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创新思维课程报告

土木工程中的创新思维

课程报告

学院土木工程系

专业建筑与土木工程

学号xxxxxxx

姓名xxxx

指导教师xxxx

日期2018年2月28日

浅谈结构加固新技术

【摘要】

混凝土结构加固技术一直是国内外土木工程领域研究的热点。

纤维增强聚合物（FRP）材料因具有轻质、高强的特性而备受土木界的关注。

本文介绍了我国结构加固的发展现状，重点介绍了外贴FRP布/板条和内嵌FRP筋/板条等一些施工新工艺、新技术。

【关键词】

结构加固，纤维增强聚合物材料，外贴法，内嵌法

TalkingabouttheConstructionNewTechnologyintheConstructionFoundationPitSupporting

[Abstract]

Concretestructurereinforcementtechnologyhasbeenahotspotincivilengineeringfieldathomeandabroad.Fiberreinforcedpolymer（FRP）materialshaveattractedtheattentionofthecivilengineeringcommunityduetotheirlightweightandhighstrengthproperties.Thisarticleintroducesthecurrentsituationofstructural

reinforcementinourcountry,andintroducessomenewconstructiontechniquesandtechnologiessuchasFRPcloth/slatandembeddedFRPbars/slats.

[Keywords]

Structuralreinforcement,FiberReinforcedPolymerMaterial,Externalpastemethod,Near-SurfaceMounted

1前言

随着经济的不断发展，对现有的建筑物的改造、维修及加固得到了蓬勃的发展，并在实际应用的过程中形成了一个新的学科领域一土木工程结构加固技术。

这门学科的蓬勃发展，一方面体现了该领域的科学研究已成为世界各国均十分关注的问题，另一方面，该学科的科研成果能够很快的在实际工程中得到应用，而且随着新材料以及新技术的不断出现也不断地促进该学科的研究和发展[1]。

一个国家的工程建设大致可分为大量新建阶段、维修加固与新建并重阶段、以加固为主阶段。

近十几年来，由于既有结构物的健康状况不断劣化、工程事故不断发生，所以经济发达的国家正逐渐把建设重点转移到对既有结构物的维修、改造和加固方面[2]。

例如美国45%的桥梁的承载力不足，根据美国联邦公路管理局的调查估计，如果对这些失效的桥梁进行全部的修复需要花费大约900多亿美元左右;日本大约有4500座混凝土工程承载力不足;英国旧房改造的工作量已占全部总工程量的1/3;随着我国综合国力的不断增强和市场经济的迅猛发展，我国的土木工程已经开始进入到新建以及维修改造并重的发展阶段。

调查资料显示，我国现有的约430亿平方米的建筑物中，大约已有30-50%的建筑物步入老化阶段，其中大约有25亿平方米的建筑物需要经过维修、加固后才能够投入使用。

2002年我国交通部的全国公路桥梁情况调查表显示，全国的混凝土桥梁由于铁路的高速重载以及桥梁服役期的延长，全国的危桥约有4400多座需要讲行维修加固[3]。

如果拆除这些结构并且兴建新的结构，需要耗费大量的人力、物力，给国家造成巨大的经济损失，为各国的国情和财力所不容。

因此，需要对现有的结构进行相应的维修、加固，使其承载力得到提高，满足人们的使用要求。

由此可见，对现有需要加固的混凝土结构进行维修、加固，是一项具有显著经济效益和社会效益的研究工作。

2纤维复合材料的发展现状

2.1纤维复合材料的特点

纤维复合材料是把多股连续的纤维材料（例如芳纶纤维、玻璃纤维以及碳纤维等）与基底材料（例如聚乙烯树脂、环氧树脂等）进行胶合，并且通过模具进行挤压和拉拔后成型。

纤维的主要特点[4]有:

（1）抗拉强度高。

纤维复合材料在达到抗拉强度之前，几乎没有塑性变形产生。

（2）自重较轻，施工简单、方便。

在加固施工过程中的效果较为明显，可以降低结构加固的劳动力成本费用。

（3）弹性模量小。

纤维复合材料的弹性模量约为普通钢筋的25-70%。

（4）抗腐蚀性以及耐久性较好。

结构处于腐蚀性较大的环境时，用纤维复合材料对结构加固可以延长结构的使用寿命。

（5）热膨胀系数与混凝土相近。

当结构的周围环境的温度发生变化时，混凝土和纤维复合材料不会相差较大的温度应力，两者可以协同工作。

（6）抗剪强度低。

纤维复合材料抗剪强度一般不会超过其抗拉强度的10%，在试验或者施工时需要研制专门的锚具。

2.2表面黏贴法的研究

外贴纤维片材加固构件就是“表面粘贴法”[5]，即通过树脂类粘结剂，在需加固的构件表面粘贴FRP（FiberReinforcedpolymer）布或板，以提高或改善其受力性能。

外贴纤维片材加固构件的试验研究及工程应用已有20多年的历史，从总体上来看，主要包括抗弯研究、抗剪研究、抗疲劳性能研究等。

但这种粘贴加固方法存在一定的不足:

因为纤维复合材料的弹性模量较低，而抗拉强度较高，钢筋发挥屈服强度需要0.15%的拉伸变形，而纤维片材要发挥抗拉强度需要1.7%的拉伸变形，较钢筋的屈服变形高了11倍多，也即纤维片材与构件内部钢筋共同工作，不考虑原有的初始应变，钢筋屈服时纤维片材所能发挥的强度也仅为其抗拉强度的8.8%，并且在纤维发挥全部强度所需的1.7%的应变情况下，混凝土结构会产生很大变形以及显著的裂缝。

因此，外部粘贴纤维片材加固构件，纤维片材所能提供的抗拉贡献极其有限。

且FRP粘贴在构件表面容易受到恶劣环境（高温、高湿和冻融等）的不利影响，易遭受磨损和撞击等意外荷载的作用，不防火，不易与相邻构件锚固等等，且现有的试验结果及工程应用均表明，外贴纤维片材加固工程结构易于发生纤维片材剥离破坏，纤维片材的高强性能得不到充分发挥，因而逐渐被加固效果较好的外贴预应力纤维片材加固法及嵌入式加固法所代替。

2.3内嵌法的研究

近年来，国外研究人员提出了“表层内嵌法”（Near-SurfaceMounted简称NSM），即在需加固的构件表面开槽（混凝土保护层内），将FRP筋或板条嵌入其中，利用粘结剂使其与构件结合紧密，达到提高其抗弯或抗剪能力的目的。

这是一种很有发展前途的结构加固新技术，表层内嵌FRP力加固方法与外贴FRP片材加固方法相比，有以下优点阴:

①嵌入式加固法施工方便、工作量较小。

嵌入式加固法只需要在嵌入区域利用专用的开槽工具在混凝土表面进行剔槽，而外贴法需要在混凝土的表面进行打磨较为耗时;内嵌加固法的加固胶可与混凝土三面粘结，粘结性能较好，FRP材料的剥离现象较少，FRP材料的性能得到充分的发挥，而外贴FRP材料加固法，由于片材与混凝土粘结不好，常出现FRP片材脱落的现象;②嵌入式加固法可以防止火灾对FRP材料的破坏。

外贴FRP加固法，由于FRP材料裸露在外面使其防火性抗冲击性、耐久性较低。

而FRP材料内嵌在结构内部，使其防火性能得到提高，同时也提高了抗冲击性、耐久性。

③负弯矩区域加固施工较为方便。

对于桥梁的板面等负弯矩区加固时，FRP材料内嵌在结构内部，使其避免遭到人为以及环境因素的影响;④FRP材料的强度得到充分发挥，有效地提高了结构的极限承载能力。

2.3.1国内内嵌法的研究现状

岳清瑞教授等于2004年首先把国外的嵌入式纤维增强复合材料加固混凝土构件的研究成果向国内的同行进行了介绍，并且认为嵌入式纤维复合材料加固法是一种值得研究和推广的加固方法，具有广阔的发展前景。

与此同时，香港理工大学的李荣等学者对国外的嵌入式加固法的抗弯加固试验、破坏模式以及粘结性能试验进行了详细综述。

中南大学的周朝阳教授等对T形截面的混凝土梁采用内嵌FRP加固后的抗弯承载力进行了研究，计算了加固梁的抗弯承载力，并与国内外相关试验数据进行了对比分析，试验结果和计算结果吻合较好，由此说明，该计算抗弯承载力方法是可行的。

武汉理工大学的王天稳等把FRP材料加固理论与普通的混凝土理论相结合，提出了内嵌FRP材料加固梁在不同破坏形式下的极限承载力计算公式，对内嵌FRP材料加固混凝土梁的工程应用具有一定的价值。

浙江大学的姚谏主持的“钢筋混凝土梁表层嵌贴FRP加固性能研究”是国家自然科学基金资助的国内第一项关于混凝土表层嵌贴FRP加固新技术的研究项目，在此项目的支持下做了钢筋混凝土梁表层嵌贴FRP的抗弯、抗剪及粘结机理研究。

河南理工大学的曾宪桃对31根混凝土梁进行了嵌入式碳纤维增强复合材料板条加固的试验研究。

试验结果显示，CFRP板条的加固量对加固梁的开裂弯矩影响不大，对加固梁的抗弯承载力提高幅度在25-45%左右，槽间距较小会容易引起加固梁的混凝土发生撕裂破坏。

在加固梁的弯剪段的侧面嵌入CFRP板条可提高加固梁的抗剪承载力，并且能阻止斜裂缝的发展以及裂缝数量的增加。

3表面黏贴法加固混凝土构件

目前,在我们的混凝土结构中，钢筋混凝土连续梁在工程应用中是大量存在的,工程师们遇到的也常常是加固连续梁的问题[6]。

当梁需要承受更大荷载时，连续梁按照弹性计算,往往在支座负弯矩区也要进行加固。

但在实际加固工程中,工程师也常常遇到这样的麻烦,楼面是整浇的钢筋混凝土结构,楼面的上表面已经做好装修,或者已经堆有部分设备,不允许在楼面上进行加固施工,这样就面临一个如何不在梁的上部加固,而又提高梁的承载力的问题。

考虑到钢筋混凝土连续梁的塑性性能,当支座负弯矩区出现塑性铰,连续梁由超静定结构变为静定结构的简支梁,继续增加荷载,支座负弯矩基本不增大,跨中弯矩继续增加直至再次出现塑性铰。

因此,可以考虑在梁底加固来代替梁上的加固,以达到提高连续梁承载力的目的。

可以利用内力重分布的特性在梁底黏贴FRP板，FRP布来加固混凝土结构构件。

3.1影响加固效果的因素

二次受力，外贴纤维的层数，支座的配筋率等都是影响加固效果的重要因素。

这里根据陆洲导[3]等人的实验结果加以说明。

图2实验分组

3.1.1二次受力

在实际工程应用中，加固前自重等初始荷载已经作用于梁上。

初始荷载在将要粘贴碳纤维的混凝土受拉区边缘产生初始拉应变。

加固之前原来结构已经承受的荷载就是一次受力。

一般结构需要加固载能不足的时候，加固前原结构的截面应力、应变水平一般都已经很高了。

这时候新加固部分加固后并不立即承受荷载，而是在新荷载（即二次受力）下才开始受力。

“从而导致整个加固结构在其后的二次受力过程中，新加部分的应力、应变始终滞后于原结构的累计应力、应变，这决定了此时混凝土结构加固计算分析不能够完全按普通结构概念进行。

因此在进行结构加固的时候要考虑二次受力的影响。

图3二次受力

比较图2中L-1a与L-1a′曲线可知,在加载前期二者受力过程很接近,但在加载后期特别是梁中支座开裂后,二者梁内钢筋应变差异较大,跨中钢筋屈服时梁跨中挠度相差无几。

我国《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146:

2003）（以下简称加固规程）中指出,当初始弯矩小于未加固截面受弯承载力的20%时,可以忽略二次受力的影响。

3.1.2支座配筋率

从图中可以看出L-3a配筋率0.59%的屈服荷载低于L-3b配筋率0.79%的屈服荷载但极限承载力相差不大。

配筋率的不同对内力重分布影响较大，L-3b跨中钢筋先于支座钢筋达到屈服,但碳纤维的作用使跨中截面承载力增大，保证了中支座达到屈服后梁才破坏；而L-3a则是支座钢筋先屈服，表现出了良好的弯矩重分布性质。

3.1.3纤维黏贴层数

通过以上三图的对比,碳纤维粘贴层数增加并不能明显改变梁在支座截面和跨中截面钢筋屈服前的受力性能,梁承载力的增加并不与碳纤维层数成比例。

粘贴3层纤维的梁在截面钢筋屈服后,荷载增加值约为极限荷载的1/6～1/5;而在粘贴1层纤维的情况下,荷载几乎不增加，说明利用连续梁内力重分布性质,采用碳纤维加固跨中梁底可以提高梁的受弯承载力，但碳纤维加固量应该控制在截面不发生超筋破坏的范围之内。

利用连续梁内力重分布的特征，在梁底粘贴碳纤维加固钢筋混凝土连续梁是一种简便可行的加固方法，可以有效提高梁的受弯承载力。

在初始荷载不超过极限荷载20%的前提下，可以忽略二次受力的影响。

碳纤维在跨中钢筋屈服前的作用并不明显。

碳纤维层数增加能够提高梁的极限承载力，但提高幅度并不与层数成比例。

纤维可以有效约束裂缝的开展，但纤维用量增加对提高截面刚度作用不明显。

增大支座配筋率可以提高支座钢筋屈服荷载，改变弹塑性阶段的内力分布，也有利于跨中截面屈服荷载的提高。

但是外贴法就像本文前面提到的，有着难以规避的弊端，所以最近，国内外就提出了表层嵌贴法，仔细观察这两种方法，正是采用了和田十二法里的改一改，改掉了外贴FRP易受环境影响，不容易锚固的缺点。

4内嵌法加固结构构件

目前对FRP加固RC梁的研究越来越多，但是FRP加固RC连续梁的试验或工程的研究相对较少，而在工程实际中连续梁是很常见的建筑结构。

但是外贴FRP加固法中FRP材料粘贴在构件表面容易受到恶劣环境（高温、高湿和冻融等）的不利影响，易遭受磨损和撞击等意外荷载的作用，不防火，不易与相邻构件锚固等等，且现有的试验结果及工程应用均表明，外贴纤维片材加固工程结构易于发生纤维片材剥离破坏，纤维片材的高强性能得不到充分发挥，因而逐渐被加固效果较好的外贴预应力纤维片材加固法及嵌入式加固法所代替，前文提到的影响因素除了外贴层数，其余都和内嵌类似，故在本节，不再赘述。

在本节参考郝永超[7]的数据进行讲述，如图7所示。

4.1内嵌法加固结论

本节从内嵌FRP筋材加固钢筋混凝土连续梁的承载能力、变形能力、应变变化、裂缝开展等力学性能的影响，得到了如下结论:

（1）内嵌FRP筋材加固钢筋混凝土连续梁能明显提高加固梁的承载力，提高幅度最大为56%，与正、负弯矩区各贴两层碳纤维布的加固梁的极限荷载相比，提高了11%，但内嵌FRP筋材对加固梁的开裂荷载和屈服荷载影响较小;对于二次受力加固梁由于负弯矩区的FRP筋材的应变滞后的影响，使加固筋材没有充分发挥其性能，因此二次受力加固梁的极限承载力略低于其它直接加固梁。

（2）所有加固梁的跨中及中间支座截面的混凝土应变沿梁高的变化基本符合平截面假定，因此对加固梁进行截面分析时可采用平截面假定。

（3）内嵌FRP筋材加固混凝土梁对加固梁的变形有一定的影响。

在加固梁受拉钢筋屈服以前阶段，发生了内力重分布的加固连续梁挠度最小，且该加固梁的中间支座截面刚度大于跨中截面，使中间支座截面承担了较大的弯矩，跨中弯矩较小，因此发生了内力重分布的加固连续梁在正常使用阶段的挠度较其它加固梁小。

（4）所有加固梁的裂缝发展较稳定、较充分，裂缝条数随加固量的增加而增加，裂缝间距、裂缝宽度随加固量的增加而减小，斜裂缝数量也明显增加。

内嵌的FRP筋材对加固梁对裂缝的产生和发展都具有约束作用，延迟了裂缝的出现，提高了加固梁的抗裂度。

（5）通过以加固梁的荷载-挠度曲线为基础，对加固梁的延性分析发现，本试验的4根内嵌FRP筋材加固钢筋混凝土连续梁均表现为延性。

4.2内嵌法施工流程

内嵌预应力筋材加固混凝土梁施工工艺如下所述。

（l）开槽

加固梁开槽前需要先在构件的受拉区按照设计尺寸进行定位、放线，以便准确的确定加固梁的开槽位置。

本试验加固梁的开槽尺寸为宽约20mm，深度约为30mm，在切割过程中开槽的深度可由切割机直接调整控制，确保所开槽的尺寸。

切割完毕后，需对开槽尺寸进行检测，测量尺寸与设计尺寸相比，误差不得超过士1mm。

如不符合要求，可对槽口进行修整。

（2）清槽及钢筋除锈

为了达到较好的粘结效果，开槽后除去槽中的残渣和浮尘，用吹风机将槽里的粉屑清除干净，直至露出混凝土表面，用毛刷将孔壁刷净，然后用丙酮将混凝土表面擦洗干净，并确保混凝土表层干燥;将钢筋锚固长度范围内的铁锈清除干净，并打磨出金属光泽，然后用丙酮将钢筋擦洗干净。

（3）胶粘剂配制

本试验采用JGN型环氧树脂类建筑结构胶粘剂，结构胶为A、B两组，取称重器按照环氧树脂和固化剂质量比3:

1进行混合，搅拌器皿为专用铝筒，搅拌工具为特制拌头，在500转/分钟转速下由电转带动搅拌。

使用搅拌器彻底搅拌5分钟至胶体呈现出均匀的金属灰色。

搅拌时沿同一方向搅拌，尽量避免混入空气形成气泡。

（4）嵌筋及注胶

在加固梁的槽内固定FRP筋材筋材距离槽底约1/2槽深，用胶枪向槽内注入结构胶，静置2min，将胶表面抹平。

（5）固化、养护

整个嵌筋过程，从拌胶到抹平，耗时不超过20分钟，以免环氧树脂发生硬化，影响嵌贴质量。

试验梁嵌筋、注胶完成后，12小时之内不能被扰动并且在室温环境下养护72小时以上。

与传统的外贴法相比，可以看出表层内嵌法加固混凝土梁的施工时间大大缩短。

同时解决了采用外贴法加固时对混凝土表层进行打磨、修补、整平等工作，极大地提高了工作效率。

5结束语

随着我国综合国力的不断增强和市场经济的迅猛发展，我国的土木工程已经开始进入到新建以及维修改造并重的发展阶段。

我国现有的约430亿平方米的建筑物中，大约已有30-50%的建筑物步入老化阶段，其中大约有25亿平方米的建筑物需要经过维修、加固后才能够投入使用。

2000年全国将近有23亿的城镇建筑已经处于提前退役的状态;2002年全国约有103亿平方米的仓库和工业厂房，其中大约超过25亿平方米的仓库和工业厂房服役超过30年，服役超过20年的大约超过46亿平方米，按照设计规范中的工业建筑的使用寿命，它们均已步入老龄化建筑。

2002年我国交通部的全国公路桥梁情况调查表显示，全国的危桥约有4400多座需要进行维修加固。

如果拆除这些结构并且兴建新的结构，需要耗费大量的人力、物力，给国家造成巨大的经济损失，为各国的国情和财力所不容。

因此，需要对现有的结构进行相应的维修、加固，使其承载力得到提高，满足人们的使用要求。

由此可见，对现有需要加固的混凝土结构进行维修、加固，是一项具有显著经济效益和社会效益。

6致谢

满怀激动地结束了这次的课程报告，和田12法，这是一个伟大的总结，经武老师讲解，我才发现的，原来创新离我们是如此的近。

这一学期我学习了很多的知识，从“和田12法”创新思想到透明土技术发展到环境岩土工程等等，开阔了我的视野，让我们对土木工程行业的发展有了更加全面和超前的眼光。

这一切得益于老师在自己授课的同时，还不辞辛苦地为大家请了很多土木工程行业的大咖给我们做报告，涉及到了很多的方方面面的领域。

我想和田12法对我最大帮助就是回答了我在研究生之初对于创新的困惑，老师，学长都讲有了创新就好发论文。

但是，土木是一个古老又臃肿的行业，寻找一个前人未做过的点，肯定很困难，并且我想从小开始，接受填鸭式教育的我，如何才能在浩如烟海的论文中找到一个创新点。

经过武老师讲解，我才发现创新原来有迹可寻。

通过这一学期的土木工程创新思维课的学习，我不仅学习到很多知识，我更学习到了老师对于科研对于一些未知领域探索的刻苦的精神以及一些做事的态度。

让我在对于我导师的研究方向有了更加深刻的认识，让我明白了很多查询文献资料的方法，让我明白了很多思考问题的方法，让我明白，我只有不断的努力，才能实现自己的目标。

感谢武老师为我们请来这么多行业大咖，感谢武老师以认真的治学态度，渊博的知识，敏锐的学术视角为我们带来难忘的创新思维课。

参考文献：

[1]藤景光.FRP加固混凝土结构[M].北京：

中国建筑工业出版社，2002.

[2]何海、陆洲导、姜安庆.碳纤维加固对钢筋混凝土连续梁受力影响的初探[J].四川建筑科学研究.2004.03.

[3]陆洲导.碳纤维布加固钢筋混凝土连续梁受弯性能研究.建筑结构.2005.03.

[4]陆洲导，绳钦柱，何海.碳纤维加固连续梁的试验研究和设计方法.工业建筑学报.2004.04.

[5]曾祥蓉，李才平，陈进，魏峰，王薇.基于ABAQUS的侧贴碳纤维布加固；连续梁数值模拟.山西建筑.2014.02.

[6]叶红义,　陈永秀.碳纤维布加固混凝土梁支座负弯矩区的试验.上海大学学报.2009.02.

[7]郝永超.内嵌FRP筋材加固混凝土连续梁抗弯性能研究[D].河南理工大学硕士学位论文.