嵌入FRP板加固钢筋混凝土工程研究

摘 要

　　土木工程结构在使用期间，由于材料出现腐蚀、老化和遭受地震等意外作用，结构出现了安全隐患。许多土木工程结构受到经济、文化等因素的制约，并不能拆除，对土木工程结构进行加固研究日益受到各界的关注。"嵌入式加固技术"是近些年兴起的一项加固技术，具有较好的发展前景。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic,FRP）具备轻质高强耐腐蚀等诸多优点，通过在待加固构件表面开槽，嵌入FRP材料，再使用环氧树脂结构胶使 FRP 与构件紧密结合，以达到提高建筑结构抗弯、抗剪承载力的目的。

　　本文通过六根试验梁（其中两根对比梁，四根加固梁）对嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的抗剪性能进行试验研究，考虑了FRP板间距、FRP粘结面积和箍筋间距三个参数，探讨了嵌入FRP加固梁抗剪的破坏机理，讨论了加固梁的荷载-挠度曲线，荷载-应变曲线和斜裂缝的开展情况，研究各参数对抗剪承载力的影响；总结了嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的破坏机理，推导出嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的计算公式，理论计算值和试验值吻合较好，为 FRP 嵌入式加固工程提供参考。

　　关键字：嵌入式加固；FRP,抗剪承载力计算；破坏模式

　　Abstract

　　During the normal use of the civil infrastructure, along with the corrosion degrading material of the structure, and the earthquake, the structure presents a safety hazard. Many structure are restricted by economic and cultural factors, and they cannot be dismantled. Research on structural strengthening of buildings has received increasing attention. "Near surface mounted" is a new and promising strengthening technology in recent years. Fiber Reinforced Plastic （FRP） has many advantages such as light weight, high strength and corrosion resistance, the concrete cover is grooved on the surface of the member to be strengthened. The FRP material is embedded, and the epoxy resin is put into the groove, and the component tightly combined to achieve the purpose of improving the bending and shear bearing capacity of the building structure.

　　In this paper, the shear behavior of reinforced concrete beams embedded with FRP plates is tested by six test beams （two of which are comparative beams and four strengthened beams）。 Three effect factors of FRP plate spacing, FRP bonding area and stirrup spacing are considered. The failure mechanism of the FRP strengthened beams is discussed. The load-deflection curves, load-strain curves and cracks of the strengthened beams are summarized. The influence of shear capacity is summarized. The failure mechanism of reinforced concrete beams strengthened with FRP plate is summarized. The ultimate-shear wad carry capacity is derived. The theoretical calculation value and experimental value are compared to determine the rationality of the formula.

　　Keywords: near-surface mounted; FRP; shear strength calculation; failure mechanism.

目录

　　第1章绪论

　　1.1混凝土结构加固的目的

　　作为土木工程结构的主要材料，钢筋混凝土的使用已有近两个世纪[1].在混凝土中加入适量钢筋，组成钢筋混凝土结构。由于两者之间存在粘结应力，受荷载后能协调变形，因此钢筋和混凝土这两种力学性能不尽相同的材料能有效地结合共同在结构中持载，两种材料的温度线膨胀系数相近。混凝作为钢筋的保护层，保证钢筋不受外界的腐蚀，同时能加强构件的防火性能。钢筋混凝土结构能合理利用两者力学性能的优势，能形成强度较高，刚度较大的结构。使用钢筋混凝土结构能保证结构的耐久性能和防火性能[2],可塑性好，灵活性强，整体性以及延性都优于以往的砖混结构，能在多震地区更好地抵抗外力作用，因此在土木工程领域中能得到广泛应用。随着时间的推移，国内外的钢筋混凝土结构工程大多已经历时弥久。

　　工程已存在不小的安全隐患，多年来结构的自身材料受到人为和自然环境的共同作用下，发生不同程度的老化和损伤。比如在持载过程中材料受到腐蚀进而导致混凝土结构损伤和破坏；混凝土的碳化、冻融和腐蚀等损伤；自然和人为灾害（如：地震、爆炸等）引起混凝土的破坏等。在我国，设计基准期一般是五十年，建国后建造的建筑物大多已超过五十年，对于这些建筑物从历史、文化、经济上的角度考虑，无法拆除重建[3],急需进行加固修复，以保证土木工程结构的安全性，因此结构加固工程应运而生。

　　钢筋混凝土结构是目前存在最多、应用最广泛的建筑结构。这些建筑物在使用过程中，建筑材料受到化学腐蚀等多方面因素的影响，建筑结构存在诸多安全隐患，结构的安全性无法保证。因为人为设计失误、偷工减料，缩短施工周期等问题，无法达到预期要求。针对这些建筑物要及时采取有效措施进行加固补强，避免发生安全事故。随着国民经济的飞速发展，结构加固产业拥有广阔的发展前景。

　　为响应我国节能减排的环保政策，推进绿色建筑发展，对已存在的建筑物进行加固修复，既能达到延长建筑结构使用寿命的目的，又能满足节能减排的国家战略，符合我国的绿色建筑理念。

　　1.2混凝土结构加固技术

　　混凝土结构由于受到酸碱盐等恶劣环境的侵蚀以及地震等自然灾害的影响，出于结构安全以及经济的原因，结构工程师们已在加固补强混凝土结构领域中进行了大量开发研究，已有多种针对建筑物的加固方法。传统的混凝土结构加固方法[4]主要有：（1）加大截面加固法[5]

　　该方法就是采用同种材料增加对原有的结构构件或建筑物的截面尺寸进而提高结构构件承载力和构件刚度的方法。该方法增加了构件的截面刚度并且提高构件的承载力，改变其固有振动频率，并在一定程度上提高正常使用阶段的性能。施工过程简易，适应性强，并具有成熟的设计理念及施工经验，经济可靠；其主要缺陷是加大构件自重及截面尺寸，加固后的建筑物使用面积可能减小，几何协调性差，明显减小建筑物净空间，现场施工的湿作业时间较长，对周边环境影响较大。

　　（2）粘钢加固法是一种使用结构胶粘贴在构件表面钢板加强结构构件的方法，粘钢加固法[6]在不增加构件截面尺寸的前提下，大大增大了结构的延展性及刚度，并且具备良好的完整性来提高承载力。该加固法的施工快速，且加固后不会影响原结构的外观；粘钢加固法使用的钢材数量大，湿工作量多，对施工要求较高，操作难度大。

　　（3）预应力加固法通过额外施加预应力钢筋[7],将预应力施加在钢筋构件上，对部分荷载进行承担，使得构件的承载力大大提高，并利用将挠度与缝宽的缩小来将结构的刚度增大。采用预应力加固既不增加试件的横截面，又不影响平面的视觉效果，能较大幅度地提高结构整体承载力，加固成本较低，加固效果较好。

　　但该加固法存在应力超前和滞后的问题，初始构件受预应力出现压缩变形使其控制张力的影响很大，难于精确控制，并产生反拱效应，因此不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。

　　（4）增加支点加固法增加支点法[8]是通过增加诸如梁和板之类的构件下的支点的数量，来减小计算构件的长度和变形，并将构件在进行受力时的弯距与荷载效应减小，使得构件的承载力大大提高，也可以将其裂缝的宽度缩小，这样就能显著改善结构的稳定性。结构的稳定性得到显著改善，支点主要分为两种类型：刚性和弹性，并用于不受限制的梁、板、桁架等。

　　（5）增设构件加固法增设构件法[9]是在原始结构中的添置新部件，并降低原始构件的受力作用面积，从而达到结构加固的目的。此种加固方法施工时对原有结构保护较好，操作上简单便捷，但是要注意会对原结构产生一定程度上的影响，该方法通常用于增强对于使用功能无具体要求的结构或是大跨度结构的加固。

　　（6）绕丝法这种结构加固方法是将钢丝缠绕在混凝土构件周围，同混凝土协调作业以提高承载能力。它适用于混凝土结构构件抗剪承载能力不足，或者受压构件需要添加横向约束时采用，施工限制因素多，不易操作。

　　（7）置换混凝土加固法[10]

　　该方法主要适用于加固混凝土承重构件，例如构件受压区强度不够或缺陷严重的的梁和柱。优点类似于前面加大截面的方法，并且加固后对原建筑空间的影响较小，但建筑也面临着长时间湿作业的不足。

　　上述方法在一定程度上均能达到改善结构功能并且提高极限承载力的目的，但也同时存在以下缺陷：

　　①结构自重增加了，节点不易处理；②影响了建筑物的外观和使用和功能；③耐疲劳性差，结构功能不能发挥作用；④施工周期较长施工质量难以保证，影响施工进度。

　　采用新型复合材料（FRP）对混凝土结构进行加固已经逐步取代传统加固法，复合材料加固法具有诸多传统加固方法（如预应力加固法、粘贴加固法等）不具备的特性，能弥补传统加固法的缺点。在欧美日等发达国家或地区，已经开始采用粘结碳纤维增强聚合物的方法对建筑物进行加固补强。复合材料加固后优势在于原始构件的尺寸基本上不改变，几乎不增加结构自重、适用于桥、梁、楼板等结构，施工工艺较为简单且加固效果明显提高，在工程界应用广泛，发展规模逐步壮大，目前，采取新型复合材料加固构件已经成为结构加固的第一选择。

　　我国在复合材料加固领域内起步较晚，但发展速度很快。到了上世纪末期，我国有关学者针对FRP复合材料在建筑结构加固的应用领域展开研究，实际建筑工程中已有相关成果被采用，我国住建部于2003年首次颁布《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、《建筑抗震加固技术规程》等相关规范[11],再一次证明了FRP这一新型复合材料的优越性，可以在建筑工程、桥梁工程和岩土工程中广泛应用。

　　1.3FRP材料特性纤维增强

　　复合材料[12]（FiberReinforcedPlastic）是近几十年来土木工程中发展起来的一类新型结构材料，由碳纤维（Carbon）、玻璃纤维（Glass）、芳纶纤维（Aramid）等纤维材料与基体材料（树脂）按一定比例混合，按照特定的加工工艺形成的高性能型材料，新型复合材料具有比强度高、抗腐蚀、抗疲劳性能好、和良好的可设计性、绝缘等特性，能满足结构加固的要求。下表1-1为各种类型的FRP材料性能。

　　近些年，FRP原材料价格和制作成本逐渐下调，加工工艺日渐成熟，采用FRP复合材料适用于新建结构和原有结构的加固中，对建筑结构进行加固已经成为国内外加固领域的首选。各国已有相关成熟的设计规范可供参考，比如美国混凝土协会ACI440.1R?06《FRP筋增强混凝土结构设计与施工规范》[13]、ACI440.2R?08《FRP外粘结加固混凝土结构设计与施工规范》，我国在2003年出台的《纤维片材加固混凝土结构技术规程》[14].

　　FRP材料具备有以下性能特点[15]:

　　1.抗拉强度高，FRP材料的抗拉强度明显比钢筋的抗拉强度强，一般是普通钢筋的3倍甚至10倍，FRP材料在达到抗拉强度前几乎不产生塑性变形，因此FRP材料可用于住宅桥梁等结构构件中提高构件的抗弯和抗剪能力。

　　2.抗腐蚀性好，FRP材料抗腐蚀性能好，可无需考虑腐蚀问题，能在酸、碱及潮湿的环境中稳定使用，尤其是在寒冷地区和海港，使用FRP结构来抵抗除冰盐的腐蚀，可大大降低维护费用并延长结构寿命，这是普通结构材料无法比拟的。

　　3.高强重量比，FRP材料轻质高强，相对密度在1.5~2.0之间，其重量是普通钢筋的五分之一，能减轻结构自重，并提高施工作业效率。

　　4.绝缘、隔热及电磁波，热膨胀系数与混凝土接近，当环境温度发生变化时，FRP复合材料能与混凝土相互协调，两者之间的温度应力相差不大，能提高材料与混凝土的粘结应力。

　　5.结构稳定，开裂少。FRP材料添加预应力使结构在正常使用的情况下不产生裂缝或者开裂得较晚。

　　6.FRP筋与传统钢筋材料及设计区别钢筋在混凝土结构中受力存在屈服状态，而FRP材料则是线性行为，没有屈服的状态，同时FRP筋的弹性模量小于钢筋的弹性模量，而FRP材料抗拉强度是钢筋的5倍以上，因此FRP加固砼结构受力所产生的裂缝宽度和挠度对比钢筋混凝土结构要大得多，为了利用混凝土的非线性特性来提供足够结构预警，FRP筋往往采用超筋的设计理念，使结构在断裂前提供充分预警。

　　1.4两种FRP加固技术比较

　　FRP纤维增强复合材料凭借自身轻质高强，耐腐蚀性强，施工便捷，可设计性强等多种特性近年来在建筑结构工程得到广泛关注及应用。随着工艺流程的进步和更新，FRP的制作成本也在逐渐降低，在定期需要结构加固的建筑、桥梁、隧道等结构工程中采用FRP加固比采用钢筋加固性价比更高，对于提高建筑结构的抗弯抗剪效果更明显。国内外已有多项采用FRP加固的实例。

　　FRP加固混凝土结构的加固方式按照加固位置分为外贴加固和嵌入式加固，下面对这两种方法进行介绍。

　　表面粘贴FRP加固法[16]

　　该方法是将纤维增强复合材料（主要是纤维织布材和纤维板材）配合结构胶粘结在待加固的混凝土结构表面进行加固补强，也被称作外贴纤维复合材料法。材料是以碳纤维、玻璃纤维等复合材料为主，该方法能提高加固构件的截面抗弯、抗剪承载力，加固后能进一步加强构件的结构稳定性。表面粘结法使用的纤维材料轻质高强、耐疲劳、耐腐蚀、施工便捷、工效高，可在多种形状的结构构件上加固。工程上常用的表面粘贴加固方法[17]有三种：（1）侧面粘贴（2）U形粘贴（3）包裹粘贴。如图1-2所示：

　　表面粘贴FRP加固法存在以下的缺点：

　　（1）FRP材料通过结构胶外贴在构件表面上，相当于FRP材料直接与外部环境接触，容易受到日照、高温、高湿度、腐蚀的环境因素影响，也易受到外力的撞击破坏；

　　（2）防火性差，这是表面粘贴法不可避免的问题所在，由于加固胶防火性较差，这是表面粘贴FRP加固方法不可避免的问题；

　　（3）由于使用表面粘贴法对养护要求较高，即使养护完成后也很容易发生剥离脱落的现象，导致采用表面粘贴的构件加固质量较差；因此，近些年来有关学者[18]提出了"嵌入式加固技术"Nearsurfacemounted简称NSM）。

　　嵌入式加固法[19]是在待加固构件表层开槽，将FRP材料填入其中，最后灌入粘结剂保证FRP材料与结构构件紧密结合，填平凹槽的方法。嵌入式加固法在养护一段时间后能达到提高构件抗剪和抗弯承载力的目的。嵌入FRP材料的加固法具有施工及养护周期短，施工工艺要求较低的特点；FRP材料嵌入构件内部能有效避免材料受到外界（如高温、外力）的不利影响；而且克服了表面粘贴法难以在温度高、湿度大的环境下施工的弱点；安装时便于与相邻构件锚固。

　　与FRP表面粘贴法相比嵌入式加固法具备以下优势[20]:

　　（1）采用嵌入FRP加固法，由于FRP材料完全嵌在混凝土内，能避免FRP材料与外界接触，能最大限度发挥FRP材料的强度；由于FRP材料与混凝土的粘结面积增加，材料与原构件粘结性更好，这样有利于FRP材料加固效率的提高，同时减少构件的表面处理工作量，节省时间；

　　（2）采用嵌入FRP加固法，可以用材料性能更好的结构胶或粘结剂代替环氧树脂，应用于环境恶劣的结构加固工程中。

　　（3）能提高构件的防火性、耐腐蚀性。

　　参考LauraDerenzis[21]等人嵌入FRP板条加固法对钢筋混凝上梁进行的相关试验，试验结果显示，被FRP板嵌入加固的构件梁的抗剪承载力比同条件下未加固的构件梁抗剪承载力有大幅度提升。可见，嵌入FRP加固法能明显提高结构构件的极限承载力。

　　1.5 嵌入式加固的发展情况
　　1.5.1 嵌入式加固的国内外现状
　　1.5.2 嵌入式 FRP 抗剪加固计算公式
　　1.5.3 影响嵌入式 FRP 加固混凝土梁抗剪性能的因素
　　1.6 本文的主要研究目的与内容
　　1.7 本文小结

　　第 2 章嵌入式 FRP 加固混凝土梁受剪性能试验研究
　　2.1 试验概况
　　2.1.1 试件的参数选择
　　2.1.2 试件制作
　　2.2 试验加载装置与试验测试内容
　　2.2.1 试验加载装置
　　2.3.2 试验记录内容

　　2.4 材料的力学性能
　　2.4.1 混凝土强度
　　2.4.2 钢筋性能
　　2.4.3 FRP 板性能
　　2.4.4 粘结剂性能指标
　　2.5 控制梁抗剪承载力的计算
　　2.6 抗剪承载力的基本假定
　　2.7 本章小结

　　第 3 章 试验过程与结果分析
　　3.1 对比梁 BS1
　　3.2 加固梁 BC1
　　3.3 加固梁 BF1
　　3.4 加固梁 BF2
　　3.5 对比梁 BS2
　　3.6 加固梁 BF3
　　3.7 实验结果分析
　　3.8 本章小结

　　第 4 章嵌入FRP板加固混凝土梁抗剪承载力分析
　　4.1 普通钢筋混凝土梁受剪破坏机理和公式计算
　　4.1.1 有腹筋钢筋混凝土梁的受剪破坏机理
　　4.1.2 有腹筋钢筋混凝土梁的受剪计算
　　4.2 嵌入FRP加固混凝土梁受剪破坏机理和计算
　　4.2.1 嵌入FRP加固混凝土梁的受剪破坏机理
　　4.2.2 影响嵌入FRP加固混凝土梁的主要因素
　　4.3 嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的公式推导
　　4.4 本章小结

　　第 5 章 结论与展望

　　5.1 结论

　　本文通过 6 根试件的试验和理论分析，通过对FRP间距、FRP粘结面积和箍筋间距这三个试验参数对嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的抗剪性能进行试验研究，并讨论了嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁的破坏过程、斜裂缝发展情况、梁的破坏机理，极限抗剪承载力的分析等，并在此基础上推导出嵌入FRP加固钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算公式，得到以下结论：

　　1. 通过实验表明，嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁能有效提高未加固构件梁的抗剪承载力。FRP加固率，箍筋配筋率均能对抗剪承载力的提高起到一定的积极作用；嵌入FRP板加固后的混凝土梁能延缓限制斜裂缝发展，提高构件梁截面抵抗变形的能力，增强了梁的延性。应用到实际工程中，能达到延长建筑物使用寿命的目的。本试验采用的是结构胶，其强度较高，在保证不发生弯曲破坏的前提下，构件梁的破坏模式主要是剪压破坏。

　　2. 嵌入FRP板的作用机理与箍筋相似，故引用FRP加固率，发现FRP加固率和构件极限承载力提高幅度呈正相关，缩小FRP板间距能提高构件梁的极限承载力，采取双板加固比缩小FRP板间距更能提高构件梁的极限承载力；嵌入FRP板的加固梁在加固率相同的前提下，箍筋间距的大小在配筋率较低时，影响不大。

　　3. 考虑到FRP应变在高度上分布的不均匀性，在推导加固梁的极限抗剪承载力公式时，对FRP板的应变进行折减；本文采用协调压力场理论推导出嵌入FRP板加固钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算公式，与本试验及相关试验结果吻合度较好。

　　5.2 展望

　　采用嵌入FRP板对钢筋混凝土梁进行抗剪加固是目前结构加固工程中较新颖的加固方法，优点明显，有广阔的应用前景，而相关的研究目前国内外还没有适用性较广的统一结论，本文仅对构件梁的三个影响参数进行研究，仍有许多问题需要进一步研究：

　　（1） 本试验应考虑预加荷载情况下对抗剪加固的影响，现有的试验结果不能广泛应用于实际加固工程中。

　　（2） 由于试验条件有限，在对嵌入FRP板的混凝土梁进行抗剪加固时，还应该制作同样尺寸的构件梁进行表面粘贴法加固，作对比分析。

　　（3） 尺寸效应、剪跨比、FRP嵌贴角度、混凝土强度等因素都能对嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪性能产生影响，相关因素需要更多试验探索研究。

　　（4） 本试验所推导公式得到现有数据的验证，公式能否应用于更多的嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪计算中还需要更多试验数据支持；同时加固梁抗剪性能中FRP板的最优间距，箍筋最优间距需要更多的试验加以验证。

　　以上存在的问题，仍需大量试验数据区验证嵌入FRP板加固混凝土梁的抗剪设计公式，以便将来更好地为加固工程服务。

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致谢

　　行文至此，百感交集，三年来的硕士生涯已到尾声，在此特以致谢：

　　本文从准备到结稿，离不开硕士导师 XX 教授的细心指导；感谢王勃老师的悉心栽培，王勃老师对待工作的态度，对待学术的严谨，对待学生的友善，对待生活的积极……每一项都深深影响着我，是我未来的楷模，由衷感谢王勃老师三年来为我们的付出。

　　感谢三年来同门的同学们，是我们的互助互进，和对学术的坚持让我们走到了最后，没有你们的帮助，本文也不会顺利完成，三年同窗，此生不忘，在此感谢我的同学们，他们是：李凌硕士、董元正硕士、邢建国硕士、马震浩硕士、蒙 博硕士。

　　感谢我的父母二十年多来对我养育，在求学路上对我无条件的支持，你们是我永远的依靠；感谢多年来共处的朋友，你们是我人生的财富；感谢我的女朋友，十年后重遇，这份来之不易的感情我会倍加珍惜。

　　在此，谨向在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家和教授表达最真诚的谢意，谢谢你们提出宝贵的意见和建议。

　　最后感谢我的母校吉林建筑大学，七年校园生涯，获益良多，愿母校的未来越来越美好！

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