CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究进展

第30卷2017年11月
苏州科技大学学报（工程技术版）
Journal of Suzhou University of Science and Technology (Engineering and Technology)
Vol. 30
Nov. 2017
CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能
研究进展
周迎利S吴瑾\胡晓东2
(1.南京航空航天大学土木工程系，江苏南京210016;2.江苏省水利科学研究院，江苏南京210017)
摘要：国内外学者对CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能进行了大量的研究，取得了许多研究成果。

本文从 CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁的可行性、抗弯承载力、抗弯刚度以及其他FRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能四个
方面总结了 CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究进展，为今后的相关研究提供参考。

关键词：碳纤维布;加固；腐蚀钢筋混凝土梁;抗弯性能
中图分类号：TU375 文献标志码：A文章编号：2096-3270(2017)Sl-0014-04 State-of-the-art of flexural behavior of corroded concrete beams strengthened
with CFRP
ZHOU Yingli1, WU Jin1, HU Xiaodong2
(1.Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;
2Jiangsu Hydraulic Research Institute,Nanjing210017,China)
Abstract：Much research on the flexural behavior of corroded concrete beams strengthened with CFRP has been studied by the domestic and foreign scholars and many achievements have been obtained.This paper summarized the state of art of flexural behavior of corroded concrete beams strengthened with CFRP in four aspects：the feasi­bility,bearing capacity and flexural stiffness of corroded concrete beams strengthened with CFRP as well as flex­ural behavior of corroded concrete beams strengthened with other FRP.This paper can provide references for fu-ture relevant research.
Key words：CFRP strengthen；corroded concrete beams；flexural capacity
混凝土结构是现代土木与建筑工程结构中应用 最广泛的结构形式之一。

受混凝土碳化、氯离子侵蚀 等因素的影响，国内外存在着大量的腐蚀钢筋混凝 土结构。

纵筋腐蚀导致钢筋截面的损失和钢筋强度、延性等力学性能的降低；腐蚀产生的锈胀力可能会 改变混凝土的受力状态；腐蚀使钢筋和混凝土之间 粘结的降低。

这些因素综合影响着腐蚀钢筋混凝土 梁的抗弯承载力以及破坏模式的变化。

CFRP(carbon fiber reinforced polymer )加固法 具有高效、便于施工、耐久性好等优点，在混凝土结 构加固工程中的应用越来越广泛[1]。

近年来,CFRP 在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。

国内外学者对CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯加固 进行了较多的研究，取得了许多研究成果。

本文从四个方面总结了国内外CFRP加固腐蚀 钢筋混凝土梁抗弯性能研究进展。

为今后CFRP加
[收稿日期]2017-09-21
[基金项目]江苏省水利科技项目（2016T12)
[作者简介]周迎利（1992-)，男，硕士研究生，主要从事工程结构耐久性及加固研究，Email:yIzhou@。

通信联系人:吴谨（1965-),男，教授，博士，主要从事混凝土结构理论研究,Email:wujin@ 。

第S1期周迎利，等:CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究进展15
固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能的研究提供相关参
考。

1 CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁可行 性研究
由于钢筋的腐蚀，许多结构在安全性和正常使 用性能方面都出现了减弱，必须进行修复加固。

国外 的许多学者很快意识到了碳纤维布抗弯加固腐蚀钢 筋混凝土梁的可行性,通过试验进行验证。

在2000年，Soudki等[?|率先研究了碳纤维布加 固腐蚀钢筋混凝土梁的可行性。

试验结果表明碳纤 维布可以有效地恢复腐蚀梁的承载力和结构完整 性，并且显著增加梁的刚度。

Wang等研究了对试验梁用FRP加固后，在通电、自然腐蚀和加速腐蚀 三种情况下的受力性能。

实验结果表明，钢筋的腐蚀 状态、混凝土水灰比以及FRP的布置和数量都会影 响试验梁的强度和破坏形态。

Kutarba[4]的试验结果 表明，碳纤维布加固显著恢复了试件的承载力，提高 了混凝土结构的耐久性。

Maaddawy等的试验结果表明，碳纤维布加固后腐蚀梁的承载力显著增强，但 加固梁的挠度显著降低。

Indrajit等®进行了大量的 钢筋混凝土梁腐蚀修复加固试验，探索对腐蚀钢筋 混凝土梁最有效的修复加固方式。

通过学者们的试验结果，可以看出CFRP直接 粘贴加固腐蚀钢筋混凝土梁是可行的，可以直接显 著地恢复腐蚀梁的抗弯承载力。

但是要进行工程应 用，还需要探究锈蚀加固梁抗弯承载能力计算理论
和模型。

2 CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯 承载力研究
影响CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力 的因素很多，许多学者都进行了研究。

Saidy等m通过 试验研究了不同腐蚀率下钢筋混凝土梁碳纤维布加 固后的弯曲性能，认为碳纤维布的加固形式比加固 量更重要，是否修复保护层和使用U型箍对加固 腐蚀钢筋混凝土梁正截面承载力以及延性的影响很 大。

Davalos等E通过实验研究认为，更多的锚固措施 没有显著地改变碳纤维布加固梁的破坏模式和承受 荷载的能力。

然而更多的锚固可能对长期耐久性是 有益的。

学者们建议腐蚀钢筋混凝土桥梁修复技术 程序为:除去劣化的混凝土保护层、彻底清洁腐蚀钢 筋、涂防锈保护层、覆盖新的保护层、碳纤维布弯曲加固以及至少使用两个碳纤维布U型箍锚固。

Yamamoto等M通过试验对比不同加固形式下 腐蚀加固梁弯曲性能的差别。

胡若邻[11]的试验结果 表明,在发生较严重腐蚀时，多层碳纤维布的加固效 果要优于单层碳纤维布的加固效果。

李国豹等[12]通 过试验研究直接粘贴碳纤维布加固的腐蚀界限。

认 为在低腐蚀等级时直接粘贴碳纤维布加固是十分有 效的，当梁腐蚀程度较高时直接粘贴碳纤维布加固 已不再适合。

王晓刚等[13]通过试验及有限元分析研 究了纵向钢筋腐蚀率、U型箍的布置、纤维布的用量 不同对加固效果的影响。

陈凤山[14]的试验结果表明，碳纤维布加固可以提高腐蚀钢筋混凝土梁的极限承 载力，但一定程度上对构件的延性有降低作用。

周淑 春等^进行了碳纤维布加固劣化钢筋混凝土梁抗弯 试验。

在抗弯承载能力计算模型方面，Maaddawy等[1曰提出了碳纤维布加固腐蚀混凝土梁的有限元分析模 型。

Moataz等^利用齿状模型对碳纤维布加固腐蚀 混凝土梁承载力进行了有限元模拟分析。

王巧平 等[18]通过综合他人成果给出腐蚀结构受弯构件正截 面和斜截面承载力加固公式，但没有通过试验验证 其中参数以及整个公式的合理性。

王晓刚等[13]通过 试验及有限元分析研究了纵向钢筋腐蚀率、U型箍 的布置、纤维布的用量不同对加固效果的影响。

Zhang等™综合分析了碳纤维布加固前损伤(受持续 荷载、腐蚀）、碳纤维布加固后损伤(受持续荷载、加 固后干湿循环)对试验梁承载力的影响。

并且提出相 应的模型来估计试验梁的屈服荷载、剥离荷载和峰 值荷载。

&317£必&等™提出裂缝宽度、钢筋直径、保 护层厚度、混凝土材料性能与钢筋腐蚀率关系的表 达式，进而计算出腐蚀梁与腐蚀加固梁承载力，但没 有考虑其他因素。

Su^的试验结果表明，较低腐蚀率 时可以直接粘贴加固，较高腐蚀率时需修复加固。

并 基于规范，提出碳纤维布加固不同腐蚀率的钢筋混 凝土梁的公式。

学者对于影响CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗 弯承载力的因素如加固形式、加固量、锚固形式、纵 筋腐蚀率、是否修复保护层等进行了大量的研究。

可 以看出大多数学者所提出的碳纤维布加固腐蚀钢筋 混凝土梁承载力公式都是基于理论分析或是有限元 分析，用实验数据来验证公式的正确性。

不同学者之 间由于加固形式、试件大小和腐蚀方式等不同，没有 形成统一的公式，这还需要大量的试验数据完善。

16苏州科技大学学报(工程技术版)2017
3 CFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯 刚度研究
对于碳纤维布加固腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚 度变化，许多学者进行了试验研究和有限元分析，提 出相应的计算方法。

宋力[22]设计制作4根腐蚀钢筋 混凝土梁，碳纤维布加固后进行四点弯曲疲劳试验，得到加固梁抗弯刚度的衰减曲线。

分析试验结果，得 到加固梁的线性刚度比、破坏刚度比和损伤变量。

王 晓刚[23]的试验结果与有限元模型表明，随腐蚀率增 大，加固腐蚀梁的抗弯刚度发生退化,极限变形能力 逐渐削弱。

根据试验梁和有限元模型梁的结果反推 计算，建立了钢筋应变综合系数的计算公式,进而提 出了碳纤维布加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计 算方法。

贾彬％基于腐蚀钢筋混凝土梁材料力学特 性，建立了碳纤维布加固腐蚀混凝土梁受弯全过程 的数值模拟技术。

王幕^的试验结果表明，随着钢筋 腐蚀率的提高，抗弯刚度的增加幅度不断提高。

基于 试验及分析结果，引人腐蚀梁整体刚度退化系数以 及考虑到碳纤维布拱作用模式的影响，提出碳纤维 布加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算方法。

大 部分试验表明，碳纤维布加固后显著的提高了腐蚀 混凝土梁的刚度,对加固梁的挠度有较大限制。

但是 由于碳纤维布加固腐蚀钢筋混凝土梁复杂的力学性 质，不同学者试验之间的试件尺寸、腐蚀方法不同，导致互相之间的抗弯刚度计算公式不统一。

学者提 出的半经验-半理论的计算方法还需进一步由更丰 富的试验数据完善。

4其他FRP加固腐蚀钢筋混凝土梁 抗弯性能研究
一些学者也调查了其他FRP加固腐蚀钢筋混 凝土梁的结构性能。

玻璃纤维(GFRP)价格便宜，但 弹性模量较低。

芳纶纤维（AFRP)有较好的韧性。

Rose等^研究表明GFRP加固后能提髙腐蚀钢筋混 凝土梁的承载能力，但会降低梁的延性。

邓宗才等〜 的研究结果表明，腐蚀混凝土梁在AFRP加固后显 著提高承载力。

但这两种FRP材料加固腐蚀梁的弯 曲疲劳性能的研究还很有限，需要学者进一步的试 验分析。

纤维增强复合材料嵌人式(FRP-NSM)加固 技术是FRP加固技术的改进技术，应用到加固腐蚀 钢筋混凝土梁上时，需要在梁表面开槽，放入FRP 筋，注人黏结材料以形成整体。

这种FRP嵌人式加固法与修复法结合起来，可以有效地提高腐蚀钢筋 混凝土梁的承载力和使用性能。

同时能够避免外贴 FRP法易剥离的缺点。

Amjad等^通过试验探讨了 采用NSM法修复钢筋混凝土腐蚀梁的可行性，建立 有限元分析模型来进行比较Garyfalia等^对比了 修复后EBR加固法和NSM加固法腐蚀钢筋混凝土 梁的弯曲性能。

认为在腐蚀率较低时，仍然需要去除 受损混凝土保护层和钢筋除锈等修复措施。

嵌入式 加固法加固腐蚀钢筋混凝土梁虽然有诸多优点，但 其在反复荷载下的疲劳性能以及共同作用下的粘结 性能研究还十分缺乏，不利于工程应用，需要进一步 试验和理论研究。

5总结与建议
(1)碳纤维布加固法具有高效、便于施工的特 点，在结构发生腐蚀后，可以利用碳纤维布加固来恢 复结构的承载力和整体性能。

碳纤维布耐久性好，可 以提高加固结构的耐久性，降低结构发生二次腐蚀 的风险。

(2)在腐蚀率较低，镑胀裂缝较细的情况下，在对混凝土表面处理后可直接粘贴碳纤维布加固。

在腐蚀率很高，腐蚀裂缝很宽，保护层破损，钢筋外 露的情况下，就需要清除破损保护层，对钢筋除锈等 修复工序结束后再进行加固。

(3)许多学者提出的碳 纤维布加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力公式都是 基于理论分析或是有限元分析，腐蚀率水平和构件 数量少，不能充分和详细地反映出纵筋腐蚀对碳纤 维布加固腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能的影响。

本文 认为可以通过增加构件个数，获得更多腐蚀率水平 的碳纤维布加固腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力和 破坏模式的变化。

进而通过大量的实验数据结合理 论分析，得到碳纤维布加固不同腐蚀率钢筋混凝土 梁的承载力计算模型。

（4)当腐蚀率达到一定程度 时，由于腐蚀产物的影响，导致钢筋与混凝土之间的 粘结降低以及混凝土表面出现锈胀裂缝。

钢筋周围 的混凝土有脱落的危险，应该提高碳纤维布加固的 锚固措施，防止剥离破坏和保护层整体脱落。

（5)虽 然已经证实了其他FRP加固腐蚀钢筋混凝土梁的 可行性，但是对弯曲性能的研究还很有限，未得到定 量而又简单的公式。

对此，应对其他FRP加固腐蚀 钢筋混凝土梁的弯曲性能作进一步的研究。

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