CFRP与钢板复合加固优越性分析

摘要：根据结构的受力特点和有限单元法的知识，通过对八根简支梁的有限元非线性分析和研究对比。在不同的混凝土强度、CFRP用量、纵筋直径的情况下对复合加固梁的开裂荷载、钢筋屈服荷载、钢板屈服荷载、极限荷载、梁的荷载挠度曲线、钢板与碳纤维布的应力-应变分布等抗弯性能的进一步研究，并将有限元分析结果与相应的试验数据进行比较。发现复合加固梁的性能明显优于用单一材料（CFRP或钢板）加固的梁。

关键词：CFRP，钢板，复合加固，优越性

中图分类号： TU511.3+5 文献标识码： A

前言

随着我国经济的快速发展，人民的生活水平得到了极大的提高。一方面，过去建造的标准比较低的建筑经过数十年的使用后已不能满足社会的需求，需要进行对其维修、加固和现代化改造。另一方面，大量的新的建筑在不断建设以满足人们的需要。同时，有很多因素会缩短现有建筑结构的使用寿命，其中主要包括：物理老化、化学腐蚀、社会需求的变化、设计标准的提高、原结构设计的更改、使用环境的变化、自然灾害（风灾、火灾、地震）意外损害等等。在我国经济的不断发展过程中，一些建筑为了商业用途或者别的原因需要进行改建、扩建和加层，还有一些重要的历史性建筑、有纪念意义的建筑需要进行维修和保护。这些出现问题的结构，实际情况并不允许将其全部推倒重建，而只能采取适当的技术措施。现今，对现有钢筋混凝土结构进行补强与加固越来越受到国家有关部门和工程技术人员的重视。其具有投资少、工期短、空间省、影响小、见效快等优点。通过补强和加固，使这些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求，使其能继续为社会服务。

一、对碳纤维布加固技术及粘钢加固技术的综述

这两种粘贴加固技术都有其相对优势且国内外对这两种加固方法大量的研究，可以说发展到今天这两种加固方法已成为比较成熟的技术了。但经过理论分析和实践检验，我们也可以发现两者均有其不足之处。与普通钢筋混凝土受弯构件相比，在满足适筋梁的前提下，粘钢加固可以大幅度提高构件的整体刚度和承载力；由于钢板的弹塑性特征，粘钢加固还可以保证构件在破坏过程中始终保持较好的延性，且能有效控制混凝土裂缝的开展。但钢板一般较厚，不易采取多层钢板进行加固，且钢板易受环境影响而锈蚀。对于用CFRP加固构件，尽管CFRP的抗拉强度是钢板的十几倍并且能大幅度提高构件的承载力，但加固后构件的延性就下降了很多。同时由于纤维材料的脆性性能，其破坏具有一定的突发性，并且CFRP加固构件时不易锚固，容易造成端部剥离破坏。但CFRP材料耐腐蚀性较强。因此，为了更好的利用这两种加固材料的优点，在基于前人实验研究的成果上，用两种材料对钢筋混凝土梁进行复合加固，并对梁的抗弯性能进行非线性分析和研究。

二、CFRP与钢板复合加固技术概述

目前，国内外对结构加固技术的研究多集中在外粘CFRP加固技术或外粘钢板加固技术上，而对采用两种材料或多种材料复合加固的研究很少。国内对采用钢板与CFRP复合加固钢筋混凝土构件做过系统研究的当属武汉大学的卢亦焱和周婷等人。通过实验研究，他们得出了复合加固钢筋混凝土梁在各种破坏形式下的承载力公式，对梁的刚度和变形也作了深入的研究。

但实际上，虽然碳纤维材料在加固过程中可以充分利用其强度高、重量轻的特点来提高构件的承载力，但试验证明FRP材料为脆性材料，用于加固时，FRP的脆性性能会对结构性能产生以下两点重要影响：第一、FRP材料不像钢筋那样具有延性，其脆性性能会限制加固后钢筋混凝土结构的延性（但当FRP材料用于约束柱加固时，可大幅度提高柱子的承载力和延性）。第二、FRP材料的脆性性能会限制应力的重分布。而粘贴钢板加固可使混凝土结构的延性得到较好的改善，且易于锚固，但粘钢加固对于构件承载力的提高受到钢板厚度以及层数的限制并且容易锈蚀。所以，通过粘贴钢板和碳纤维布对构件进行复合加固，既可以大幅度提高构件承载力，又可弥补碳纤维材料加固后截面延性降低的不足。对其加以试验研究具有很好的理论意义和工程实用价值。

三、CFRP与钢板复合加固技术分析

CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土粱是由五种不同的材料——混凝土、钢筋、钢板、粘结树脂和碳纤维布组成的组合结构。

CFRP与钢板复合加固梁作为一种新的加固形式，国内外对此研究很少。为了弄清CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能和破坏机理，可以采用有限单元法，以现有的有限元分析软件（ANSYS）为操作界面，提出一种建立CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁的有限元方法，据此方法建立复合加固梁的有限元模型，通过对八根梁的有限元模拟分析并加以对比，对加固梁的开裂荷载、钢筋屈服时的荷载、钢板屈服时的荷载、极限荷载、梁的荷载挠度曲线、钢板与碳纤维布的应力-应变分布等做进一步的研究，并将有限元分析结果与相应的试验数据进行比较。通过建立有限元模型及计算可以得出以下结论：

1.研究表明：非线性有限元方法能较好的模拟复合加固梁的受弯破坏全过程。

2.通过有限元值与实验值的对比，发现在极限荷载方面，有限元值基本上要比实验值小，但两者间的误差基本上在5%以内，说明本文建立的复合加固梁的有限元模型是正确的。

3.钢筋混凝土梁经CFRP与钢板复合加固后，其混凝土开裂荷载、钢筋屈服时荷载、梁的极限荷载均得到大幅度的提高，且比用单一材料（CFRP或钢板）加固钢筋混凝土梁效果要好。

4.混凝土强度等级对CFRP与钢板复合加固构件的极限承载力有明显的影响，混凝土等级由C20到C30，构件极限承载力提高了19.2%。在不同混凝土强度等级下，复合加固在钢筋应变为达到0.002之前，两者的荷载应变曲线比较接近，也即混凝土强度等级对钢筋的应变影响比较小，但在钢筋应变为0.002之后，混凝土强度等级对钢筋的应变影响较大。

5.构件外粘一层钢板和一层CFRP后，构件的极限承载力有明显的提高；但再在此基础上粘一层CFRP对构件极限荷载的提高不明显，只提高了6.0%。

6. 在相同混凝土强度等级下CFRP与钢板复合加固的梁在混凝土开裂后，在应变0.002之前，相同的钢筋应变下，复合加固比单一材料加固特别是CFRP加固构件的承载力要高很多，即使在承受很大荷载时，复合加固构件的钢筋荷载应变曲线仍然为线性增长阶段即处在弹性阶段而此时用单一材料加固的构件的钢筋应变已经很大了。说明复合加固在大幅度提高构件承载力的同时，还能减小钢筋的应变也即提高了构件抗破话的能力，安全储备较高。

7.在相同混凝土等级下（C30）下，增加纵向受力钢筋的面积虽然能大幅度提高构件的极限荷载和钢筋屈服时荷载，但构件的延性降低了，且破坏源自于受压区的混凝土压碎和受压筋屈服，属于脆性破坏。

8.CFRP与钢板复合加固能有效控制构件裂缝的开展，从八根梁极限时刻的裂缝图可以看出，CFRP与钢板复合加固构件的裂缝密度和沿截面高度方向的裂缝高度及沿梁长度方向的裂缝长度均比用单一材料加固的构件要大。

结束语

研究表明，CFRP与钢板复合加固梁能有效地提高梁的极限荷载和控制构件裂缝的开展，且能大幅度提高梁的整体刚度和减小变形。通过对复合加固梁正截面受弯性能的非线性分析和对比研究，发现复合加固梁的性能明显优于用单一材料（CFRP或钢板）加固的梁。

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