1、PDF外文：http:/ - 1 - 中文 6070 字 出处： ACI Structural Journal, 2002, 99(5) 美国混凝土协会结构期刊 技术卷 标题编号： 99-S71 应用新
2、型延性纤维增强聚合物对混凝土梁的加固 作者： Nabil F. Grace, George Abel-Sayed, Wael F. Ragheb 摘要： 一种新型 单向 延性纤维增强聚合（ FRP） 物已经被研究，研制和生产（在劳伦斯理工大学结构试验 中心）以用于结 构加固。这种织物是两种碳纤维和一种玻璃纤维的混合物，而且经过设计它们在受拉屈服时应变值较低，从而体现出伪延性的性能。通过对八根混凝土梁在弯曲荷载作用下的加固和检测对研制中的织物的效果和延性进行了研究。用现在 常用 的 单向碳纤维薄片、织物和板进行加固的相似 梁 也进行了检测，以便同用研制中的织物加固 梁进行
3、性能上的比较。这 种织物经过设计具有和加固梁中的钢筋同时屈服的潜力，从而和未加固 梁一样，它也能得到屈服台阶。相对于那些用现在 常用 的碳纤维加固体系进行加固的梁，这种研制中的织物加固的梁承受更高的屈服荷载，并且有更高的延性 指标。这种研制中的织物对加固机制体现出更大的贡献。 关键词： 混凝土，延性，纤维加固，变形 介绍 外贴粘合纤维增强聚合物（ FRP）片和条带近来已经被确定是一种对钢筋混凝土结构进行修复和加固的有效手段。关于应用外贴粘合 FRP 板 、薄片和织物对混凝土梁进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能，一些试验研究调查已经进行过报告。 Sa
4、adatmanesh 和 Ehsani（ 1991）检测了应用玻璃纤维增强聚合物 (GFRP)板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Ritchie 等人（ 1991）检测了应用 GFRP，碳纤维增强聚合物（ CFRP）和 G/CFRP 板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。 Grace 等人（ 1999）和 Triantafillou（ 1992）研究了应用 CFRP薄片 进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。 Norris， Saadatmanesh 和 Ehsani（ 1997）研究了应用单向 CFRP 薄片和 CFRP 织物进行加固的混凝土梁的性能。在所有的这些研究中，加固的梁比未加固的梁承受更
5、高的极限荷载。这些梁中大多数出现的一个缺陷是梁的延性有很大的损失。然而通过对梁的荷载 -挠度性能的测试，可以发现大多数荷载的增加是在钢筋屈服后发生的。也就是说，极 限荷载明显提高，然而屈服荷载却没有太大提高。因此在正常使用水平荷载的明显增加很难实现。 除去加固前混凝土构件条件的影响，钢筋对加固梁的弯曲反应有明显的贡献。而可惜的是，现有的 FRP 加固材料和钢材性能不同。虽然 FRP 有很高的强度，但是它们多数在提高足够的强度之前被拉伸而产生很大的应变。因为同大多数 FRP 材料 的极限应变相比，- 2 - 钢材的屈服应变相对较低，所以随着加固构件的变形，钢材和 FRP 加固材料的贡
6、献发生了变化。结果，钢筋可能 会 在加固构件取得任何可测荷载增加值之前就屈服了。一些研究者在横截面布置了更强的 FRP，这通 常会增加加固的成本， 进而 提供可测的贡献， 尽管这时变形是受限制的（在钢筋屈服之前）。但是，加固材料从混凝土表面的 剥落 更多的时候是由于应力集中的原因发生的。 剥落 是这项 加固技术中不出现的一种脆性破坏。尽管使用一些类似超高模量碳纤维 的特别的低应变纤维看起来是一种解决方法，但这可能导致由于纤维破坏而产生脆性破坏。本文旨在介绍一种新型伪延性 FRP 织物，它在屈服时应变低从而具有与钢筋同时屈服的潜力，能够实现期望中的加固水准。 研究意义 F
7、RP 已经被越来越 多地用做 钢筋混凝土结构修复和加固的材料。但是现在常用的 FRP材料缺少 延性，并且与钢筋性能不一致。结果，经过加固处理的梁会体现出延性降低，不能达到期待中的水平，或者二者兼有。本项研究介绍了一种新型的伪延性 FRP 加固织物。这种织物可以使加固梁承受更高的屈服荷载，并且有助于避免延性的损失，而这在使用目前常用的 FRP 进行加固中是常见的。 混杂 织物的研制 为了克服前面所提的缺陷，一种具有低屈服应变值的延性 FRP 材料是很必要的。 混杂 的文献回顾 为了研制这种材料，考虑了各种不同纤维的 混杂 。多于一种纤维材料的 混杂
8、 是许多材料科学研究的兴趣所在。他们的工作多数集中于结合两种纤维以提高每种材料 单独工作时的力学特性并且降低成本。 这已经在几本出版物中报道过 ,例如 Bunsel 和 Harris（ 1974），Philips（ 1976）， Manders 和 Bader（ 1981）， Chow 和 Kelly（ 1980），以及 Fukuda 和 Chow（ 1978）。 做为 一种能够克服 FRP 加固棒延性不足问题的工具， 混杂 吸引了结构工程师。Nanni,Henneke 和 Okamoto（ 1994）研究了用编织芳香尼龙纤维绕在钢筋核心的短棒。 Tamuzs和 Tepfors 报道了关于使用
9、碳和芳香阻尼纤维进行组合而成的混合纤维棒的试验调查。Somboonsong， Frank 和 Harris（ 1998）研制了一种用编织芳香尼龙纤维缠绕在碳纤维核心的混合 FRP 加固棒。 Harris， somboonsong 和 Frank（ 1998）使用这些棒对混凝土梁进行加固，以得到用常规钢筋进行加固的混凝土梁的普通荷载 -挠度特性。 设计思想和材料 为了产生延性，一种使用不同种类纤维的 混杂 技术已经被采用。 选用了在破坏时有不同延长量级的三种纤维。图 1 显示了这些复合纤维在拉伸时的应力 -应变曲线，表 1 显示了它们的力学特性。 这项技术是建
10、立在将这些纤维结合起来并控制配合比例的基础 上的，这样当它们被拉伸时共同承受荷载， 延伸 小（ LE）的纤维先破坏，允许一定的应变 松弛 （应变增加而混合材料的荷载却并未增加）。余下的 延伸 大（ HE）的纤维 被分配承担所有的荷载直到破坏。- 3 - 延伸 小的纤维破坏时的应变值体现了混合材料屈服应变值，而 延伸 大的纤维破坏时的应变值体现的是极限应变值。 延伸 小的纤维破坏时对应的荷载体现的是屈服荷载值，而 延伸 大的纤维承担的最大荷载体现的是极限荷载值。超高模量碳纤维（ 1 号碳）被用做 延伸 小的纤维，它应有尽可能低的 应变，但不得小于钢筋的屈服应变（ 60 级钢筋大约为 0.2%）。
11、另一方面，型玻 璃纤维被用做 延伸 大的纤维，应能提供尽可能高的应变而产生高延性指标（破坏时的变形和屈服时的变形的比例）。高模量碳纤维（号碳）被选做了 延伸 中等（ ME）纤维，它使在 延伸 小的纤维破坏后发生应变 松弛 时荷载的降低最小化，并且能够提供从 延伸 小的纤维向 延伸 大的纤维逐渐传递荷载的途径。 基于这种思想，生产了一种 单向 织物，并进行了测试，将它在拉伸时的性能和理论预测的承载性能做了对比。理论上的性能建立在混合物规则上，根据这种规则，混合物的轴向刚度是将各组成部分的相对刚度进行总合计算得到的。这种织物的生产过程是，将不同的纤维 做为 相 邻的纱线结合起来，并将它们用环氧树脂
12、注入模具中。图就是一个生产样品的照片。编织而成的玻璃纤维 片布置在试样的两端，以消除测试中固定端的应力集中。试样厚 mm（ 0.08in），宽 25.4mm（ 1in），在拉伸时根据美国材料实验协会 3039 规范进行测试。四个测试样品的平均荷载 -应变曲线见图 3，上面还有理论预测的曲线。应该注意到 直到 应变值达到 0.35%，荷载 -应变性能都是线性的，这时 延伸 小的纤维开始破坏。在这一点上应变增长的速率高于荷载。当应变值达到 0.90%时，中等 延伸 的纤维开始破坏，导致应变有附加的增长，直 到由于 延伸 大的纤维破坏带来试样的彻底破坏。可以测试到屈服荷载（荷载 -应变曲线上性能 去
13、 不再为线性的第一点）为 0.46kN/mm（ 2.6kips/in） ,极限荷载为 0.78kN/mm（ 4.4kips/in）。 梁的测试 梁的详细情况 一共浇筑了 13 根钢筋混凝土梁，横截面尺寸为 152 254mm（ 6 10in） ，长 2744mm（ 108in） 。梁的受弯钢筋由底部的两根 5 号（ 16mm） 受拉钢筋和顶部的两根 3 号（ 9.5mm）的受压钢筋组成。为防止发生剪切破坏 ，使用 162mm 长的 3 号钢筋扎成闭合镫形对梁 的抗剪进行进一步的 加固 。有 5 根梁 浇筑时角部做成半径 25mm（ 1in）的圆角，从而易于加
14、固材料的安置。图 4 显示了梁的尺度、钢筋详图、支座和加载点的位置。使用的钢筋为 60等级，屈服强度 415MPa（ 800psi）。 加固材料 研制中的混合织物 用于加固 8 根梁。使用了两种不同厚度的织物。第一种（ H 体系，t=1.0mm）厚度 1.0mm（ 0.04in），第二种（ H-体系 ， t=1.5mm） 厚度 1.5mm（ 0.06in）。 其他四根梁使用现在常用的碳纤维加固材料进行加固 ： 1）一层 单向 碳纤维薄片，极限荷载0.34kN/mm（ 1.95kips/in） ； 2）两层 单向 碳纤维织物，极限荷载 1.31kN/mm（ 7.5kips/in） ； 3）一层 固体玻璃谈碳纤维板，极限荷载为 2.8kN/mm（ 16kips/in） 。对这些材料测试得到的荷载 -应变图见图 5。表 2 给出了包括研制中的织物在内的加固材料的特性。
