FRP加固混凝土结构的设计方法

FRP加固混凝土结构的设计方法’ 叶列平 (清华大学土木工程系，北京 100084) 摘 要 本文通过混凝土结构设计方法的发展历史、钢筋混凝土结构与FRP加固混凝土 结构达到承载力极限状态时受力特性的差别，并参照国外有关设计方法，讨论了 FRP加固混凝土结构设计方法的合理思路，同时提出有关建议。 关健词FRP s I lk土结构加固，设计支法，极哪态 1 混凝土结构设计方法的发展 结构工程中存在着各种不确定性，在设计中需要全面考虑这些不确定性对结构安全性能和经 济性的影响，以取得两者之间的均衡，使结构设计既安全可靠，又经济合理，这就是结构设计方法所 要研究的问题. 随着对结构工程中不确定性问题认识和对结构受力性能研究的不断深人，混凝土结构的设计 方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、极限状态设计法和以概率理论为基础的极限状态设 计法四个阶段。 (1)容许应力设计法 在混凝土结构发展的早期，是按弹性理论确定结构的受力，相应采用的容许应力设计法，即认 为结构中任一点的应力超过容许应力，就认为结构失效，设计 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为 。、〔:一fK (1) 式中，容许应力卜〕是以材料的强度f除以一安全系数K得到的。容许应力设计方法使用了很长 时间。目前，我国一些部门(如铁路桥梁 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 )和一些国家(如日本)仍采用这种方法。 随着对混凝土结构受力性能的认识不断深人，人们发现钢筋混凝土结构的受力性能不是弹性 的，结构中一点达到容许应力结构并未失效。因此有必要采用考虑混凝土结构弹塑性受力特性的 设计方法。 (z)破损阶段设计法 考虑钢筋混凝土构件达到破坏极限状态时的弹塑性特性，20世纪30年代，前苏联学者格沃滋 捷夫等提出按构件破坏时的承载力进行设计的破损阶段设计法，对于钢筋棍凝土梁的受弯情况，设 计表达式为 (2) 与容许应力设计法的区别在于，破损阶段设计法以整个截面达到极限承载力为依据，其中考虑了材 料的弹塑性性质和强度的充分发挥，在此基础上再引人安全系数K,截面极限承载力可以直接由 荷载试验得到验证，构件的总安全度较为明确。但破损阶段设计法仍然存在安全系数K凭经验确 定的问题。 (3)极限状态设计法 对于钢筋混凝土结构，由于达到极限承载力时，构件的变形和开裂十分大，因此按破损阶段设 863项目(项目编号:2001AA336010资助 .67 . 第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会 2002.7 中国 昆明 计法虽然可保证结构的安全性 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，但还应考虑结构在正常使用情况下的工作性能 为此，20世 纪50年代格沃滋捷夫在破损阶段设计法的基础上又提出了极限状态设计法。 对于承载力极限状态，针对荷载和材料变异性的不同，又进一步采用多系数设计表达式。 弯承载力计算为例，设计表达式可写成 、，。 、行 、，t九 f,r。 二二 二八 -kz.q,y,k少簇‘以·(k, 'k,’ '’口’““’ ) 以受 (3) 其中，材料强度f*和大*是根据大量试验数据统计后，按一定保证率确定的一下限分位值，反映了 材料强度的变异性。荷载值4,*也尽可能根据各种荷载的实测统计资料，按一定保证率确定的一上 限分位值。荷载系数气，、材料强度系数k‘和k仍按经验确定，但考虑了不同荷载和不同材料变异 性的大小，取不同的荷载系数和材料强度系数。 (4)基于概率理论的极限状态设计法 极限状态设计法比容许应力和破损阶段设计法有了很大进步，但仍然对结构可靠度缺乏明确的 科学定义，即其中的荷载系数人，、材料强度系数k和k仍凭经验确定。为了科学定量地表示结构可 靠性的大小，近年来提出采用概率方法来定义结构的可靠性。结构可靠性的概率度量称为结构可靠 度，一般采用失效概率尸，(或可靠指标)来表示。当失效概率小于某个限值时，人们因结构失效的可 能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率〔尸月。 应该说，极限状态设计方法可以较好地适应钢筋混凝土结构对不同受力阶段的性能设计要求。 而基于概率理论的极限状态设计方法仅是在理论上给出了可靠度更科学的解释，在实际设计方法中， 概率理论仅作为一种手段，有关荷载和材料分项系数是采用校准方法，按照以往的工程经验确定。 本文以下主要讨论针对承载力极限状态的设计方法。 2 FRP加固混凝土结构的破坏特征 对于钢筋混凝土结构，在各种承载力极限状态，钢筋和混凝土均达到各自的强度，也即材料的 强度是被充分利用的。而对于FRP加固混凝土结构来说，FRP材料为弹脆性材料，各种受力加固 方法中，FRP材料的强度利用程度有很大差别，与其极限抗拉强度并无直接关系，这就给传统的极 限状态设计方法提出了新的问题。 另一方面，配筋合适的钢筋混凝土构件，其达到极限承载力之前往往表现出较好的延性。而 FRP材料如果充分利用其极限强度，则会表现出明显的脆性特征。这种破坏特征对结构安全度的 影响也是需要在设计方法中给予考虑。 为此，先看几个受力情况下FRP加固混凝土构件的受力特征。 (1)梁的受弯加固 图1为一组在梁底粘贴CFRP布受弯加固梁的荷载一挠度试验结果 p(kN) 梁。BI梁最终是因梁底 达到 极 限 承 载 力 时 ，其中B6梁是未加固对比 CFRP布产生剥离而破坏， CFRP 布 的应 变 达 到 6 244ke。虽然承载力比B6梁有显著提高，但极限 荷载低于按平截面假定计算得到的理论值。剥离破 坏一般先从加载点附近斜裂缝处开始，但发展得极 为迅速，几乎观察不到其发展过程。 B7, B8和B9梁的CFRP加固量与BI梁相同， 但在剪弯段布置了CFRP布 U形箍，以提高梁底 CFRP布的抗剥离能力，其中B8梁因U形箍量大， 最后梁底CFRP布在跨中被拉断，强度得到充分发 挥(达到极限承载力时，CFRP布的应变达到 ? ? ? ? ?? ????? 10090 ):理论承救力 6050 :: :: 10 20 30 图l 荷载一挠度曲线 r(..)40 68 第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流全 2002.7 中国 ·昆明 10 8671Re)，但由于CFRP布的弹脆性性质，梁底CFRP布拉断后梁的承载力很快降低，脆性特征十 分显著。 以上试验是对配筋率较小梁采用CFRP布加固的情况。另一方面，根据文献[1」的理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ， 对于配筋率较大的梁或梁底CFRP布加固量较大时，即使不发生剥离破坏，梁底CFRP布也不会 达到其极限强度，而是因受压区混凝土压坏而达到极限承载力。 (2)柱的受剪加固 图2为CFRP布封闭缠绕混凝土方柱受剪加固试验的荷载一侧移滞回曲线。虽然试验最终因 为CFRP布达到其抗拉强度而完全破坏，但对应最大受剪承载力时，CFRP布的强度并未充分发 挥。根据文献仁2〕的研究，达到最大受剪承载力时，CFRP的应变值与剪跨比、加固量和轴压比等因 素有关.其值约在CFRP极限拉应变的((0.4^-0.7)倍之间变化 因此当考虑受剪承载力极限状态 时，必须要确定对应最大受剪承载力时CFRP布的应变，文献〔2〕对此有详细分析。 Vjbho Vm,x 147AN V f,,bho V??r 147AN Vf,bbo V，=147.4kN $(X101) R(X10 图Z CFRP加固混凝土柱受剪试验荷载一侧移滞回曲线 此外在采用FRP布对梁进行受剪加固时，常采用U型箍形式，这种加固形式往往因剥离破坏 而达到极限受剪承载力。因此确定剥离破坏时U型FRP箍的应力发挥水平，是这种受剪破坏承 载力计算的关键。 (3) FRP约束混凝土柱 在柱的抗震加固中，通常采用封闭缠绕约束混凝土的加固形式。图3为一组FRP布约束混凝 土方柱的应力一应变关系。由图可见，FRP约束混凝土柱可显著地提高其抗压强度和变形能力，试 件的最终破坏是由于FRP布角部应力集中部位的突然断裂，丧失了对混凝土的约束，混凝土被压 溃。图4为破坏时试件侧面FRP布的应变分布，可见应变分布是不均匀的，因此在计算FRP布的 约束效果时同样存在一个FRP布的应力发挥程度问题。另一方面，由于FRP的弹脆性性质，破坏 具有明显的突然性。因此，虽然从应力应变曲线上表现出FRP约束混凝土柱具有较好的延性，但 这种延性并不能完全利用，而要考虑其脆性破坏特点，留有一定的余度。 平均应力a,(MPa) -一「EA O TFCT PRP%RP 10 co 1 cm i 口CM2 [CM3 ICM4 C M4CM3 CM2(IM I ? ? ， ? ? ? ? ?应变,IOIFte) 0 4 8 4 8 4 8 4 8 12 巾部 图 4 FRP 角部 图3 FRP约束馄凝土方柱应力应变曲线 布应力沿侧边分布(FEA) (4) FRP加固混凝土构件承载力极限状态 由上述几种FRP加固混凝土构件受力性能的试验和分析可知，承载力极限状态必须考虑 69 2002.7 中国 ·昆明第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学水套途全 FRP材料的以下两个受力特点: ①达到最大承载力时，FRP一般并未完全发挥其极限抗拉强度，必须根据不同受力特点，确定 FRP材料相应所达到的有效应力值，才能合理地计算FRP对相应承载力的贡献; ②无论是由于FRP拉断、还是剥离破坏，最终破坏具有明显的脆性特征，必须考虑这种破坏 的脆性性质，给予一定的安全储备。 由以上第①个受力特点可知，仅仅采用材料强度标准值和材料强度分项系数给出材料强度设 计值的方法来保证结构抗力的可靠度是不合适的。 3 国外FRP加固混凝土结构设计方法 随着近年来FRP加固混凝土技术应用的迅速发展和研究，国外发达国家均制定了有关设计和 施工规程或指南，如美国混凝土协会(ACI)的“体外粘贴FRP加固混凝土结构的设计与施工指南 2000";日本土木工程协会(JSCE)的“连续纤维片材加固修复混凝土结构指南”、日本建筑学会 (AID的“建筑结构采用FRP抗展加固设计与施工指南”、日本建筑防灾协会的“采用连续纤维补强 材料对既存钢筋混凝土和钢骨混凝土建筑结构抗展加固的设计与施工指南2001";国际预应力混 凝土协会(FIB)的“粘贴FRP加固混凝土构件设计指南”;加拿大标准协会(CSA)的“采用FRP建 筑构件的设计与施工标准”。以下分别介绍国外FRP加固混凝土结构的有关设计规程或指南中的 设计方法。 (I)美国ACI-440指南 ACI-440指南指出FRP的材料性能指标应由材料供应商给出，并具有一定保证率。这些材 料性能指标是在短期试验条件下得到的，没有考虑长期环境作用对材料性能的影响。因此，在设计 时FRP材料性能指标的设计值应考虑环境暴露情况给予折减。以FRP抗拉强度为例，其设计 值为 ff.=Csf i} (4) 式中，f、为FRP材料抗拉强度设计值;介为FRP材料供应商提供的具有一定保证率的抗拉强度; CE为环境影响降低系数，见表1, 衰1 FRP材料的环境影晌降低系数 环境 条 件 纤维类型 环境影响降低系数CE 室内环魔 CFRP 0.95 GFRP 0. 75 AFRP 0.85 室外环境(桥梁、桥墩等) CFRP 0.85 GFRP 0.65 AFRP 0.75 侵蚀性环境化工厂、废水处理厂等 CFRP 0.85 GFRP 0. 50 AFRP 0. 70 该指南的设计方法是基于ACI混凝土结构极限状态设计方法(ACI 318)以及对FRP材料力 学性能的基础给出的。ACI 318中承载力极限状态计算表达式为 Aw.成奴， (5) 式中，w，为荷载标准值(nominal load) ; l为荷载系数;R。为构件承载力标准值(nominal resistance capacity)逆为承载力降低系数，对于受弯承载力，$--0. 9, 在ACI-440指南中，其荷载及其分项系数仍按ACI 318确定;构件承载力降低系数也仍按 ACI 318取值，但考虑了由于对FRP材料认识不够的附加承载力降低系数。如对于受弯加固承载 70 . n刃z.7 中国。昆明第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRPI应用雄少兰叁鱼丝 ??? ??? 力计算，其表达式为(已改写为我国习惯符号，下同) M <靓 , M。一A,f,(h"一? )+,YfAff,2 (“一2) 式中，T，为FRP受弯加固的附加承载力降低系数，取0.85;f, = Efep为达到受弯承载力极限状态 时FRP的有效应力，其中。f,为相应有效应变，按下式确定 th一x\ _， __ __f f" Ef,一“`" ( z 厂‘“、“?,c f"一“’Ef (8) 式中，。、为加固前梁底初始应变值;K，是为避免剥离破坏，控制FRP中应力的降低系数，与FRP的 刚度有关。 为保证FRP受弯加固的延性，ACI-440指南规定达到受弯破坏极限状态时受拉钢筋的应变 不应小于0.005。当达到受弯破坏极限状态时受拉钢筋的应变小于。. 005的情况，则(6)式中的承 载力降低系数需按下式进一步降低，以提高安全度。 ￡妻 0.005 E, 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 》设计方法一致，采用极限状态设计方法。 (2) FRP材料为弹脆性材料，建议按下式确定其标准值: flk=ff.一3a, (15) 并按拉伸情况的可靠度分析确定其材料分项系数寿，按下式确定FRP材料的名义抗拉强度设 计值: f"__纽 7了 (16) (3)应根据不同破坏模式确定达到相应承载力极限状态时FRP的有效应力0r. o (4)考虑环境对不同FRP材料的影响,FRP加固工法的特殊性以及对FRP材料性能的认识 不足和缺乏足够的经验，在FRP名义抗拉强度设计值介。和有效应力。r"的荃础上考虑一附加分项 系数，作为FRP材料的抗拉强度设计值，即 ff,一州鲁，淤} (17) 分项系数k，可由多个分项系数组合得到，以考虑不同因素的影响。而分项系数k,则可根据不同的 破坏模式确定: ①对受剪、剥离、加固后为混凝土压碎等脆性破坏模式，应根据其脆性程度确定k,; ②对钢筋屈服后受弯破坏、FRP约束混凝土等FRP拉断破坏前有较好延性的破坏模式，应根 据延性安全储备要求确定k? (5)加固设计应保证形成延性较好的破坏模式，如“强剪弱弯”。 72 . 第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术学术交流会 2002.7 中国 ·昆明 (6)加固设计应考虑到意外事故导致FRP加固可能失效的情况。 参 考 文 献 「门叶列平等.碳纤维布加固钢筋混凝土构件正截面受弯承载力分析与计算.建筑结构，2001年3月，3^ 5 「幻张柯。岳清瑞，赵树红，叶列平.碳纤维加固混凝土往抗展性能的试脸研究.工业建筑，200。年第2 期，pp. 16-19 [3] P. Feng, X. Z. Lu &.I.P. Ye. Experimental research and finite element analysis of square concrete columns confined by FRP sheets under uniaxial compression, Proceedings of ACMSM17, 17th Australasian Conference on the Mechanics of Structure and Materials. 12^-14 June 2002, Gold Coast, Australia [4] Reported by ACI Committee 440, Guide for the design and construction of externally bonded frp systems for strengthening concrete structures, 2000.5 [5」日本建筑防灾协会.连续纤维补强材含用1,t-既存铁筋7>4I)一卜造及u铁骨铁筋7 I夕1)一卜造建筑物 刃耐展改修设计·施工指针.2001年9月 [5] Edited by 1. G. Teng. FRP composites in civil engineering, Proceedings of the International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Elsevier, 2001, Hong Kong, China 73 FRP加固混凝土结构的设计方法 作者： 叶列平 作者单位： 清华大学土木工程系(北京) 相似文献(10条) 1.期刊论文 蒋含芙 FRP在混凝土结构加固领域的应用与发展 -科技创新导报2008(21) 本文简要阐述了FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)复合材料应用于混凝土结构加固领域中的重要意义,从材料、技术和施工工艺三个方面总结了国内外关于FRP加固混凝土结构的最新研究成果,分析了研究中存在的不足,对FRP复合材料在混凝土结构加固领域中的应用前景做了展望. 2.期刊论文 万扬.WAN Yang FRP片材在混凝土结构加固中的应用 -山西建筑2008,34(36) 研究了FRP材料的组成及力学特性,分析了FRP加固混凝土的工作原理,通过FRP在混凝土加固工程中的应用,得出FRP复合材料与钢结构相比具有较好的抗腐蚀能力,对混凝土结构进行加固与修复可有效提高工程效率、改善构件受力状况的结论. 3.期刊论文 周超.ZHOU Chao 界面剂对粘接FRP界面剪切强度的影响 -粘接2006,27(1) 在混凝土表面涂覆不同的界面剂,然后用环氧树脂粘贴玻璃纤维并成型FRP薄板.测试FRP与混凝土粘接界面的剪切强度,结果以偶联剂配制的界面剂最佳,但剪切强度对偶联剂具有选择性.分析偶联剂的增强机理,供体外粘贴混凝土结构加固参考. 4.期刊论文 刘明.龚苏平.刘新强.由世岐.陀源.LIU Ming.GONG Suping.LIU Xinqiang.YOU Shiqi.TUO Yuan FRP加固砖砌体抗压强度的试验 -沈阳建筑大学学报（自然科学版）2006,22(5) 目的 研究FRP(纤维增强材料)加固砖砌体的抗压强度,提出依据块体、砂浆强度和考虑FRP布约束的FRP加固砌体抗压强度的计算方法.方法 对15个试件采用分级加荷载的方法进行抗压强度试验.结果 粘贴FRP布砌体的抗压强度可提高20%,FRP的种类和粘贴层数对提高砌体抗压强度影响不大.结论 CFRP(碳纤维布)与GFRP(玻璃纤维布)加固砌体的承载力基本相 同,选择加固砌体材料时,重点应考虑纤维布的经济性,且宜选用单层加固. 5.期刊论文 徐新光 浅谈纤维增强复合材料在混凝土结构加固中的应用 -中国科技信息2009(15) 对既有混凝土结构的加固与修复是世界各国都普遍关注的课题,纤维增强复合材料(FRP)以其高强轻质、耐腐蚀、耐疲劳、施工便捷等诸多优点备受土木工程界的关注.本文主要对FRP加固的技术途径进行了较全面的论述和总结. 6.期刊论文 周超.杨庆国.巫祖烈.李力 粘贴纤维加固混凝土结构的真空注射工艺探讨 -施工技术2004,33(6) 提出采用复合材料的真空辅助注射成型工艺(Vaccuum Assisted Resin Infusion)进行混凝土结构加固的新方法.阐述了该工艺的原理、流程、优越性及对设备、原材料的要求. 7.期刊论文 陈曦虎.梁春霞.Chen Xihu.Liang Chunxia FRP在混凝土结构加固中的应用及其展望 -住宅科技2005(5) 近年来,纤维增强复合材料(FRP)在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点,随着纤维复合材料的技术成熟,这种材料已成为迄今为止用于土木工程加固和修复最广泛的一种高科技材料.文章论述了FRP的种类、力学性能及在土木工程中的应用. 8.期刊论文 蔺新艳.曹双寅.黄凤霞.Lin Xin-yan.Cao Shuang-yin.Huang Feng-xia FRP加固钢筋混凝土构件裂缝研究进展与探讨 -工程抗震与加固改造2007,29(2) 外贴FRP材料是一种非常流行的钢筋混凝土结构加固技术,但是与加固后构件承载力相比,在FRP加固构件正常使用性能方面的研究仍不够深入,尚存在许多值得探讨的问题.本文在总结分析国内外已有研究成果的基础上,研究了外贴FRP加固钢筋混凝土构件裂缝开展的机理和特点,分析探讨了我国钢筋混凝土构件裂缝开展性能预测方法用于该类加固构件时的适 用性和存在的问题,并探讨了影响FRP加固构件裂缝形成及开展的主要影响因素,最后提出了建立新的裂缝预测模型的必要性. 9.会议论文 杨勇新.李庆伟.岳清瑞 预应力FRP片材加固混凝土结构研究现状 2004 预应力FRP片材加固技术近年来在国外得到了广泛的研究,本文通过查阅国内外的一些文献,对这一方法的研究现状进行了总结,对预应力的施加方法、锚固方式、预应力施加最大值、预应力损失等问题作了阐述.文中还提出了目前预应力FRP片材加固方法研究中存在的问题,希望能对研究此问题的学者有借鉴作用. 10.期刊论文 朱建方.胡若邻 浅谈预应力FRP片材结构加固技术 -城市建设与商业网点2009(29) 纤维增强复合材料(FRP)粘贴加固技术由于其经济,高效,可靠而广泛应用于桥梁、建筑结构的修复和加固中.粘贴预应力FRP可以使片材抗拉能力得到充分发挥,提高运用FRP片材对混凝土结构加固效率.结合国内外研究现状,本文就粘贴预应力FRP片材工艺,及其粘贴预应力FRP片材对提高RC梁力学性能以及新技术的应用等方面进行综述.探讨了粘贴预应力FRP片 材对混凝土结构进行加固研究中的相关力学问题. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_3405743.aspx 下载时间：2010年1月13日