土木工程外文翻译(中英互译版)39200.docx
使用加固纤维聚合物增强混凝土梁的延性作者：Naabil F. GGracee, Geeorgee Abeel-Saayed, Waeel F. Raggheb摘要：一种为加强强结构延性性的新型单轴柔柔软加强质质地的聚合合物(FRRP)已在在被研究，开发发和生产 (在结构构测试的中中心在劳伦伦斯技术大大学)。这这种织物是是两种碳纤纤维和一种种玻璃纤维维的混合物物，而且经经过设计它它们在受拉拉屈服时应应变值较低低，从而体体现出伪延延性的性能能。通过对对八根混凝凝土梁在弯弯曲荷载作作用下的加加固和检测测对研制中中的织物的的效果和延延性进行了了研究。用用现在常用用的单向碳碳纤维薄片片、织物和和板进行加加固的相似似梁也进行行了检测，以以便同用研研制中的织织物加固梁梁进行性能能上的比较较。这种织织物经过设设计具有和和加固梁中中的钢筋同同时屈服的的潜力，从从而和未加加固梁一样样，它也能能得到屈服服台阶。相相对于那些些用现在常常用的碳纤纤维加固体体系进行加加固的梁，这这种研制中中的织物加加固的梁承承受更高的的屈服荷载载，并且有有更高的延延性指标。这这种研制中中的织物对对加固机制制体现出更更大的贡献献。关键词：混混凝土，延延性，纤维维加固，变变形介绍外贴粘合纤纤维增强聚聚合物（FFRP）片片和条带近近来已经被被确定是一一种对钢筋筋混凝土结结构进行修修复和加固固的有效手手段。关于于应用外贴贴粘合FRRP板、薄薄片和织物物对混凝土土梁进行变变形加固的的钢筋混凝凝土梁的性性能，一些些试验研究究调查已经经进行过报报告。Saaadattmaneesh和EEhsanni（19991）检检测了应用用玻璃纤维维增强聚合合物(GFFRP)板板进行变形形加固的钢钢筋混凝土土梁的性能能。Rittchiee等人（11991）检检测了应用用GFRPP，碳纤维维增强聚合合物（CFFRP）和和G/CFFRP板进进行变形加加固的钢筋筋混凝土梁梁的性能。GGracee等人（11999）和和Triaantaffilloou（19992）研研究了应用用CFRPP薄片进行行变形加固固的钢筋混混凝土梁的的性能。NNorriis，Saaadattmaneesh和EEhsanni（19997）研研究了应用用单向CFFRP薄片片和CFRRP织物进进行加固的的混凝土梁梁的性能。在在所有的这这些研究中中，加固的的梁比未加加固的梁承承受更高的的极限荷载载。这些梁梁中大多数数出现的一一个缺陷是是梁的延性性有很大的的损失。然然而通过对对梁的荷载载-挠度性性能的测试试，可以发发现大多数数荷载的增增加是在钢钢筋屈服后后发生的。也也就是说，极极限荷载明明显提高，然然而屈服荷荷载却没有有太大提高高。因此在在正常使用用水平荷载载的明显增增加很难实实现。除去加固前前混凝土构构件条件的的影响，钢钢筋对加固固梁的弯曲曲反应有明明显的贡献献。而可惜惜的是，现现有的FRRP加固材材料和钢材材性能不同同。虽然FFRP有很很高的强度度，但是它它们多数在在提高足够够的强度之之前被拉伸伸而产生很很大的应变变。因为同同大多数FFRP材料料的极限应应变相比，钢钢材的屈服服应变相对对较低，所所以随着加加固构件的的变形，钢钢材和FRRP加固材材料的贡献献发生了变变化。结果果，钢筋可可能会在加加固构件取取得任何可可测荷载增增加值之前前就屈服了了。一些研研究者在横横截面布置置了更强的的FRP，这这通常会增增加加固的的成本，进进而提供可可测的贡献献，尽管这这时变形是是受限制的的（在钢筋筋屈服之前前）。但是是，加固材材料从混凝凝土表面的的剥落更多多的时候是是由于应力力集中的原原因发生的的。剥落是是这项加固固技术中不不出现的一一种脆性破破坏。尽管管使用一些些类似超高高模量碳纤纤维的特别别的低应变变纤维看起起来是一种种解决方法法，但这可可能导致由由于纤维破破坏而产生生脆性破坏坏。本文旨旨在介绍一一种新型伪伪延性FRRP织物，它它在屈服时时应变低从从而具有与与钢筋同时时屈服的潜潜力，能够够实现期望望中的加固固水准。研究意义FRP已经经被越来越越多地用做做钢筋混凝凝土结构修修复和加固固的材料。但但是现在常常用的FRRP材料缺缺少延性，并并且与钢筋筋性能不一一致。结果果，经过加加固处理的的梁会体现现出延性降降低，不能能达到期待待中的水平平，或者二二者兼有。本本项研究介介绍了一种种新型的伪伪延性FRRP加固织织物。这种种织物可以以使加固梁梁承受更高高的屈服荷荷载，并且且有助于避避免延性的的损失，而而这在使用用目前常用用的FRPP进行加固固中是常见见的。混杂织物的的研制为了克服前前面所提的的缺陷，一一种具有低低屈服应变变值的延性性FRP材材料是很必必要的。混杂的文献献回顾为了研制这这种材料，考考虑了各种种不同纤维维的混杂。多多于一种纤纤维材料的的混杂是许许多材料科科学研究的的兴趣所在在。他们的的工作多数数集中于结结合两种纤纤维以提高高每种材料料单独工作作时的力学学特性并且且降低成本本。这已经经在几本出出版物中报报道过,例例如Bunnsel和和Harrris（11974），PPhiliips（11976），MMandeers和BBaderr（19881），CChow和和Kellly（19980），以以及Fukkuda和和Choww（19778）。做做为一种能能够克服FFRP加固固棒延性不不足问题的的工具，混混杂吸引了了结构工程程师。Naanni,Hennneke和和Okammoto（11994）研研究了用编编织芳香尼尼龙纤维绕绕在钢筋核核心的短棒棒。Tammuzs和和Tepffors报报道了关于于使用碳和和芳香阻尼尼纤维进行行组合而成成的混合纤纤维棒的试试验调查。SSombooonsoong，FFrankk和Harrris（11998）研研制了一种种用编织芳芳香尼龙纤纤维缠绕在在碳纤维核核心的混合合FRP加加固棒。HHarriis，soombooonsonng和Frrank（11998）使使用这些棒棒对混凝土土梁进行加加固，以得得到用常规规钢筋进行行加固的混混凝土梁的的普通荷载载-挠度特特性。设计思想和和材料为了产生延延性，一种种使用不同同种类纤维维的混杂技技术已经被被采用。选选用了在破破坏时有不不同延长量量级的三种种纤维。图图1显示了了这些复合合纤维在拉拉伸时的应应力-应变变曲线，表表1显示了了它们的力力学特性。这项技术是是建立在将将这些纤维维结合起来来并控制配配合比例的的基础上的的，这样当当它们被拉拉伸时共同同承受荷载载，延伸小小（LE）的的纤维先破破坏，允许许一定的应应变松弛（应应变增加而而混合材料料的荷载却却并未增加加）。余下下的延伸大大（HE）的的纤维被分分配承担所所有的荷载载直到破坏坏。延伸小小的纤维破破坏时的应应变值体现现了混合材材料屈服应应变值，而而延伸大的的纤维破坏坏时的应变变值体现的的是极限应应变值。延延伸小的纤纤维破坏时时对应的荷荷载体现的的是屈服荷荷载值，而而延伸大的的纤维承担担的最大荷荷载体现的的是极限荷荷载值。超超高模量碳碳纤维（11号碳）被被用做延伸伸小的纤维维，它应有有尽可能低低的应变，但但不得小于于钢筋的屈屈服应变（660级钢筋筋大约为00.2%）。另另一方面，型玻璃纤纤维被用做做延伸大的的纤维，应应能提供尽尽可能高的的应变而产产生高延性性指标（破破坏时的变变形和屈服服时的变形形的比例）。高高模量碳纤纤维（号号碳）被选选做了延伸伸中等（MME）纤维维，它使在在延伸小的的纤维破坏坏后发生应应变松弛时时荷载的降降低最小化化，并且能能够提供从从延伸小的的纤维向延延伸大的纤纤维逐渐传传递荷载的的途径。基基于这种思思想，生产产了一种单单向织物，并并进行了测测试，将它它在拉伸时时的性能和和理论预测测的承载性性能做了对对比。理论论上的性能能建立在混混合物规则则上，根据据这种规则则，混合物物的轴向刚刚度是将各各组成部分分的相对刚刚度进行总总合计算得得到的。这这种织物的的生产过程程是，将不不同的纤维维做为相邻邻的纱线结结合起来，并并将它们用用环氧树脂脂注入模具具中。图就是一个个生产样品品的照片。编编织而成的的玻璃纤维维片布置在在试样的两两端，以消消除测试中中固定端的的应力集中中。试样厚厚mm（0.088in），宽宽25.44mm（1in），在在拉伸时根根据美国材材料实验协协会30039规范范进行测试试。四个测测试样品的的平均荷载载-应变曲曲线见图33，上面还还有理论预预测的曲线线。应该注注意到直到到应变值达达到0.335%，荷荷载-应变变性能都是是线性的，这这时延伸小小的纤维开开始破坏。在在这一点上上应变增长长的速率高高于荷载。当当应变值达达到0.990%时，中中等延伸的的纤维开始始破坏，导导致应变有有附加的增增长，直到到由于延伸伸大的纤维维破坏带来来试样的彻彻底破坏。可可以测试到到屈服荷载载（荷载-应变曲线线上性能去去不再为线线性的第一一点）为00.46kkN/mmm（2.66kipss/in）,极限荷载载为0.778kN/mm（44.4kiips/iin）。梁的测试梁的详细情情况一共浇筑了了13根钢钢筋混凝土土梁，横截截面尺寸为为152××254mmm（6×10inn），长27744mmm（108iin）。梁梁的受弯钢钢筋由底部部的两根55号（166mm）受受拉钢筋和和顶部的两两根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混合织物用用于加固88根梁。使使用了两种种不同厚度度的织物。第第一种（HH体系，tt=1.00mm）厚厚度1.00mm（0.044in），第第二种（HH-体系，tt=1.55mm）厚厚度1.55mm（0.066in）。其其他四根梁梁使用现在在常用的碳碳纤维加固固材料进行行加固：11）一层单单向碳纤维维薄片，极极限荷载00.34kkN/mmm（1.995kipps/inn）；2）两两层单向碳碳纤维织物物，极限荷荷载1.331kN/mm（77.5kiips/iin）；33）一层固固体玻璃谈谈碳纤维板板，极限荷荷载为2.8kN/mm（116kipps/inn）。对这这些材料测测试得到的的荷载-应应变图见图图5。表22给出了包包括研制中中的织物在在内的加固固材料的特特性。粘结材料对这种混合合织物，使使用一种环环氧树脂（环环氧A）注注入纤维，并并做为织物物和混凝土土表面的粘粘结材料。这这种环氧材材料极限应应变为4.4%，从从而保证不不至于在纤纤维破坏之之前破坏。对对于使用碳碳纤维薄片片、板和织织物加固的的梁，使用用的是极限限应变为22.0%的的环氧树脂脂（环氧BB）。由生生产商提供供的粘结材材料的力学学特性见表表3。加固在梁的底部部和两侧喷喷砂以使其其表面粗糙糙。然后使使用丙酮除除去污物对对梁进行清清洁。采用用两种加固固构造：11）只在梁梁底面布置置加固材料料（A组梁梁）；2）除除对梁底部部外，在梁梁两侧各伸伸长1522mm（16inn），大概概能覆盖住住梁的受弯弯拉伸部分分（B组梁梁）。加固固材料沿梁梁长度布置置在中心，长长达2.224m（88inn）。环氧氧在对梁进进行测试前前要进行两两周的养护护。对研制制中的混合合织物（HH-体系）加加固的梁，制制备了两根根，并对各各种构造进进行测试来来证实结果果。表4对对梁的检测测进行了汇汇总。仪器跨中FRPP的应变通通过布置在在梁底面的的三个应变变片测量。测测量A组梁梁钢筋拉伸伸应变是通通过监控在在梁的侧面面与钢筋棒棒平行处测测量点设置置的DEMMC（可拆拆式机械计计量器），而而B组梁使使用的是应应变片。跨跨中挠度是是通过使用用串行电位位计测量的的。使用液液压器对梁梁加载。荷荷载有一种种荷载电池池测量。所所有的传感感器同数据据采集系统统相连以扫扫描并记录录读数。试验结果和和讨论控制梁控制梁的屈屈服荷载882.3kkN（188.5kiips），极极限荷载995.7kkN（211.5kiips）。梁梁由于钢筋筋屈服而破破坏，随之之跨中混凝凝土受压破破坏。控制制梁的试验验结果见加加固梁的试试验成果图图上（图66至15）。A组梁A组梁已在在底面进行行了加固。图图6至111显示了这这些梁的试试验结果。HH-50-1梁和HH-75-1梁分别别和H-550-2梁梁和H-775-2梁梁各自的结结果非常接接近，因此此关于这些些梁的讨论论就集中于于后两者，以以避免重复复。梁的延延性通过计计算延性指指数来考察察，即计算算破坏时与与屈服时的的挠度之比比。图6（a）显显示了C-1梁的荷荷载-跨中中挠度关系系图，C-1梁使用用碳纤维薄薄片进行加加固。梁在在荷载为885.9kkN（199.3kiips）时时屈服，在在荷载为1101.99kN（222.9kkips）时时由于碳纤纤维薄片的的开裂而破破坏。值得得注意的是是，从这幅幅图中看来来，虽然有有了延性性性能，但是是同控制梁梁比起来，屈屈服荷载只只提高了44%。延性性指数为22.15。图图6（b）显显示了跨中中荷载-碳碳纤维应变变关系图。图7（a）显显示了C-2梁对应应的荷载-挠度曲线线。这根梁梁使用固体体玻璃碳纤纤维板进行行加固。它它没有屈服服台阶（延延性指数为为1），在在荷载为1132.66kN（229.8kkips）时时由于板端端部的受剪剪-受拉破破坏而突然然破坏。尽尽管荷载提提高了611%，但破破坏仍是脆脆性的。图图7（b）显显示了跨中中荷载-碳碳纤维应变变关系。碳碳纤维破坏坏时记录的的最大应变变为0.333%，这这意味着板板的承载力力发挥了224%。C-3梁的的荷载-挠挠度关系见见图8（aa）。该梁梁由两层碳碳纤维织物物加固。它它在荷载为为107.7kN（224.2kkips）时时屈服，在在荷载为1134.44kN（330.211kipss）时由于于织物的剥剥落而破坏坏，此时它它并未如控控制梁那样样显示出任任何明显的的屈服台阶阶。延性指指数是1.64。值值得注意的的是，在图图8（b）中中破坏时记记录到的碳碳纤维应变变的最大值值为0.667%，这这意味着纤纤维承载力力大约发挥挥了48%。图9（a）显显示了H-50-22梁的荷载载-挠度关关系。这根根梁使用研研制中的厚厚度为1mmm厚的混混合织物进进行加固。屈屈服荷载为为97.99Kn（222.0kiips）（同同控制梁比比起来提高高了19%）。在图图9（b）中中值得注意意的是，当当梁屈服时时织物应变变为0.440%。它它的延性指指数为2.33，当当荷载最终终达到1114.8kkN（255.8kiips）时时由于织物物的彻底开开裂而破坏坏。图9（cc）即为破破坏时的梁梁。图10（aa）显示了了H-755-2梁的的荷载-屈屈服关系。这这根梁使用用厚度为11.5mmm厚的研制制中的混合合织物。它它在荷载为为113.9kN（225.6kkips）时时屈服，在在130.8kN（229.4kkips）的的极限荷载载下由于织织物剥落而而导致彻底底破坏之前前体现出的的延性指数数为2.113。值得得注意的是是，尽管最最终破坏是是由于织物物的剥落，但但这是在取取得了令人人满意的延延性之后发发生的。从从图10（bb）中可见见当梁屈服服时的应变变为0.335%。图图10（cc）是梁破破坏时的照照片。图11和表表5对A组组梁的试验验结果进行行了比较。可可以观察出出如下现象象：1C-11梁和H-50-22梁体现了了较好的延延性特征。但但是H-550-1梁梁比C-11梁体现了了更高的屈屈服荷载。这这是因为，经经过设计这这种研制中中的混合织织物比碳纤纤维片有更更高的初始始刚度；因因此，在钢钢筋屈服前前它比碳纤纤维对加固固的贡献更更大。2尽管碳碳纤维织物物的极限荷荷载比1.5mm厚厚的混合织织物屈服时时对应的荷荷载大几倍倍，但是直直到屈服时时，H-775-2体体现着和CC-3相似似的性能。但但是H-775-2梁梁有令人满满意的屈服服台阶，而而C-3梁梁却没有。3相对于于现在常用用的碳纤维维加固材料料，这种研研制中的织织物屈服时时的应变和和钢筋的屈屈服应变接接近。尽管管仍然较高高，但是混混合织物的的应变值和和梁屈服时时的应变值值接近，这这意味这它它和钢筋同同时屈服。这这一部分要要归功于将将植物安置置在梁的外外表面，这这样比安置置在梁的内内部要承受受更大的拉拉应变。结结果织物的的屈服应变变设计值看看起来是可可以接受的的。4当使用用有较高承承载能力的的碳纤维板板（正如在在C-2梁梁中使用的的）时，能能够提供高高的破坏荷荷载，同时时也会产生生脆性破坏坏。B组梁这组梁除对对梁底部外外，在梁两两侧向上延延伸1522mm（16inn）的范围围也进行了了加固。改改组试验结结果见表55和图122至15。HH-S500-1梁和和H-S775-1梁梁分别和HH-S500-2梁和和H-S775-2梁梁各自的结结果非常接接近，因此此关于这些些梁的讨论论就集中于于后两者，以以避免重复复。图12（aa）显示了了CS梁的的荷载-挠挠度关系。这这根梁是使使用碳纤维维薄片体系系加固的。它它在荷载达达到99.2kN（222.3kkips）时时由于钢筋筋的屈服而而屈服。屈屈服荷载增增加了200%。梁在在达到1223.3kkN（277.7kiips）的的极限荷载载时由于跨跨中混凝土土的受压破破坏而破坏坏。从图112（b）可可以看出当当梁屈服时时，碳纤维维的应变为为0.355%，因此此在这段承承载阶段发发挥了它的的大约300%的能力力。在梁破破坏之前记记录到的最最大应变为为1.0%。取得的的延性指数数为2.004。H-S500-2的试试验结果见见图13。这这根梁使用用研制中的的厚度为11mm厚的的混合织物物进行加固固。图133（a）显显示了它的的荷载-挠挠度曲线。当当荷载达到到113.9kN（225.6kkips）时时由于钢筋筋和织物的的破坏，梁梁发生破坏坏。屈服荷荷载增加了了38%。梁梁在达到1146.66kN（332.9kkips）的的极限荷载载时由于混混凝土的受受压破坏而而破坏。延延性指数为为2.255。图133（b）显显示了跨中中荷载和织织物应变的的关系。梁梁屈服时记记录到的应应变值是00.35%，在梁破坏坏前记录到到的最大应应变值是11.2%。梁梁的破坏情情形见图113（c）。图14即HH-S755-2的试试验结果。这这根梁也是是用研制中中的混合织织物加固的的，但是厚厚度为1.5mm。从从图14（aa）可见梁梁在荷载为为127.3kN（228.6kkips）时时屈服，由由于钢筋和和织物的屈屈服，屈服服荷载增加加了55%。当荷载载达到1662.0kkN（366.4kiips）时时，这根梁梁由于跨中中混凝土的的受压破坏坏而破坏。它它的延性指指数为1.89。图图14（bb）显示了了跨中荷载载和织物应应变的关系系。在梁破破坏前记录录到的最大大应变是00.74%。该梁的的破坏情形形见图144（c）。图15显示示了B组各各梁试验结结果的比较较。从试验验结果可以以观察到如如下现象：1虽然混混合织物的的屈服荷载载低于碳纤纤维板的极极限荷载，但但是H-SS50-22梁比CSS梁体现出出了更高的的延性。这这是因为同同碳纤维薄薄片相比，这这种混合织织物有更高高的初始刚刚度。2用研制制中的混合合织物加固固的梁屈服服荷载更大大，并且有有令人满意意的屈服台台阶。这种研制中中的混合织织物的一个个优点是它它易于通过过视觉观察察判断织物物是否屈服服，因为任任何破坏的的碳纤维纱纱线都是可可见的。而而且，这种种混合织物物比目前常常用的碳纤纤维材料便便宜，因为为这些纤维维中超过775%的使使用的是玻玻璃纤维，而而这要比碳碳纤维成本本低。结论基于本研究究所介绍的的研究调查查，可以得得出如下结结论：1目前常常用的FRRP材料作作为弯曲加加固体系用用于混凝土土结构并不不能总是在在加固梁中中提供类似似未加固梁梁的屈服时时的屈服台台阶。在一一些情况下下，加固可可能导致加加固梁的脆脆性破坏或或着是屈服服荷载增加加很不明显显，或者是是二者兼有有。2选择的的几种类型型的纤维的的混杂被用用于研制伪伪延性的织织物，它在在屈服时的的应变低（00.35%）。经过过设计，这这种织物具具有同加固固梁中的钢钢筋同时屈屈服的潜力力。3同那些些应用碳纤纤维进行加加固体系相相比，使用用研制中的的混合织物物进行加固固的梁通常常会显示出出在屈服荷荷载上有更更高的增长长。有些用用混合织物物进行加固固的梁会显显示出类似似未加固梁梁的屈服台台阶。这在在结构破坏坏之前保证证足够的警警示作用是是特别重要要的。4使用研研制中的混混合织物体体系进行加加固的梁并并没有显示示出明显的的延性损失失。使用碳碳纤维加固固的梁也没没有明显的的延性损失失，但是屈屈服荷载较较低。参考文献ASTM 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GGracee, Geeorgee Abeel-Saayed, Waeel F. Raggheb44abstrractAn innnovaativee, unniaxiial dductiile ffiberr-reiinforrced polyymer (FRPP) faabricc hass beeen reesearrchedd, deevelooped, andd mannufacctureed (iin thhe Sttructturall Testting Centter aat Laawrennce Techhnoloogicaal Univversiity) for streengthheninng sttructturess. Thhe faabricc is a hyybridd of two typees off carrbon fibeers aand oone ttype of gglasss fibber, and has beenn dessigneed too proovidee a ppseuddo-duuctille beehaviior wwith a loow yiield-equiivaleent sstraiin vaalue in ttensiion. The effeectivvenesss annd duuctillity of tthe ddevellopedd fabbric has beenn invvestiigateed byy strrengttheniing aand ttestiing eeightt conncrette beeams undeer fllexurral lload. Simmilarr beaams sstrenngtheened withh currrenttly a
