玻璃钢加固钢筋混凝土结构的性能、挑战和机遇外文翻译资料

 2022-08-14 03:08

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玻璃钢加固钢筋混凝土结构的性能、挑战和机遇

Ayesha Siddika, Md. Abdullah Al Mamun, Wahid Ferdous, and Rayed Alyousef

摘要：结构在极端的荷载状态下，经常容易过早发生损坏，而在这些结构到达设计使用寿命之前需要花费巨大的费用行维修。使用外加纤维增强复合材料(FRP)修复破损结构，以其高强、高耐久性和与混凝土结构良好的结合等优点，在建筑领域获得了广泛的应用。本文旨在综述FRP材料加固混凝土结构在不同荷载作用下的性能、面临的挑战和未来的发展机遇。在静态、动态和极端环境条件下，使用FRP材料加固混凝土均获得令人满意的性能。剥离破损和FRP材料破损是常见的失效形式，但在工作载荷和环境暴露共同作用下的失效机理尚不清楚。在发展和充分利用FRP材料强度、降低脆性、火灾和意外损坏风险、减少生产过程中的能源消耗和碳排放以及降低高昂的初始成本等技术的基础上，FRP材料在加固钢筋混凝土结构方面的认可度和应用将进一步增加。本文还将指出目前知识的缺口和FRP材料加固结构的潜在研究方向，从而更好地理解和建立设计指南。

关键词：纤维增强复合材料；强化；性能；建模；挑战；未来的机遇

1基本简介

对现有结构形式进行强化已成为满足升级的设计规范和强度要求并应对随着时间不断恶化的环境的主要建设活动。结构必须在具有挑战性的环境条件下承受临界载荷，如高交通密度、来自恐怖袭击的大爆炸、来自泥石流的冲击和高度腐蚀的环境。因此，钢筋混凝土(RC)结构经常需要加固以满足足够的强度要求并延长使用寿命。传统的钢筋混凝土结构加固技术可能包括金属板的外层、纺织纤维板、钢丝网、后张拉、混凝土或钢护套以及混入环氧树脂 [1-3]。使用纤维增强复合材料(FRPs)对钢筋混凝土构件进行加固，与最近普遍采用的[4]技术相比，可获得更好的性能。典型的FRP体系如图1所示。纤维增强塑料可能由碳、玻璃、芳纶和玄武岩纤维组成，这些纤维通过环氧树脂、乙烯基酯或聚酯等聚合物基体粘结在一起，分别形成CFRP、GFRP、AFRP和BFRP[5-10]。FRP材料正以层压板、棒材、干纤维或板材的形式应用于混凝土结构中。玻璃钢具有纵向抗拉强度高、无腐蚀性、刚度和强度重量比高、抗虫、抗真菌、抗化学侵蚀、热传递率低、安装方便等优点，正日益受到人们的青睐[1,10 - 18]。图2对比了不同FRP材料与低碳钢材料的应力-应变行为，这是FRP相对于传统材料高强度的明显证据。

由于玻璃钢具有重量轻、刚度高、强度高的特点，所以需要较少的设备和最少的资源，因此，可以用合理的生命周期成本和较低的废料产量[19]快速制造。在钢筋混凝土结构[20]加固和修复中，采用FRP材料是一种既经济又有效的加固方法。目前，玻璃钢在桥梁维修、加固和养护方面的应用最为突出，因为它具有高效、经济的特点

（a）板加强 （b）桥梁加固

图1 FRP加固钢筋混凝土结构的实际情况[9,21,22]

图2典型FRP材料与低碳钢的对比[23]

尽管FRP加固取得了重大进展，但仍有几个与长期受力性能有关的问题没有得到解决。因此，有必要了解FRP加固结构的动力和耐久性性能及其关键问题。事实上，如果加固技术在预期的设计寿命内失效，修复将受到损害。本文全面综述了FRP加固混凝土结构的性能、破坏模式、建模技术、面临的共同挑战和未来的发展机遇。本研究的结果将有利于研究人员和工程师通过深入了解钢筋混凝土结构的加固使用FRP材料。

2加固技术的类型

钢筋混凝土结构可以通过使用FRP材料作为外粘层合板(EB)、近表面安装(NSM)钢筋/条带(无论是否使用粘合剂和锚固系统)进行加固[16,24 - 26]。在玻璃钢应用中，环氧树脂一般用作胶粘剂。FRP加固体系的不同构型如表1所示。EB FRP加固可以在任何形态下进行，如侧粘接、部分或全包覆、倾斜或垂直。取而代之的是，NSM带可以插入到混凝土的凹槽中，并覆盖足够的粘合剂。设置锚固系统可以有效地提高加固结构的效率。广泛的锚固系统可应用于FRP加固，如FRP锚杆、机械紧固件、钉锚、粉末驱动紧固件、带或任何其他合适的配置[1,26 - 28]。Koutas和Triantafillou[27]和Ekenel等人(2006)的[29]研究表明，钉锚是一种更实用、更优越的锚固系统。加固技术的选择取决于结构形式、荷载和暴露条件。

表1 FRP加固技术

3 FRP加固结构的性能

一般情况下，可对现有的RC梁、板、柱、桥梁构件以及预应力结构构件进行加固，以提高其在不同荷载工况下的抗弯强度、抗剪强度、应变控制能力和延性[4,16,26,36]。在设计FRP体系时，通常采用的规范是ACI 440.2R、FIB 14和CECS 146[37]。FRP加固结构可能会经历不同类型的加载和暴露条件，因此其可持续性需要相应的证明。

3.1静荷载

3.1.1轴向强化

在混凝土压碎过程中，结构构件可能作为柱，主要经历直接压缩，需要加强以增加强度和使用寿命，并防止在脆性破坏时剥落。沿柱周缘包裹EB-FRP布是一种常见的加固技术，可提高抗压强度[39]。EB-FRP局部包裹系统在直接压缩下的效果较差[40];为了抵抗侧向挠度[39]，获得更高的抗压强度、延性和应变控制能力[41]，需要对柱进行全包覆。研究发现，用一层碳纤维布包裹后的空心柱强度提高66%，而用三层碳纤维布包裹后的空心柱强度提高123%。在轴向载荷作用下，EB-FRP缠绕是一种有效的方法。采用NSM体系后，强度仅提高了8%，而在同列[38]中，EB-FRP体系的强度提高了约42%。NSM条与EB-FRP体系的混合加固是柱加固最有效的方法。

FRP材料的抗压强度一般为抗拉强度的20-50%[40]，在压缩下，局部层失稳和失稳破坏的风险不容忽视[43]。周向纤维纤维增强材料，如螺旋或拉杆加固，是非常有效的[44,45]。矩形截面的包裹沿其平面方向弯曲刚度很小，轴向应力分布不均匀;另一方面，圆形截面表现出明显的刚性[46]。有时，矩形部分可能需要圆角，以防止沿尖角撕裂或剥离FRP材料[38,47]。FRP材料包裹的钢筋混凝土构件的延性比普通构件的延性大，且延性随偏心距的增大而增大。在的压力作用下，复合FRP体系具有良好的延性和耗能能力[44]。FRP包裹结构在直接轴向荷载作用下如图3所示。

图3典型FRP包裹柱轴压破坏情况(A)对照试件混凝土破碎情况(b、c、f) FRP破裂情况(d)锚固破裂情况[46、48、49]

3.1.2弯曲强化

结构构件可能反复受到弯曲作用，因此需要增加抗弯强度。受弯构件的性能取决于加固系统的类型、FRP和粘接剂的性能以及附加的8个锚固件。沿混凝土结构的受拉面排列的EB-FRP布是最常见的，在弯曲情况下具有良好的性能[5,41,50 - 52]，而FRP层合板中的纤维需要沿构件的长度排列。

此外，NSM-strip加固梁的抗弯性能已被证明优于目前广泛应用的EB层压体系，可使整体强度提高200%以上[38,41,53]。这有时被认为是由于NSM带与二维纤维的FRP层合板相比具有刚性[54]。FRP缠绕降低了弯曲下裂缝的挠度和宽度，提高了延性[55]。碳纤维布包裹的钢筋混凝土梁的抗弯强度增加了114%，相当于在纵向上增加了一层碳纤维布，在垂直于梁方向上增加了另一层碳纤维布[56]。研究人员对一根混凝土梁进行了加固，该梁因受碳纤维布包裹的腐蚀而损失了31%的钢量，并观察到其挠曲强度增加了73%[55]。摘要对一座60年历史的8米长预应力混凝土桥面梁采用EB CFRP板沿桥面加固，观察到其正常使用荷载增加10%，极限强度增加54%。另一个类似的梁也被加固，使用GFRP Ibeam锚固在桥面的底部，最后粘接CFRP层板。这些加固的大梁表现出色，最终强度提高了105%。增加FRP材料层的厚度，可显著提高强度[42]。根据[42]所述，联合加固对最终强度的获得更有利，当采用弯剪联合加固时，梁的强度得到了很大的提升。

研究发现，采用FRP筋加固钢筋混凝土板是非常有效的，当FRP纤维在0°方向并沿最大弯曲区粘结时，其强度可提高约40-90%[8,57]。Haddad和Almomani[58]发现，在钢筋混凝土梁上使用FRP NSM带，抗弯强度增加了154%，转动延性提高了85%。在NSM加固体系中，混凝土覆盖层和埋置长度非常重要[58,59]。用EB-FRP布包裹柱子可能对改善弯曲性能影响不大，但NSM带加固技术已被证明是有效的[44]。FRP加固混凝土结构在受弯状态下常见的破坏模式是脱粘破坏，这降低了加固效果[5,8,20]，如图4所示[5]。

(a)压碎与FRP破裂 (b)覆盖层分离 (c)集体剥离

图4受弯加固梁、板的典型破坏模式[5,56,57]

3.1.3剪切强化

外粘FRP筋可作为剪切缺陷钢筋混凝土梁的剪切钢筋，可采用垂直、倾斜、侧粘、u型缠绕或锚固结构。加固结构的性能取决于纤维的质量和数量、FRP的取向和分布、内钢箍筋与FRP的相互作用[60,61]。在所有的缠绕体系中，斜向缠绕体系是提高剪切能力的最有效的方法。在Singh[62]的研究中，将钢筋混凝土梁分别包裹45°取向的碳纤维布和双向碳纤维布后，其承载力分别提高了11.9%和7.7%。从文献中可以发现，沿45°方向缠绕的FRP可以抵抗对角裂缝，而0°和90°纤维取向的加固梁则不能[63]。研究人员[64]还对外施加预应力修复了受损梁上出现的剪切裂缝，并采用u型缠绕CFRP体系进行加固，使承载能力提高了57%。据之前文献描述，采用锚固系统后，承载力的提高更为明显，可达75-82.2% [65,66]。

此外，内箍筋与EB-FRP的相互作用也会影响强度[67]。为了达到最大的加固效果，适当的剪力跨深比和紧密间隔的FRP箍筋是有用的，而横向加固的负面影响可以通过忽略它们的使用来消除[63]。研究表明，在临界剪力跨不采用内箍筋时，加固梁的极限承载力可有效提高82.2%[66]。加固结构的预期破坏模式是延性的，这是梁受弯破坏的结果[66]。因此，在设计加固时，需要提供比抗弯承载力更高的抗剪承载力。典型的剪切加固体系如图5所示。

（a）FRP带剥离破坏 (b) FRP带剥离 (c) FRP加固板冲切剪切裂缝

图5梁、板典型剪切加固技术[5,62]

3.2动态表现

3.2.1影响表现

在会使结构内部产生冲击应力的因素有移动载荷、冰雹、偶然载荷下降、爆炸和龙卷风[68],它们的加载速率可达10,可能集中点负载结构[41]非常短的持续时间与应变率高于静态和地震载[68]。在冲击载荷作用下，剪力破坏十分常见，在钢筋混凝土构件[13]中起着关键作用，因此，为了提高整体抗冲击能力，需要对结构的抗剪能力进行加固[69]。EB-FRP布加固体系显著提高了RC结构的抗冲击强度，降低了结构的挠度和裂缝宽度[41,68]。据报道，剪切缺陷的FRP加固RC梁的抗冲强度增加了15%[68]，抗剪强度[13]增加了96%。增强可以通过使用单向/交叉方向纤维进行，特别是具有高抵抗正交冲击力能力的交叉方向碳和芳纶片[70]。虽然选择FRP材料来增加冲击能力仍然是一个有争议的问题，但在某些情况下，人们认为FRP的抗冲击能力高于其他FRP。在研究[70]中，使用CFRP和AFRP双向板加固钢筋混凝土板后，其冲击载荷能力分别增加了约20%和33%。因此，FRP加固RC结构的抗冲击强度在很大程度上取决于材料特性、冲击能、刚度、加载速率和加固形态[68]。

冲击载荷在结构中可能产生振动和逐渐负弯曲，这应在加固设计中考虑。因此，当施加冲击力时，FRP材料必须同时适用于受拉和受压两个方向。在大多数的冲击试验中，都观察到斜向剪切裂纹，这是由于11种过度的斜向剪切引起的。这就是为什么45°倾斜的FRP布包裹比u形包裹的钢筋混凝土构件具有更好的性能[69]。冲击加载改变应变分布，应变分布梯度较大，加载速率对FRP混凝土界面粘结强度影响较大[70,71];然而，加固后结构的破坏形式和延性并不直接取决于加载速率。

FRP加厚板在受到冲击时，会出现较平的冲切剪切锥和双向屈服，这是一个积极的信号，表明刚度增加[70]。FRP加固的钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下产生斜切裂缝和斜切裂缝，导致高应力集中区脱粘[13,68]。图6所示的u型缠绕梁在静载荷下进行了测试，发现其承载力比控制梁提高了43%[69]。FRP在破坏荷载作用下出现剪切开裂和剥离现象。然而，在冲击载荷试验中，梁在混凝土破碎过程中失效，FRP材料完全剥离。这些现象可能是由于在直接冲击力下产生的负弯曲引起的[41]。然而，当加固应用于任何可能受到冲击载荷的结构时，设计者应该考虑这些负弯曲作用。

静荷载下的破坏

冲击荷载下的破坏

图6 FRP加固RC梁在冲击荷载作用下的典型破坏[69]

3.2.2防爆性能

爆炸是猛烈爆破时可能产生的一种突发性荷载，其能量以极快的速度大规模释放，将较重的碎片分散开来，造成钢筋混凝土结构的破坏破碎;因此，为了安全起见，这些结构需要承受如此高的载荷。在现代社会，由于恐怖袭击、核爆炸或意外爆炸，爆炸发生在不同的地方。确保足够的隔爆距离是保护建筑物免受爆炸伤害的有效方法

FRP是一种轻质高强度材料，在爆炸过程中可产生抗弯、抗拉和抗拉-压复合作用。FRP加固体系的性能取决于整个体系的刚度、能量吸收能力和碎片捕捉能力[72-74]。FRP可作为钢筋混凝土结构的条材、包裹层或喷涂层，通过提高其延性、剪切和弯曲能力

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