动车道及非机动车道，对应的荷载标准分别为汽车-超 20 级、挂车

300、-120 和汽车-15、挂车-80。四环路成为城市快速路以后，需将原非机动车道改建为机动车道，并增建新的非机动车道。2.2 加固方案的比选由于改建后的原非动车道需提高荷载标准，非机动车道 T 梁必须直接更换。上部结构改建后荷载增加了，原盖梁已不能满足使用要求，也需进行相应的改造。原各中墩盖梁为两跨外加悬臂的变截面普通钢筋混凝土连续结构。由于盖梁在机动车道及非机动车道隔离带处没有断开，如何改建成了一道难题。拟考虑了以下几种方法：拆除重建。但因盖梁起承上启下的作用，必须首先中断半幅路的交通。先拆除桥面铺装，再拆除主梁间的现浇段，吊走主梁，最后拆除盖梁。但原机动车道的铺装层及主梁间的现浇段在拆除过程

301、中全部报废，盖梁也全部报废。施工周期长，工程费用过大且造成一定程度上无法避免的浪费。对于车流量极大的四环路而言，中断一半的交通也有很大的困难。将盖梁及墩柱之间用膨胀混凝土完全浇筑起来，形成一个连续墙结构。本方法虽然简便易行，也很经济，但效果难于预料。主要是新旧混凝土界面的粘结强度不高，混凝土的膨胀率不好控制，真实的受力状况很难与实际情况相符，形成连续墙后，各跨间视觉效果很差，也影响自然采光，并且增加了基础的恒载重量。喷射钢纤维混凝土和外包钢板。但主梁梁端在跨间处距盖梁外侧面仅有 5 距离，施工空间难以保证。采用新型的碳纤维得复合材料进行补强加固。主要利用它极强的抗拉强度（是普通级钢筋抗拉强度的

302、 10 倍以上），其弹模也与钢材相当。其自重轻，对原结构的厚度增加很小，加固后的表面可进行各种装饰喷涂。施工时不需要特殊设备及大型机械设备，不需中断交通。不需大的施工空间，施工周期短。费用比用钢材加固稍高。经过以上各方案的比选，最终选用碳纤维材料进行盖梁加固。3 碳纤维的各项力学指标及耐久性3.1 力学指标90/日本、美国的一些碳纤维生产企业在国内有很多代理，他们的产品质量不错，并且对施工进行技术指导。从已完成加固的工程量来看，很多项目均采用直接引进成品碳纤维，但费用较高。本次加固采用的碳纤维是从日本引进的原料丝，在国内进行编织生产，大大降低了费用。其各项性能指标已基本达到国外同类产品的水平，

303、可以满足工程的需要。其各项指标如下：碳纤维布性能CFC-20CFC-25CFC-30质量（g/）拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）拉剪强度（MPa）粘结强度（MPa）20010373023511.402.5625010393023511.402.5630010405023511.402.56根据对现况盖梁的受力计算，以及碳纤维布的力学性能及能够有效粘结的最大层数，最终碳纤维布选用 CFC-30 型。配合用树脂力学性能本桥梁加固施工必须在 6 月-7 月上旬完成，桥梁结构温度具有受季节及天气影响大的特点，各种配合碳纤维用的树脂粘贴剂必须满足此时的施工环境温度。为此，特意选用了适用于春夏季配方的

304、三种粘贴剂，其施工温度为 1020，固化温度为常温。主要力学性能见下表：表面树脂 SE修平树脂 RE浸渍树脂 IE拉伸强度（MPa）弯曲强度（MPa）压缩强度（MPa）拉剪强度（MPa）粘结强度（MPa）/2.2/7614.32.157.593.185.115.53.2 耐久性桥梁结构长期暴露在室外，平时有风霜雪雨的作用，以及阳光的直接曝晒。冬夏季温差大。大气中的二氧化硫含量高，冬季除冰盐的使用会增加结构物中氯离子的含量，因此，碳纤维材料在桥梁工程中的使用相对于民用建筑而言，提出了更高的要求。针对本桥应该满足的耐久性要求，我们在选择碳纤维布时严格要求其各项耐久性指标，主要有：暴露于户外的耐候性

305、抗紫外线性能多年加速暴露实验证实，碳纤维的强度和粘着性能在相当于 50 年时间内不发生劣化。通过红外线分光实验，确认内部环氧树脂完好无损。耐热、耐寒性复合材料在-54、23、82强度不降低。混凝土补强试件从-20至 50，3 小时内 10 次循环浸渍，抗弯曲强度不降低。耐水性70浸渍 30 天，抗拉强度、搭接强度不降低。耐化学腐蚀性91耐盐水腐蚀性能复合材料在 35盐水下，浸泡 1 年，强度不降低。耐酸性在 10%硫酸浸渍 3 个月后，纤维片、复合材料混凝土补强试件强度都不降低。耐碱性复合材料在 40氢氧化钙饱和盐水中浸泡 300 个小时后，强度不降低。4 碳纤维的施工工序由于碳纤维布弹模与钢

306、筋相近，故在施工时应尽量给盖梁卸载，来减少盖梁中的钢筋及混凝土的变形，确保加固后的盖梁钢筋受到的拉应力能部分传递给碳纤维，达到两者能同步协调工作，在最大荷载作用下，同时进入承载能力极限状况。在恒载及活载的作用下，盖梁中的钢筋及混凝土存在应力。由于现盖梁的上部结构只能部分拆除，也就是部分消除了恒载的作用。除恒载外，桥梁结构还承受车辆的活载作用，而车流量具有波动性。在夜间，车流量很小，对交通的影响也小，故我们选择在夜间禁止大吨位车辆通行及限制交通量的方式来降低活载对盖梁的作用力，同时，在此季节白天温度较高，夜间温度一般在 1020，非常适合粘贴剂的施工。施工工序如下：去除待加固部位的混凝土表面风化

307、层，并凿毛，露出新茬。施工面总体上要平整，并保持干净。将界面树脂均匀涂刷在施工面上，不可有遗漏。待其不粘手时，用修平树脂找平施工面。要求施工基面平整。待修平树脂不粘手时，在施工基面上均匀涂刷浸渍树脂，其厚度为 3 5 ，要求一定将树脂全部盖住施工基面。将碳纤维布拉紧展平，并铺在涂有浸渍树脂的基面上，然后用辊子滚压，排除布与树脂间的空气，并使浸渍树脂完全浸透碳纤维布。若发现有空气，应采取措施排除空气。要求滚压之后的碳纤维布要平直，同时布与树脂间无气泡。再涂一层浸渍树脂在碳纤维布上，并均匀盖住。其厚度一般为 1 2 。要求在确认碳纤维布与树脂之间无空气后，方可涂刷。养护 7 天后，表面涂刷具有抗老

308、化及耐腐蚀性能的防护层。最后做表面装饰层，使之与周围的混凝土相一致。加固位置见下页图 1：5 施工监测工程加固于 2000 年 7 月完成，施工后碳纤维布与盖梁表面粘结良好，取得了预期设计的效果。为了了解加固后的运行状况，我们一直对其进行跟踪监测，包括加固部位周边混凝土表面裂缝的观测。碳纤维表面防护层的颜色、密封性能、平整度的变化以及盖梁的挠度值等。通过近 1 年半的观测，数据分析结果表明所有的变化值均在设计许可的范围之内。6结语本补强方案直接为工程节约 2000 多万元，至于施工周期短、无施工机械设备、对交通影响小等优点而创造的间接效益更是无法计算。通过本次近 400 的碳纤维布在盖梁补强中

309、的成功应用，以及我们后来在卢沟新桥拱柱加固工程中的再次成功应用，表明该项技术在桥梁工程中是切实可行的，并有极为广阔的应用前景。由于国家尚无碳纤维桥梁加固技术的规程或规范，限制了该项技术的进一步发展，希望能尽快92123制定相应的技术标准，为桥梁的碳纤维加固技术提供更多、更好的技术保障。图 1参考文献岳清瑞,陈小兵,牟宏远.碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构新技术.工业建筑,1998,28(11)张剑.碳纤维布(CFRP)加固修复混凝土结构物的耐久性探讨.桥梁腐蚀防护与耐久性.2001.11张凤翻.混凝土结构加固修补用复合材料的选材和使用.中国首届纤维增强塑料混凝土结构学术交流会论文集.2000.693