第一篇：梁板結(jié)構(gòu)承載力不足的原因分析及碳纖維加固探討

摘要: 粘貼碳纖維加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面, 以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的(抗彎、抗剪)承載能力, 由此達到對建筑物進行加固、補強的目的。本文對梁板結(jié)構(gòu)的承載力不足的原因進行了系統(tǒng)總結(jié), 并對碳纖維材料在梁板結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用進行了介紹。

關(guān)鍵詞: 梁板結(jié)構(gòu) 加固 碳纖維

引言

碳纖維布加固修補結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù),它是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面, 以達到對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補強的目的。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修建筑工程管理論文補的研究始于上世紀 80 年代美、日等發(fā)達國家, 我國起步較晚, 在 20 世紀 90 年代后期國內(nèi)才開始碳纖維加固技術(shù)的研究與應(yīng)用, 并且已經(jīng)取得了一定的成果, 在工程中得到日益廣泛的應(yīng)用。

1.梁、板承載力不足的原因及加固目的

1.1 梁、板承載力不足的原因(1)由于施工過程中混凝土強度達不到設(shè)計要求, 或因鋼筋少配、誤配而引起梁、板等受彎構(gòu)件承載力不足。(2)在設(shè)計方面引起梁、板等受彎構(gòu)件承載力不足最主要的原因是計算簡圖與梁、板實際受力情況不符合, 或者荷載漏算、少算。(3)使用過程中嚴重超載也會導(dǎo)致梁板承載力不足。(4)其他原因:地基的不均勻沉降, 使梁中產(chǎn)生附加應(yīng)力;采用了不成熟的構(gòu)件;構(gòu)件形式帶來的影響。例如, 采用薄腹梁雖有不少優(yōu)點, 但是有一定數(shù)量的薄腹梁產(chǎn)生較嚴重的斜裂縫;構(gòu)件耐久性不足導(dǎo)致鋼筋嚴重銹蝕甚至銹斷, 嚴重影響承載力。引起承載力不足的原因, 除上述例舉外, 還有鋼筋錨固不足、搭接長度不夠、焊接不牢以及荷載的突然作用等等。

1.2 補強加固的目的(1)提高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的強度;(2)提高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的穩(wěn)定性;(3)提高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的剛度;(4)提高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的耐久性。

2.混凝土加固結(jié)構(gòu)的受力特性

對已建的結(jié)構(gòu)進行加固, 其受力性能與一般未經(jīng)加固的普通結(jié)構(gòu)有較大的差異。首先, 加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu), 加固前原結(jié)構(gòu)已有載荷作用受力(即第一次受力), 原結(jié)構(gòu)存在一定的壓縮(或彎曲)變形, 同時原結(jié)構(gòu)混凝土基本已經(jīng)完成收縮變形;而加固一般是在未卸荷下進行的, 新加部分在新增荷載時, 即第二次加載下, 才開始受力, 導(dǎo)致新加部分的應(yīng)力、應(yīng)變滯后于原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變。因此, 新、舊結(jié)構(gòu)不能同時達到應(yīng)力峰值, 破壞時, 新加部分可能達不到自身的極限狀態(tài)。其次, 加固結(jié)構(gòu)新、舊兩部分存在整體工作問題, 整體工作的關(guān)鍵在于結(jié)合面能否有效地傳遞剪力。由于加固結(jié)構(gòu)有上述的受力特征, 決定了其計算方法和構(gòu)造處理以及施工要求, 不同于普通混凝土結(jié)構(gòu)。

3.碳纖維加固

3.1 適用范圍(1)適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補, 如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)。(2)基層混凝土的強度等級不低于 C15。

3.2 工藝流程工藝流程: 表面處理→卸荷→涂底膠→找平→涂面膠→粘貼→粉刷保護。

3.3 粘貼碳纖維片材進行受彎加固的破壞形態(tài)粘貼碳纖維片材進行受彎加固的破壞形態(tài)主要有以下幾種:(1)受拉鋼筋先達到屈服, 然后受壓區(qū)混凝土壓壞, 此時碳纖維片材尚未達到其容許拉應(yīng)變;(2)受拉鋼筋先達到屈服, 碳纖維片材已超過其容許拉應(yīng)變, 并達到極限拉應(yīng)建筑工程管理論文變而拉斷, 此時受壓區(qū)混凝土尚未壓壞;(3)由于碳纖維片材的加固量過大, 在受拉鋼筋達到屈服前, 受壓區(qū)混凝土已首先壓壞;(4)在達到正截面承載力前, 碳纖維片材與混凝土基面已產(chǎn)生剝離破壞。

3.4 碳纖維加固特點碳纖維加固是利用碳纖維布和結(jié)構(gòu)膠對構(gòu)件進行加固處理, 具有以下特點:

(1)抗拉強度高, 是Ⅱ級鋼筋的 10 倍以上。(2)輕質(zhì)、柔軟、易粘貼、質(zhì)量易于保證, 不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。加固時不需螺栓、鉚釘固定, 對結(jié)構(gòu)擾動小, 可更好保護結(jié)構(gòu)整體性。(3)廣泛應(yīng)用于橋梁和建筑加固, 特別適用于各類曲面結(jié)構(gòu)。適用面廣, 質(zhì)量易保證。(4)耐久性好,耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境腐蝕,耐持久性能佳。(5)可提高柱延性(抗震能力)2 至 4倍, 提高梁、板的抗彎能力 30%～100%,增強梁、柱抗剪能力 30%～80%, 提高柱、墻承壓能力 20%～50%。(6)加固修補后,基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。(7)施工便捷, 工效高, 沒有濕作業(yè),不需現(xiàn)場固定設(shè)施, 施工占用場地少。

3.5 一般構(gòu)造要求(1)當(dāng)碳纖維布沿其纖維方向需繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時, 轉(zhuǎn)角處構(gòu)件外表面的曲率半徑應(yīng)不小于 20mm。(2)碳纖維布沿纖維受力方向的搭接長度應(yīng)不小于100mm。當(dāng)采用多條或多層碳纖維布加固時,各條或各層之間的搭接位置宜相互錯開。(3)為保證碳纖維可靠地與混凝土共同工作,必要時應(yīng)采取附加錨固措施。

3.6 施工安全及注意事項(1)碳纖維片材為導(dǎo)電材料, 使用碳纖維片材時應(yīng)盡量遠離電氣設(shè)備及電源。(2)使用中應(yīng)避免碳纖維片材的彎折。(3)碳纖維片材配套樹脂的原料應(yīng)密封儲存, 遠離火源, 避免陽光直接照射。

(4)樹脂的配制和使用場所, 應(yīng)保持通風(fēng)良好。(5)現(xiàn)場施工人員應(yīng)根據(jù)使用樹脂材料采取相應(yīng)的勞動保護措施。

4.結(jié)語

碳纖維加固技術(shù)對于混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的補強加固效果十分理想,在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下,該技術(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達到了業(yè)主的要求,其綜合經(jīng)濟效益和社會效益良好,具有較大的推廣使用價值。

參考文獻:

[1] 呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,1997.[2] 卓尚木,季直倉,卓昌志.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)事故分析與加固[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.[3] 李惠強.建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復(fù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

第二篇：碳纖維加固分析

碳纖維加固混凝土的彈塑性分析 黃興 王國體

摘要：

1.碳纖維復(fù)合材料是航空、汽車、運動器材等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的材料之一。由于具有優(yōu)異性能。碳纖維單向布與配套樹脂材料已是加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的新材料、新工藝。本文簡單介紹了鋼筋混凝土有限元分析的研究現(xiàn)狀，碳纖維加固混凝土技術(shù)的發(fā)展概況，討論了混凝土材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，介紹了常見的可以用來模擬混凝土的幾種模型。2.在確定有限元模型的基礎(chǔ)上，詳細介紹了ANSYS中專門用于模擬混凝土或鋼筋棍凝土結(jié)構(gòu)的Solid65單元以及鋼筋單元LINK8。

3.在對鋼筋混凝土梁的有限元分析中，通過對碳纖維布的添加和消去，用ANSYS進行模擬并對試驗結(jié)果進行比較，驗證碳纖維對混凝土的加固作用。關(guān)鍵詞：混凝土 加固 有限元

Carbon fiber reinforcement concrete ball plasticity analysis Abstract：

1.The carbon fiber is compound with the aviation, the automobile，the movement equipment and so on one of multitudinous domain widespread application materials.Because has the outstanding performance.The carbon fiber unidirectional cloth and the necessary resin material already were reinforces the reinforced concrete structure the new material, the new craft.This article simply introduced the present situation of the reinforced concrete finite element analysis research, the carbon fiber reinforcement concrete technology development survey;discussed the coagulation of the material ball plasticity and the construction relations.Introduced several kinds of common useful models to simulate the concrete.2.In the determination finite element, in the model foundation, in detail introduced in ANSYS specially uses in to simulate the concrete or the steel bar stick congeals the texture of soil Solid65 unit as well as steel bar unit LINK8

3.In infinite element analysis which puts up the main beam to the steel bar coagulation, through eliminates or add the carbon fiber ,carries on the simulation with ANSYS, thus carries on the comparison to the test result, the confirmation carbon fiber to the concrete reinforcement function Key word: Concrete reinforcement finite element 鋼筋混凝土有限元分析的意義

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種物理—力學(xué)完全不同的材料所組成的結(jié)構(gòu)材料。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于強度高、可模性好、造價低等優(yōu)點，在我國建筑業(yè)中被廣泛使用，公共建筑及絕大部分高層建筑均為鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)。

由于鋼筋混凝土材料性能的特殊性和復(fù)雜性，對于鋼筋混凝土的試驗研究存在著許多復(fù)雜的因素，主要包括:(1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由兩種材料組成:鋼筋和混凝土。

(2)混凝土本身主要是由山水、砂石骨料和水泥復(fù)合而成。在混凝土硬化以后，在混凝土中仍然有自由水和孔隙，甚至還有未水化的水泥粒，并不可避免的形成數(shù)條多微裂縫?；炷恋膽?yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，且受很多因素影響。在復(fù)雜應(yīng)力條件下，混凝土本構(gòu)方程仍然是一個需要深入研究的問題。

(3)在荷載作用下，一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的?；炷恋牧芽p隨荷載的增加而不斷發(fā)展。

(4)混凝土的變形是與時間有關(guān)的，如收縮和徐變。

(5)鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系非常復(fù)雜，如何模擬粘結(jié)關(guān)系也需進一步研究。

(6)鋼筋本的非彈性性能。

考慮到這些復(fù)雜因素，要精確分析一個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從加載到破壞的全過程是十分困難的。長期以來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析主要靠試驗和經(jīng)驗公式，而且主要是針對桿件結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)要么用模型試驗，要么用彈性理論，對某些結(jié)構(gòu)一般是用極限平衡理論求得其承載力。

隨著電了計算機的出現(xiàn)和混凝土本構(gòu)關(guān)系研究的深入，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析方法得到了迅速的發(fā)展。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析中運用有限元分析可以提供大量結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息，諸如結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、應(yīng)變的變化，混凝土壓屈，鋼筋流動，粘結(jié)滑移，破壞荷載等等，這對研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能，改進工程設(shè)計都有重要的意義。

2鋼筋混凝土有限元分析的研究現(xiàn)狀

最早用有限元法分析鋼筋混凝上梁的學(xué)者是 Ngo和Scordelis。他們于1967年在ACI雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)這一內(nèi)容的論文們在研究中，主要還是基于線彈性理論，但是他們根據(jù)試驗結(jié)果，將鋼筋和混凝土劃分為三角形單元，按平面 應(yīng)力問題和線彈性理論分析鋼筋和混凝土應(yīng)力，針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點，在鋼筋和混凝土之間附加了一種沿鋼筋徑向和切向都有一定剛度的粘結(jié)彈簧，從而可以分析粘結(jié)應(yīng)力的變化情況：反映混凝土的開裂特性，提出了離散裂縫(discrete cracks)形式，即在梁中預(yù)先設(shè)置裂縫，裂縫的兩邊用不同的節(jié)點，裂縫間也附加了特殊的無幾何尺寸的連接彈簧，以模擬混凝土裂縫間的骨料咬合力和鋼筋的銷栓作用。這一研究獲得了很大的成功，引起了巨大的反響。自此以后，許多學(xué)者在這一領(lǐng)域研究，發(fā)表了大量研究成果。

1968年Nilsson發(fā)展了Ngo等人的工作，將鋼筋與混凝土非線性粘結(jié)關(guān)系和混凝土本身的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系引入有限元分析，當(dāng)鋼筋開裂后就重新劃分網(wǎng)格，把裂縫置于單元邊界處Frankin于1970年首先引入“彌散裂縫”的方法，將鋼筋分布在混凝土單元中，假定鋼筋與混凝土間有效連接并可以自動跟蹤裂縫的發(fā)展。這一方法為有限元分析實際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提供了有力工具，獲得了廣泛應(yīng)用。有些研究中還用拉伸強化(tension stiffening)概念，以考慮裂縫之間混凝土對受拉的貢獻。由于彌散裂縫模式計算相對簡單并具有較好的精度，這一模式己被應(yīng)用于平面應(yīng)力、平面應(yīng)變、板彎曲、殼體、軸對稱和三維實體問題之中。1969年已有學(xué)者用分層法來建立鋼筋混凝土梁的彎曲單元稍后Lin和Scordelis將分層法用于板殼單元等彎曲構(gòu)件，假定每一個混凝土堆安全殼、存儲容器和海洋石油平臺等大型混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析中。這一階段的研究和應(yīng)用都取得了很大的進展，但總的來說，不管是理論研究還是工程應(yīng)用，都比較粗糙，處于探索階段。

1977-1985年，在這個階段中，研究工作主要可分為兩個方面。一方面是繼續(xù)在單元模式的選取、混凝土的本構(gòu)關(guān)系和破壞理論、裂縫的模擬和拉伸強度、骨料咬合和銷栓作用以及粘結(jié)方面進行深入的研究。另一方面是系統(tǒng)性的總結(jié)和交流工作，美國土木工程協(xié)會組織了一個20人的委員會，花了八年時間，總結(jié)和分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的大量研究資料和信息，在 1982午 5月發(fā)表了長達 545頁的綜述報告，內(nèi)容涉及本構(gòu)關(guān)系和破壞理論、鋼筋模擬及粘結(jié)的表示、混凝土開裂、剪力傳遞、時間效應(yīng)、動力分析、數(shù)值算例和應(yīng)用;還在附錄中發(fā)表了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性的有限元程序。在這一時期，歐洲和亞洲的一些學(xué)者也在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析方面進行了大量的研究工作，1987年7月在聯(lián)邦德國召開了“鋼筋混凝土空間結(jié)構(gòu)非線性性能”的國際會議;1981年，國際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會在荷蘭召開了 “高等混凝土力學(xué)”的國際會議;1984年，在前南斯拉夫召開了 “混凝土結(jié)構(gòu)的計算機輔助分析與設(shè)計”國際會議。同時，日本學(xué)者的研究工作在起步較晚的情況下很快的發(fā)展到了應(yīng)用階段，并且與試驗的結(jié)合方面取得了很大的進展。

1985年到現(xiàn)在，處在混凝土的本構(gòu)關(guān)系的表達和試驗研究方面繼續(xù)進行更深入的研究之外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析進一步向?qū)嵱梅较虬l(fā)展，努力把現(xiàn)有的分析方法和工程設(shè)計結(jié)合起來。同時，研究的領(lǐng)域也進一步擴展到動力、沖擊荷載下的非線性分析，分析模型和材料參數(shù)成為預(yù)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在動力和沖擊荷載下性能的研究熱點;高強混凝土和受約束混凝土結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析也受到了重視;材料非線性、幾何非線性以及時間因素的綜合考慮也融入了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析。在混凝土結(jié)構(gòu)中，與時間因素有關(guān)的效應(yīng)包括荷載、預(yù)應(yīng)力、環(huán)境因素以及隨時間推移而變化的徐變、收縮、老化、熱效應(yīng)和預(yù)應(yīng)力筋的松弛等。在這一時期中，我國在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限 元分析的大部分領(lǐng)域開展了研究工作，取得了很大發(fā)展。我國雖然沒有專門召開過鋼筋混凝土非線性有限元分析方面的會議，但這方面的研究工作在計算力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、地震工程等全國性的學(xué)術(shù)會議中有所反映，也出版了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析方面的專著，反映了我國在這一方面的研究成果。

目前可以說鋼筋混凝土的有限元分析己經(jīng)到了相當(dāng)實用的階段。歐洲混凝土委員會 1990年的混凝土模式規(guī)范已經(jīng)將混凝土有限元方法納入其有關(guān)條文。我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也在附錄中寫入了有關(guān)有限元分析的條文。其主要用途如下：

a)用于重大結(jié)構(gòu)，如核電站的安全殼、海上采油平臺、大型水利工程結(jié)構(gòu)的靜力分析，尤其是動力分析，具有及其重要的意義。既可以檢驗設(shè)計，又可以優(yōu)化設(shè)計;既有經(jīng)濟價值，又有研究價值。

b)用于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的全過程分析，對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能及其實際的極限荷載有更深入、正確的了解，能揭示出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，能對其可靠性做出正確的評價。

c)輔助試驗進行參數(shù)設(shè)計。

3.ANSYS在鋼筋混凝土有限元分析中的運用

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的新一代大型有限元分析程序，它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，能高效的求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力分析、斷裂力學(xué)等問題。它擁有完善的前后處理和強大的數(shù)據(jù)接口，因而是計算機輔助設(shè)計(CAE)和工程數(shù)值分析和模擬最有效的軟件之一。

4碳纖維加固技術(shù)的發(fā)展概況。

碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)補強加固的研究下作開始于80年代的美、日等發(fā)達國家。自80年代末至今，日本、美國、新加坡以及歐洲的部分國家和地區(qū)的眾多大學(xué)、研究機構(gòu)、材料生產(chǎn)廠家等都相繼進行了大量碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)補強加固的研究開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上己編制形成了自己國家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。日本的阪神大地震后，很多工程就是用碳纖維材料加固修補的。建筑物的抗震加固技術(shù)在日本、韓國、美國、歐洲、臺灣等國家和地區(qū)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。碳纖維材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用已非常廣泛，概括起來主要有以下幾種途徑：

(1)在攪拌混凝土的同時加入短纖維制成碳纖維混凝土，用于新建結(jié)構(gòu)。(2)長絲制成束狀(棒材)在現(xiàn)澆混凝土中代替鋼筋用土新建結(jié)構(gòu)。

(3)將碳纖維制成織物(片材)>VI貼到混凝土表面用于結(jié)構(gòu)的補強和加固。從目前國內(nèi)外的發(fā)展情況看，碳纖維材料應(yīng)用于建筑業(yè)的研究開發(fā)活動正 呈積極活躍的態(tài)勢。中國擁有巨大的建筑市場，大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)急需補強以優(yōu)化設(shè)計；既有經(jīng)濟價值，又有研究價值。

5今后的研究內(nèi)容

1.討論了混凝土材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，介紹了常見的可以用來模擬混凝土的幾種模型。

2.在確定有限元模型的基礎(chǔ)上，詳細介紹了ANSYS中專門用于模擬混凝土或鋼筋棍凝土結(jié)構(gòu)的Solid65單元以及鋼筋單元Link8。

3.在對鋼筋混凝土梁的有限元分析中，通過對碳纖維布的添加和消去用ANSYS進行模擬，從而對試驗結(jié)果進行比較，驗證碳纖維對混凝土的加固作用。

鋼筋混凝土材料的性質(zhì)非常復(fù)雜:(1)在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的非線性應(yīng)力—應(yīng)變特性;(2)應(yīng)力軟化和各向異性彈性劣化:(3)拉伸應(yīng)力或應(yīng)變引起的逐步開裂;(4)鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑移，骨料的連鎖作用，鋼筋的鉚合作用;5)有如徐變、收縮與時間相關(guān)的特性。因此，如何提出一個能描述在所有情況下混凝土特性都合適的本構(gòu)模型是非常困難的一項工作。本章將簡要介紹混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系。

參考書目：

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5.ANSYS非線性分析指南

6.盧哲安 陳濤 彈纖維加固鋼筋混凝土板非線形有限元分析 中國科技論文在線 7．江見鯨 陸新征 鋼筋混凝土有限元 清華大學(xué)研究生精品課程

8．周岑 孫利民 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性分析在 ANSYS中的實現(xiàn) 同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室 2000.9.2

第三篇：空心板梁底板縱向裂縫成因分析及加固對策

空心板梁底板縱向裂縫成因分析及加固對策

【摘要】:底板縱向裂縫是空心板梁的通病之一，本文從設(shè)計、施工、運營等方面對引起底板縱向裂縫的原因進行了分析，并結(jié)合試驗說明了底板縱向裂縫對梁體受力的影響，在此基礎(chǔ)上提出了空心板梁底板縱向裂縫的四種加固方案。關(guān)鍵詞:縱向裂縫成因分析加固對策

收稿日期:2011-10-15;修回日期:2011-12-20作者簡介:趙慶華(1977—)，男，河北滄州人，工程師。

來源： 1工程概況

混凝土空心板梁具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、用材經(jīng)濟、建筑高度低、吊裝質(zhì)量輕，易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和工廠化制作，是公路和城市中小跨度橋梁中廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)筆者近幾年的橋梁狀態(tài)調(diào)查結(jié)果表明，目前混凝土空心板梁底板普遍存在縱向開裂的現(xiàn)象，這類裂縫既存在于普通鋼筋混凝土空心板梁中，也存在于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁中(包括先張法和后張法空心板梁);既存在于邊梁中，也存在于中梁中。部分裂縫在梁體預(yù)制完成拆模后即出現(xiàn)，有些裂縫在橋梁正常運營一段時間后產(chǎn)生。由于空心板梁是以縱向受力為主的受彎構(gòu)件，當(dāng)?shù)装宄霈F(xiàn)裂縫后，其產(chǎn)生的原因及對結(jié)構(gòu)的影響就成為了工程建設(shè)者和管理者所關(guān)注的問題。本文結(jié)合筆者多年從事檢測、設(shè)計及加固施工的經(jīng)驗，對上述兩個問題進行了分析和探討，以便為同類工程提供參考和借鑒。

2裂縫形態(tài)及對結(jié)構(gòu)受力的影響

空心板梁底板縱向裂縫一般分布在空心板梁跨中位置附近，多數(shù)裂縫貫穿了空心板全長，從支點一直延伸至跨中，直至另一個支點。但也有部分空心板梁裂縫并不連續(xù)，僅在局部開裂，而且跨中縱向開裂多，支點附近開裂少。從歷年的檢查結(jié)果來看，空心板梁縱向裂縫寬度一般在0.1～0.3mm左右，部分較嚴重的裂縫寬度超過1.0mm，大多數(shù)的裂縫寬度已經(jīng)超過《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTGH11—2004)對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件縱向裂縫寬度的限值(0.2mm)。

文獻［2］指出，底板存在縱向裂縫的梁，其承載能力仍能滿足要求，但個別裂縫較嚴重的梁的撓度、應(yīng)力值的校驗系數(shù)呈離散情況，這說明縱向裂縫對空心板梁的縱橋向承載能力影響不大，但較嚴重的裂縫對梁體的整體性和剛度產(chǎn)生影響。文獻［1］表明，由于縱向裂縫的存在，空心板梁由原來的閉口截面變成了開口截面，梁體抗扭剛度顯著降低，各空心板梁橫向連接剛度明顯減弱，荷載橫向分布系數(shù)增大，這樣勢必導(dǎo)致主梁縱向受力增大，使空心板梁存在產(chǎn)生橫向裂縫的隱患。本文選取了某高速公路存在底板縱向裂縫的空心板梁進行了實橋試驗，并將試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果(按未開裂截面計算)進行了對比，結(jié)論與文獻［2］結(jié)果基本一致，縱向裂縫對空心板梁的承載能力影響較小，實測梁體橫向分布影響線較為平滑，影響線形態(tài)與未開裂截面的計算結(jié)果形態(tài)較為接近，表明梁體底板縱向裂縫對梁體橫向分布影響較小，對結(jié)構(gòu)整體工作狀況影響不大。3成因分析

空心板梁底板縱向裂縫的產(chǎn)生原因主要包括設(shè)計、施工及運營三個方面:1)設(shè)計方面。早期空心板梁設(shè)計由于經(jīng)濟因素制約，其底板厚度較薄(一般為10～12cm左右，部分梁體優(yōu)化設(shè)計后底板厚度更薄)，薄壁結(jié)構(gòu)在縱向受力時其截面將發(fā)生畸變變形，同時在底板上下緣產(chǎn)生畸變彎曲應(yīng)力，當(dāng)畸變拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，勢必導(dǎo)致底板產(chǎn)生縱向開裂。若底板橫向構(gòu)造配筋較少，則鋼筋無法限制縱向裂縫的擴展(底板橫橋向為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))，這也是底板縱向裂縫寬度一般較大的原因之一。

2)施工方面。施工工藝引起空心板梁底板產(chǎn)生4縱向裂縫的因素較多，其中預(yù)應(yīng)力因素較為關(guān)鍵。正常狀態(tài)下施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力將對截面產(chǎn)生軸向壓力和彎矩，由于混凝土材料的泊

松效應(yīng)，在軸向壓力作用下底板將產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，此應(yīng)力與截面的畸變應(yīng)力組合后往往大于混凝土的抗拉強度，這就是產(chǎn)生縱向裂縫較為普遍的原因之一。若后張法預(yù)應(yīng)力管道定位不牢固，預(yù)應(yīng)力鋼束在澆筑混凝土后出現(xiàn)起伏狀，則張拉鋼束時預(yù)應(yīng)力的徑向力將導(dǎo)致底板出現(xiàn)局部開裂。

曾對部分出現(xiàn)縱向裂縫的空心板梁進行了驗證，發(fā)現(xiàn)底板出現(xiàn)裂縫與定位鋼筋間距太大或定位不牢固有直接關(guān)系。

此外，空心板梁混凝土質(zhì)量較差、振搗不密實、內(nèi)模下沉導(dǎo)致底板厚度偏薄等因素均可引起底板產(chǎn)生縱向裂縫，但上述因素可以通過加強施工管理來解決，不具有普遍性。

3)運營方面。大量的日常檢查結(jié)果表明，采用四個板式橡膠支座的空心板梁極易出現(xiàn)支座局部脫空、整體脫空甚至支座缺失的情況。若空心板梁支座出現(xiàn)病害，則梁體受力偏移設(shè)計意圖，空心板梁約束扭轉(zhuǎn)內(nèi)力加大，在約束扭轉(zhuǎn)的作用下截面同樣產(chǎn)生畸變彎曲應(yīng)力，也是引起空心板梁底板縱向裂縫的原因之一。

文獻［4］認為空心板梁底板縱向裂縫應(yīng)由空心板內(nèi)外溫差所引起，并指出底板對內(nèi)外溫差較為敏感，而頂板不敏感，并建議在空心板梁底板開通風(fēng)口。筆者認為空心板梁內(nèi)外溫差對底板受力影響較小，一方面是空心板梁壁厚較小，熱傳導(dǎo)很快就能完成;另一方面中板受外界環(huán)境溫度影響較小，但中板出現(xiàn)底板縱向裂縫亦是普遍現(xiàn)象。

綜合以上分析，空心板梁底板縱向裂縫應(yīng)是上述三個方面因素單獨或綜合的體現(xiàn)，亦不排除是混凝土收縮產(chǎn)生早期裂縫，在荷載作用下擴展形成最終的底板縱向裂縫。4加固對策

從上述分析可知，底板縱向裂縫對空心板梁承載能力影響較小，但空心板出現(xiàn)裂縫后，其抗扭剛度降低較多，不利于梁體的受力。此外，裂縫對空心板梁的整體性及耐久性亦有顯著的影響。鑒于此，針對空心板梁底板縱向裂縫，目前的加固措施主要有以下四種:1)裂縫處理。按照《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTGH12—2004)的要求，當(dāng)裂縫寬度在限值范圍內(nèi)時，進行封閉處理，一般涂刷環(huán)氧樹脂膠;當(dāng)裂縫寬度大于限值規(guī)定時，采用壓力灌漿法灌注環(huán)氧樹脂膠或其它灌縫材料。裂縫寬度限值一般可取0.15mm。

2)粘貼纖維材料。為了防止水氣進入空心板梁腐蝕鋼筋，同時為了增強空心板梁的整體性，可采用沿裂縫粘貼雙向纖維材料的辦法對裂縫進行全覆蓋，纖維材料的寬度一般30～50cm，可采用的纖維材料包括碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維，但由于加固部位暴露在大氣中，纖維材料及粘結(jié)劑的老化和耐久性問題較為突出。

3)粘貼鋼板。先根據(jù)裂縫寬度分別采取封閉或灌注的方法對裂縫進行處理，然后為了限制裂縫的進一步擴展，采用橫向粘貼鋼板條的方法進行加固，鋼板條一般寬度為10～15cm，厚度為6～8mm，鋼板條的縱向間距目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，部分橋梁縱向間距為30～50cm，部分橋梁縱向間距為1.0～2.0m。筆者建議跨中可適當(dāng)減小間距，支點附近可適當(dāng)增大間距。4)內(nèi)灌高標(biāo)號砂漿。此方案一般在處理底板厚度偏薄及底板出現(xiàn)縱向裂縫時采用，施工時在底板內(nèi)鉆進漿孔和出漿孔，然后往空心板空腔內(nèi)灌流動性較好高標(biāo)號砂漿，當(dāng)砂漿達到一定厚度后即可從出漿孔流出，既可以增加底板厚度，又可以限值裂縫的進一步擴展。此方案須嚴格控制灌入的砂漿數(shù)量，防止梁體恒載增加過大。

5結(jié)語

通過上述分析可知，空心板梁底板縱向裂縫應(yīng)為設(shè)計、施工及運營三個方面因素單獨或綜合的體現(xiàn)，目前難以準(zhǔn)確界定哪個因素對裂縫的產(chǎn)生起決定性作用。正是由于空心板梁底板縱向裂縫難以有效預(yù)防和控制，目前這一梁型正逐步被小箱梁所替代。

參考文獻

［1］邱利銳.混凝土空心板梁底板縱向裂縫對結(jié)構(gòu)受力的影響分析［J］.鐵道建筑，2009(3):53-55.［2］趙衛(wèi)國，薛文.先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁縱向裂縫分析［J］.公路，2006(10):52-53.［3］呂長榮，周世軍.裝配式簡支空心板梁縱向裂縫分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2007(4):167-171.［4］郭銘德，呂錦剛.空心板梁底板縱向裂縫問題的分析［J］.廣東科技，2006(5):112-113.

第四篇：現(xiàn)澆板開裂原因分析及加固技術(shù)

現(xiàn)澆板開裂原因分析及加固技術(shù)

簡介：通過檢測，對現(xiàn)澆板裂縫從設(shè)計、施工兩方面進行分析，并提出相應(yīng)處理措施。

關(guān)鍵字：現(xiàn)澆板，裂縫加固

一、工程概況

某企業(yè)廠房工程，框架結(jié)構(gòu)四層，鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面。工程于2003年7月開始施工，2004年3月由于經(jīng)濟糾紛更換施工班組(此時，底層柱已澆筑完成)，同年7月主體結(jié)構(gòu)結(jié)頂。在清理二層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆板板面開裂情況較嚴重；繼而檢查三、四層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板，這些板板面也存在少量裂縫。

二、原因分析

針對上述工程質(zhì)量問題，通過對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土的強度、鋼筋的規(guī)格、數(shù)量、間距、保護層厚度等方面的現(xiàn)場檢測，對可能引起該質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方面因素進行了分析，如下：

1：設(shè)計方面

本廠房工程原設(shè)計為框架三層。在施工過程中，根據(jù)業(yè)主的要求，工程增設(shè)一層，屋面結(jié)構(gòu)也改為輕鋼屋面。該結(jié)構(gòu)的變更是經(jīng)原設(shè)計單位復(fù)核后同意的。工程質(zhì)量事故發(fā)生后，另請了一家設(shè)計單位對此廠房工程的結(jié)構(gòu)承載力進行復(fù)算，增加的一層荷載能滿足基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)承載的要求，排除了設(shè)計方面的原因。

2：施工方面

（1）經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)板上部配筋（負筋），未按圖施工。二層樓面以上現(xiàn)澆板橫向上部負筋由原設(shè)計的Φ10@200（分離式）改為Φ6@200（拉通），配筋大大降低。施工人員不按圖施工，偷減鋼筋原材料（后了解，此事經(jīng)業(yè)主管理人員認可）。

（2）現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土強度偏低，現(xiàn)澆板砼面層水泥漿偏厚，骨料偏少。經(jīng)工程所在地建材檢測中心現(xiàn)場檢測，二、三、四層現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的砼強度推定值分別為21.9Mpa、21.2MPa、17.5MPa。低于設(shè)計C25強度等級要求。

（3）施工過程中，板上部鋼筋被踩低，砼保護層偏厚。檢測二層現(xiàn)澆板上部鋼筋的砼保護層厚度多在30-40mm之間?，F(xiàn)澆板的有效斷面減少了15—25mm。

（4）模板支撐體系失穩(wěn)。據(jù)了解，二層結(jié)構(gòu)施工日期在三月，時值春季多雨。替換后的另一施工班組未仔細處理基礎(chǔ)的回填土，并很快在回填土層上架設(shè)二層結(jié)構(gòu)模板。模板在鋪設(shè)鋼筋、澆筑混凝土過程中逐漸產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致二層現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)砼凝結(jié)硬化過程中逐漸開裂。這是二層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板的裂縫較多，三、四層結(jié)構(gòu)裂縫較少的一個重要原因。

綜上所述，二層現(xiàn)澆板板面出現(xiàn)裂縫主要原因是板面負筋配筋量大量減少、混凝土施工過程中配合比失控造成強度不足、鋼筋混凝土保護層偏大、混凝土硬化過程中模板支撐失穩(wěn)等施工方面的綜合因素造成。

三、處理方案和實施

1．對現(xiàn)澆板大于0.3mm的貫穿及半貫穿裂縫采用化學(xué)灌漿處理。將裂縫部位鑿成“V”型槽，槽寬約30mm，深約20mm。用鋼絲刷除去“V”型槽面浮渣，壓縮空氣吹凈浮塵，用脫脂棉蘸丙酮擦凈“V”型槽。沿“V”型槽及兩側(cè)各100mm寬刷環(huán)氧膠液一道，再用環(huán)氧膠泥封縫抹平，并同步埋設(shè)灌漿嘴；間距約1.0m；待環(huán)氧膠泥硬化后，采用改性環(huán)氧樹脂進行灌漿處理。

2．現(xiàn)澆板面在梁支座處采用粘貼碳纖維的方式進行加固處理。鑒于廠房加層后，原結(jié)構(gòu)體系的承載力已經(jīng)余地不多，不宜再采用另行增加荷載的加固方案，故綜合比較各種加固措施；對現(xiàn)澆板面負筋不足處（梁支座處）采用了粘貼炭纖維加固的方法。具體加固方案：負筋配筋為Φ6@200部位，碳纖維粘貼方向與橫向負筋方向一致，覆蓋負筋范圍，沿板每隔100mm布置碳纖維一道（規(guī)格：200g/m2，寬100mm），然后沿縱方向板上，負筋錨固位置原框架梁邊1100mm處布置碳纖維壓條一層，寬200mm。

四、結(jié)語

經(jīng)過上述處理，有效地消除了該工程存在的質(zhì)量隱患，基本滿足了結(jié)構(gòu)和使用要求,通過了業(yè)主及有關(guān)方面的驗收并投入了使用，避免了更大的經(jīng)濟損失，及時發(fā)揮了投資的社會和經(jīng)濟效益，通過一年時間的使用和觀察，沒有其他問題出現(xiàn)，達到了預(yù)期的處理目的，取得成功，得到了有關(guān)各方的認可。由于近年來大型甚至超大型工程大量出現(xiàn)，而相應(yīng)的混凝土技術(shù)并沒有得到突破性進展，使得混凝土結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)較普遍，該工程的實踐為類似問題的處理可提供一些借鑒。

第五篇：現(xiàn)澆板開裂原因分析及加固技術(shù)

現(xiàn)澆板開裂原因分析及加固技術(shù)

簡介：通過檢測，對現(xiàn)澆板裂縫從設(shè)計、施工兩方面進行分析，并提出相應(yīng)處理措施。

關(guān)鍵字：現(xiàn)澆板，裂縫加固

一、工程概況

某企業(yè)廠房工程，框架結(jié)構(gòu)四層，鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面。工程于2003年7月開始施工，2004年3月由于經(jīng)濟糾紛更換施工班組(此時，底層柱已澆筑完成)，同年7月主體結(jié)構(gòu)結(jié)頂。在清理二層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆板板面開裂情況較嚴重(如圖一所示)；繼而檢查三、四層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板，這些板板面也存在少量裂縫。

二、原因分析

針對上述工程質(zhì)量問題，通過對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土的強度、鋼筋的規(guī)格、數(shù)量、間距、保護層厚度等方面的現(xiàn)場檢測，對可能引起該質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方面因素進行了分析，如下：

1.設(shè)計方面

本廠房工程原設(shè)計為框架三層。在施工過程中，根據(jù)業(yè)主的要求，工程增設(shè)一層，屋面結(jié)構(gòu)也改為輕鋼屋面。該結(jié)構(gòu)的變更是經(jīng)原設(shè)計單位復(fù)核后同意的。工程質(zhì)量事故發(fā)生后，浙江省建科院對此廠房工程的結(jié)構(gòu)承載力進行復(fù)算，增加的一層荷載能滿足基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)承載的要求，排除了設(shè)計方面的原因。

2.施工方面

(1)經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)板上部配筋(負筋)，未按圖施工。二層樓面以上現(xiàn)澆板橫向上部負筋由原設(shè)計的Φ10@200(分離式)改為Φ6@200(拉通)，配筋大大降低。施工人員不按圖施工，偷減鋼筋原材料(后了解，此事經(jīng)業(yè)主管理人員認可)。

(2)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)混凝土強度偏低，現(xiàn)澆板砼面層水泥漿偏厚，骨料偏少。經(jīng)工程所在地建材檢測中心現(xiàn)場檢測，二、三、四層現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的砼強度推定值分別為21.9Mpa、21.2MPa、17.5MPa。低于設(shè)計C25強度等級要求。

(3)施工過程中，板上部鋼筋被踩低，砼保護層偏厚。檢測二層現(xiàn)澆板上部鋼筋的砼保護層厚度多在30-40mm之間?，F(xiàn)澆板的有效斷面減少了15—25mm。

(4)模板支撐體系失穩(wěn)。據(jù)了解，二層結(jié)構(gòu)施工日期在三月，時值春季多雨。替換后的另一施工班組未仔細處理基礎(chǔ)的回填土，并很快在回填土層上架設(shè)二層結(jié)構(gòu)模板。模板在鋪設(shè)鋼筋、澆筑混凝土過.程中逐漸產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致二層現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)砼凝結(jié)硬化過程中逐漸開裂。這是二層結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板的裂縫較多，三、四層結(jié)構(gòu)裂縫較少的一個重要原因。

綜上所述，二層現(xiàn)澆板板面出現(xiàn)裂縫主要原因是板面負筋配筋量大量減少、混凝土施工過程中配合比失控造成強度不足、鋼筋混凝土保護層偏大、混凝土硬化過程中模板支撐失穩(wěn)等施工方面的綜合因素造成。

三、處理方案和實施

1.對現(xiàn)澆板大于0.3mm的貫穿及半貫穿裂縫采用化學(xué)灌漿處理。將裂縫部位鑿成“V”型槽，槽寬約30mm，深約20mm。用鋼絲刷除去“V”型槽面浮渣，壓縮空氣吹凈浮塵，用脫脂棉蘸丙酮擦凈“V”型槽。沿“V”型槽及兩側(cè)各100mm寬刷環(huán)氧膠液一道，再用環(huán)氧膠泥封縫抹平，并同步埋設(shè)灌漿嘴；間距約1.0m；待環(huán)氧膠泥硬化后，采用改性環(huán)氧樹脂進行灌漿處理。

2.現(xiàn)澆板面在梁支座處采用粘貼碳纖維的方式進行加固處理。鑒于廠房加層后，原結(jié)構(gòu)體系的承載力已經(jīng)余地不多，不宜再采用另行增加荷載的加固方案，故綜合比較各種加固措施；對現(xiàn)澆板面負筋不足處(梁支座處)采用了粘貼炭纖維加固的方法。具體加固方案：負筋配筋為Φ6@200部位，碳纖維粘貼方向與橫向負筋方向一致，覆蓋負筋范圍，沿板每隔100mm布置碳纖維一道(規(guī)格：200g/m2，寬100mm)，然后沿縱方向板上，負筋錨固位置原框架梁邊1100mm處布置碳纖維壓條一層，寬200mm。

四、結(jié)語

經(jīng)過上述處理，有效地消除了該工程存在的質(zhì)量隱患，基本滿足了結(jié)構(gòu)和使用要求,通過了業(yè)主及有關(guān)方面的驗收并投入了使用,避免了更大的經(jīng)濟損失，及時發(fā)揮了投資的社會和經(jīng)濟效益，通過一年時間的使用和觀察，沒有其他問題出現(xiàn)，達到了預(yù)期的處理目的，取得成功，得到了有關(guān)各方的認可。由于近年來大型甚至超大型工程大量出現(xiàn)，而相應(yīng)的混凝土技術(shù)并沒有得到突破性進展，使得混凝土結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)較普遍，該工程的實踐為類似問題的處理可提供一些借鑒。