第 1 章 绪论
1.1 课题研究的必要性和意义
混凝土自诞生约有 150 年，与传统建筑材料如钢、木、和岩石相比，混凝土具有整体性好、可模性好、耐久性好等许多优点，在建筑工程中应用最广泛。混凝土结构在我国建筑结构中占有最大比重，目前高层建筑和多层框架大多采用混凝土结构。在建筑物使用的过程中，自然腐蚀、材料老化，或是施工操作不当、设计失误，或是超载工作、火灾、地震、爆炸，或是原有建筑不能满足现有使用要求、设计规范的修改等都会造成建筑物构件的安全性和耐久性降低，造成安全隐患。当建筑物的安全性降低，需要对原有建筑物进行加固。因此，近些年来结构加固一直是研究的一个热门课题。现有建筑物的加固方法主要有以下几种[1]：（1）增补钢筋法，即在原有建筑结构上钻孔，然后注入结构胶，把新的钢筋边旋转边插入孔中；（2）钢筋螺栓锚固法，先按图纸要求表标明孔位置、孔径、孔深以及锚固深度，钻孔完成后清孔，保持干燥清洁，如为盲孔，将锚固用胶注入孔内 2/3 深处，将处理好的钢筋缓慢旋转插入孔底，如为通孔，先将处理好的钢筋插入孔内，然后用环氧砂浆封住孔两端，一端留注胶孔，一端留通气孔，采用高压注胶，注满后用环氧砂浆将注胶孔和出气孔封死；（3）粘钢法，在建筑构件的外表面用粘接剂粘接钢板，相当于提高了原构件的配筋量，也就提高了原构件的抗拉、抗弯、抗剪能力；（4）外包型钢加固法，即在梁柱外包型钢加固，该加固方法优点在于能在不显著提高构件截面面积的同时大幅度提高构件的承载力。（5）加大截面法，通过增大截面面积和配筋量来提高构件的刚度、承载力、稳定性和抗裂性，可加固梁、板、柱、基础和屋架等；（6）结构托换法，通过改变原有建筑承重结构受力体系来获得更大的理想使用空间，一般采用钢筋混凝土托换、型钢托换、桁架托换等。这些传统的加固方法施工不便、加固效率低下等缺点，现在正被新兴的纤维增强符合材料所代替。纤维增强符合材料（Fiber Reinforced Plastics ）简称 FRP，目前国内外常用的有碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，简称 CFRP）、芳纶纤维增强复合材料（Aramid Fiber Reinforced Plastics，简称 FRP）、玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Plastics，简称 GFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（Basalt Fiber Reinforced Plastics，简称 BFRP），以上几种纤维材料中。FRP 按照成型方法可分为 FRP 布、FRP 板条和 FRP 筋，按照与建筑构件的结合方法可分为外贴式[2]和嵌入式[3]，外贴式主要是将 FRP 布或 FRP 板条粘贴在建筑构件的外表面，通过 FRP 布或 FRP 板条联合作用提高建筑构件的承载力。国内外研究 FRP 外贴式的较多[4-6]，主要集中在梁的抗弯性能、抗剪性能、柱的轴压和抗震性能的研究。梁的抗弯加固一般是在梁的受拉侧粘贴 FRP 布或 FRP 板条[7]（如图 1-1），抗剪加固一般是在梁的弯剪区粘贴竖直向或 45°斜向 FRP布或 FRP 板条[8]（图 1-2），柱的轴压一般是在柱的外侧包裹 FRP 布或粘贴 FRP板条，柱的抗震加固一般是在柱的外侧粘贴 FRP 布或 FRP 板条。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 工程应用
1969 年，Warren 等采用 CFRP 网板代替普通钢筋对瑞士的依巴赫桥进行加固，加固效果明显[10]。采用 FRP 筋加固加固美国西弗吉尼亚州的 Mackinleyville，这是第一次在美国将 FRP 筋应用于桥面板的加固[11]。1980 年，德国在一座实验性桥上用 GFRP 进行了加固，加固效果理想[12]。加拿大的 Joffre 桥面板使用了 CFRP 筋进行加固，加固效果显著[13]。
1.2.2 试验研究
1.2.2.1 国外研究现状
De Lorenzis 和 Nanni[14]通过制作 8 根试验梁，其中 2 根为对比梁，考虑 FRP筋间距、FRP 筋嵌入角度、FRP 筋锚固措施和箍筋对梁抗剪承载力的影响。试验表明，FRP 筋嵌入式加固能大幅提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力,并提出了FRP 加固钢筋混凝土梁的抗剪极限承载力的理论计算公式。Inoue[15]等通过试验研究了 CFRP 板条加固钢筋混凝土梁的疲劳强度和变形情况，结果表明，加固梁相对于对比梁挠度减小，裂缝均匀，宽度减小，承载力和疲劳强度都得到提高。采用 CFRP 板条加固后的钢筋混凝土梁和采用粘钢法加固后的钢筋混凝土梁都能提高了疲劳强度，疲劳性能得到改善。Renato Parretti、Nanni[16]在 De Lorenzis 和 Nanni 在分析的基础上提出新的抗剪极限承载力理论计算公式。
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第 2 章 有限元模型的建立
2.1 概述
数值模拟是以计算机为手段，结合有限元的概念，通过数值计算和图像显示，达到对工程问题进行研究的目的。数值模拟的基本思想是采用各种简化和假定，将复杂的问题通过简单的问题来简化求解，是一个近似解，数值模拟较以往试验研究的优势在于可随时更改变量，可适应各种复杂和危险情况，计算精度好，经济适用，因此数值模拟被越来越多的用于科技生产活动中[25]。目前数值模拟最常用的是有限单元法，有限单元法最早被应用在航天工业中，经过数十年的发展，已从航天工业应用到更多的领域，如建筑结构、水利工程、岩土工程等。随着有限单元法的发展，也涌现出大量有限元软件，如ABAQUS、ANSYS、ADINA、ASKA 等。ABAQUS、ANSYS、ADINA 均有模拟混凝土分析的单元，ANSYS 由于国内接触较早，早期大部分关于混凝土有限元模拟的文章都是采用 ANSYS 进行模拟，ABAQUS 进入中国市场较晚，但是 ABAQUS 在非线性分析方面更具优势，故本文选用 ABAQUS 进行有限元模拟。ABAQUS拥有一个种类丰富可模拟几乎任何形状的单元库和材料模型库，除了可以模拟金属、钢筋混凝土、土壤岩石等传统材料，还可以模拟各种高分子材料、复合材料、可压缩超弹性材料等新型材料。ABAQUS 除了在结构分析方面有出色的表现，还可以用来模拟热传导分析、质量扩散分析、耦合分析、压电解质分析。ABAQUS 在非线性分析方面有着先天优势，已经被越来越多的用于非线性问题的研究和设计[26]。
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2.2 有限元模型的建立
ABAQUS 中为混凝土材料属性定义主要有 2 种[30]：弥散开裂模型和塑性损伤模型。弥散开裂模型是在弹塑性理论基础上对混凝土开裂后的弹性行为进行分析，通过受压等向硬化弹塑性和受拉弹性开裂来模拟混凝土。弥散损伤可模拟杆单元、实体单元、壳体单元等。塑性损伤模型假定混凝土为各向同性材料，通过单轴压缩塑性损伤和拉伸塑性损伤来描述混凝土的非线性行为。塑性损伤模型假定拉伸开裂或压碎破坏即为混凝土失效，当受拉或者受压曲线到峰值点时混凝土即被拉坏或压碎。目前国内大部分关于 ABAQUS 模拟混凝土结构采用的本构大部分为塑性损伤模型，故本文也采用混凝土塑性损伤模型。本文钢筋采用 T3D2 单元来模拟，T3D2 单元为二节点三维桁架单元，该单元主要承受轴向的拉力或压力，每个节点都有 X、Y、Z 三个方向的自由度，本文中的下部受拉钢筋、上部受压钢筋、箍筋都是采用此单元进行模拟。选择 PART（部件）中的 3D（三维）WIRE 单元，按实际尺寸作出受拉钢筋、受压钢筋和箍筋，然后在 ASSEMBLY 模块中经过平移和旋转制作出整个钢筋骨架，最后使用合并功能合并成为一个钢筋整体。在定义钢筋截面面积时，分别在 PROPERTY 模块中建立个钢筋的截面属性及实际钢筋面积，然后将截面属性赋予各钢筋部件。ABAQUS 对钢筋的实际应力应变曲线作了简化，一般可分为 2 种：两折线模型和理想弹性模型，本文采用两折线模型（如图 2-6 所示），第一段折线为弹性阶段，当应力到达屈服点u 时，即视为钢筋已被拉坏。本文混凝土梁不考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移，直接将钢筋内嵌至混凝土中。钢筋本构按照文献[27]按材料试验数据填写，受拉钢筋弹性模量522. 1 10N/mm,屈服强度2348 N /mm，塑性应变为 0，受压钢筋弹性模量为522. 1 10N/mm，屈服强度为2275 N /mm，塑性应变为 0，箍筋弹性模量为522. 1 10N/mm，屈服强度为2240 N /mm，塑性应变为 0，钢筋泊松比都为 0.3。
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第 3 章 有限元模拟结果分析..........20
3.1 有限元模型......... 20
3.1.1 模型构件设计........... 20
3.1.2 试件设计........... 20
3.2 模拟结果综述..... 23
3.3 模拟结果分析..... 39
3.3.1 承载力及破坏形态分析........... 39
3.3.2 挠度分析........... 42
3.4 模拟结果验证..... 44
3.5 本章小结..... 47
第 4 章 FRP 筋嵌入式加固损伤混凝土梁受剪性能理论分析.....48
4.1 受弯构件斜截面受力和破坏分析..... 48
4.2 钢筋混凝土梁斜截面受剪破坏机理和计算..... 50
4.3 FRP 筋加固钢筋混凝土梁的破坏机理......56
4.4 嵌入式 FRP 筋加固损伤混凝土梁受剪承载力计算影响因素........57
4.5 FRP 筋嵌入式加固钢筋混凝土梁抗剪承载力计算方法..........57
4.6 本章小结..... 64
第 5 章 结论与展望..........66
5.1 结论..... 66
5.2 展望..... 66
第 4 章 FRP 筋嵌入式加固损伤混凝土梁受剪性能理论分析
4.1 受弯构件斜截面受力和破坏分析
混凝土梁在正截面抗弯承载力足够的情况下，有可能在梁的剪跨区段在剪力和弯矩的共同作用下发生斜截面剪切破坏。剪切破坏可分为无腹筋梁破坏和有腹筋梁破坏。大量试验结果表明，无腹筋梁剪切破坏主要有三种破坏形态：斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏。（1）斜拉破坏（图 4-1）主要发生在剪跨比 3时的无腹筋梁和腹筋配置过少的有腹筋梁中，当混凝土支座附近出现斜裂缝时，斜裂缝迅速向加载点延伸，并很快形成临界斜裂缝，梁立即破坏。斜拉破坏的极限荷载和出现斜裂缝的荷载非常接近，整个破坏过程非常迅速，破坏时的变形很小，弯剪段受拉区混凝土被拉坏，整个破坏过程属于脆性破坏。（2）剪压破坏（图 4-2）一般发生在剪跨比 1 .5 3的无腹筋梁和腹筋配置适中的有腹筋梁中，其特征是当荷载加到一定值时，斜裂缝中的一条发展成为临界斜裂缝，临界斜裂缝缓慢向荷载集中点延伸，剪压区高度逐渐减小，直至剪压区混凝土被压碎，梁随即破坏。剪压破坏的极限荷载比斜裂缝出现时的荷载大，具有一定的破坏征兆。但与适筋梁的正截面破坏形态相比仍为脆性破坏。（3）斜压破坏（图 4-3）一般发生在剪跨比 1.5的无腹筋梁和腹筋配置过多的有腹筋梁以及梁的腹板很薄的薄腹板中，其特征是先在支座和加载点之间的混凝土段出现若干平行的裂缝，随着荷载的不断增加，梁腹被斜裂缝分割成若干斜向“短柱”，最后因柱体混凝土被压碎而破坏，实际上是拱体混凝土被压碎，斜压破坏的极限荷载很高，但是破坏时没有明显的预兆，也属于脆性破坏。
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结论
为了研究 FRP 筋嵌入式加固损伤混凝土梁的受剪性能，本文在现有研究的基础上对 1 根对比梁和 12 根加固梁进行了模拟分析，考虑了不同 FRP 筋嵌入角度、加固量和初始荷载对加固梁抗剪承载力、刚度等的影响，得出如下结论：
（1）采用 FRP 筋嵌入式加固法能有效提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力，加固梁相比未加固梁抗剪承载力均有一定幅度的提高，加固量加大对承载力提高影响显著，初始荷载对加固梁的承载力影响不是很明显，但是都有随着初始荷载增加抗剪承载力下降的趋势，45°嵌入角度加固效果提高优于 90°。
（2）加固量越大，梁破坏挠度越小；初始荷载越大，破坏挠度越大；45°嵌入角度破坏挠度较 90°小。
（3）初始荷载对加固梁的破坏形式基本没有影响。
（4）在不考虑 FRP 筋与混凝土之间黏结滑移的情况下，推导出 FRP 筋加固损伤混凝土梁的抗剪承载力公式，公式计算值与模拟值吻合度较好。
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参考文献（略）