纖維增強復合材料加固鋼—混凝土組合梁研究綜述

李師慶

(中國神華國際工程有限公司，北京 100007)

1 概述

目前，FRP材料在混凝土結構的加固中已得到廣泛的應用［1］。國內外眾多研究人員已開展了相關的研究。與混凝土結構相比，FRP加固鋼—混凝土組合梁的研究還相對較少。由現有的研究可以看出，FRP加固鋼結構及鋼—混凝土組合梁也顯示出很好的效果［2］。常用于結構加固的纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)主要包括:碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP);玻璃纖維復合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP);芳綸纖維復合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，簡稱 AFRP)等［1］。FRP 加固結構技術與常規的加固技術(如粘貼鋼板)相比，具有高強高效、耐腐蝕、輕質、施工便捷等多項優點［1-3］，FRP材料價格的下降也促進了該項技術的推廣。

本文通過探討FRP加固鋼—混凝土組合梁的研究進展，總結FRP加固鋼—混凝土組合梁的研究熱點和尚待解決的突出問題。

2 鋼—混凝土組合梁結構概述

鋼—混凝土組合梁是在鋼與混凝土兩種結構基礎上進一步發展，將兩種結構特性聯合成為整體共同工作的一種新型結構形式［4］。混凝土抗壓強度相對較大，但抗拉強度極小，可以忽略不計;鋼材抗壓和抗拉強度相近，但受壓時存在穩定性和整體性問題，且易被腐蝕。將鋼和混凝土結構結合在一起，充分發揮兩種結構各自的優勢。鋼—混凝土組合梁同鋼筋混凝土梁相比，可以減輕結構自重，減小地震作用，減小截面尺寸，增加有效使用空間，節省支模工序和模板，縮短施工周期，增加梁的延性等。同鋼梁相比，可以減小用鋼量，增大剛度，增加穩定性和整體性，增強結構抗火性和耐久性等。

常見的鋼—混凝土組合梁的形式有兩種，第一種為型鋼—混凝土梁(見圖1a))，第二種為鋼梁外露的 T型組合梁(見圖1b))，常簡稱為鋼—混凝土組合梁［4］。

圖1 鋼—混凝土組合梁種類[5]

鋼—混凝土組合梁的截面由以下三部分組成:1)鋼筋混凝土翼板。在結構物中，通常用樓板或橋面板作為翼板，可提高構件的抗彎承載力性能，增強梁的側向剛度，以及增強梁抵抗失穩的能力［5］。2)鋼梁。鋼材具有良好的受拉及抗壓性能，因此組合梁中的鋼梁主要用于承受拉力和剪力。為了充分發揮鋼梁的抗彎能力，鋼梁一般采用工字鋼(或H型鋼)鋼梁、箱形鋼梁等形式，并且鋼梁常設計成上翼緣截面小于下翼緣截面的不對稱形式，詳細參見文獻［5］。3)抗剪連接件。鋼—混凝土組合梁在翼板與鋼梁接觸面處存在縱向剪力，因此在接觸面處設置抗剪連接件，以保證混凝土與鋼梁共同工作，從而抵抗兩者在交界面處的掀起或相對滑移，如圖1b)所示。常用抗剪連接件包括栓釘、槽鋼、彎筋等，詳細資料可參見文獻［4］［5］。

3 FRP加固鋼結構研究綜述

FRP加固鋼結構的研究和應用與FRP加固混凝土結構相比還很有限，但目前的研究表明，FRP加固鋼結構可以在一定程度上提高原有鋼結構的剛度和承載能力。因此FRP加固鋼結構已逐漸受到越來越多的關注。

目前已完成的FRP加固鋼結構研究主要包括以下幾個方面［6］:

1)各種形式的鋼梁受彎加固;2)受拉(壓)構件加固;3)鋼結構疲勞加固;4)膠粘劑及其受力分析的研究;5)耐久性研究。

4 FRP加固鋼—混凝土組合梁研究現狀

鋼結構橋梁中常采用鋼—混凝土組合梁，FRP加固鋼—混凝土組合梁也是一個研究熱點。目前國內外對FRP加固組合梁的研究主要集中在試驗方面。試驗研究分為兩種，FRP加固無損傷組合梁研究與FRP加固損傷組合梁研究，下面將分別對兩種研究進行介紹。

4.1 FRP加固無損傷組合梁研究現狀

A·H· Al-Saidy等人［7，8］對4根 CFRP片材加固鋼—混凝土組合梁進行試驗研究，試驗采用的W8×24的工字型鋼梁凈跨為3 050 mm，混凝土翼板的厚度和寬度分別為102 mm和711 mm，鋼材屈服強度為364 MPa。分別用彈性模量為152 GPa和200 GPa的CFRP板粘貼到受拉翼緣底部和鋼梁腹板處進行加固。試驗結果表明，加固梁的抗彎承載力與未加固組合梁相比可提高21%～45%。抗彎試驗表明彎曲強度有明顯增加，采用的CFRP片材彈性模量在高于鋼材的彈性模量時，加固效果更明顯。作者還對影響承載力的各個參數進行了分析［9］。

Tavakkolizadeh 和 Saadatmanesh［10］對 3 根 CFRP 片材加 固鋼—混凝土組合梁進行了抗彎承載力實驗研究，試驗采用屈服強度為335 MPa，凈跨為4 780 mm的W14×30工字型鋼梁，混凝土翼板的厚度和寬度分別為75 mm和910 mm。鋼梁底部在梁全長范圍內粘貼CFRP板進行加固。試驗分別采用在鋼梁底部粘貼1層，3層，5層 CFRP板進行加固。試驗結果表明，1層，3層，5層CFRP片材加固后組合梁的極限承載能力分別提高44%，51%，76%。研究還通過非線性有限條帶法對試驗梁進行分析，結果表明有限條帶法結果與試驗結果相比較為保守。

David Schnerch 與 Sami Rizkalla［11］對3 根長為 6.65 m 的鋼—混凝土組合梁分別采用彈性模量為229 GPa和457 GPa的CFRP板進行加固。其中一根梁采用預應力CFRP加固技術。試驗研究結果表明，梁的極限承載力最大可增加46%，剛度增加10% ～34%，采用預應力加固方法更能提高梁的剛度。作者還分別建立了基于應變協調和材料本構的加固梁抗彎計算模型［12］。

彭福明等人［13］對CFRP板加固組合梁進行有限元分析，證明了粘貼CFRP板加固組合梁時，剛度和屈服荷載略有提高，極限荷載明顯提高。但論文主要是針對CFRP加固鋼梁的有限元分析，對組合梁的加固并未進行深入研究，而且論文結果沒有進行試驗的驗證。

文獻［14］推導了FRP加固鋼—混凝土組合梁的塑性抗彎承載力的理論計算公式，以及加固時所需使用的FRP截面面積和用量的計算方法。研究結果表明對于混凝土板壓碎的破壞模式，加固梁的抗彎承載力隨加固前組合梁上荷載的增加而減少，隨預應力的增加而增加。但對于FRP拉斷的破壞模式，荷載以及預應力對塑性受彎承載力都沒有影響。

在文獻［15］中，作者采用ANSYS軟件建立了三維非線性有限元模型對FRP加固鋼—混凝土組合梁的抗彎性能及抗彎剛度進行研究，再采用其他研究的試驗結果來對有限元模型及文獻［20］中的承載力計算公式進行驗證，結果表明有限元模型和理論計算公式都與實驗結果吻合較好。

4.2 FRP加固損傷組合梁研究現狀

Sen等人［16］對FRP加固損傷鋼—混凝土組合梁進行了試驗研究，試驗先將鋼梁加載至受壓邊緣達到屈服強度，以此來模擬梁的損傷。試驗采用的工字型鋼梁型號為W8×24，鋼的屈服強度分別為310 MPa和370 MPa，混凝土翼板的厚度和寬度分別為114 mm和710 mm，試驗分別用2 mm和5 mm厚的CFRP片材粘貼到工字型鋼受拉翼緣底部進行加固，CFRP片材的長度為3 650 mm，彈性模量為114 GPa。試驗結果表明，組合梁分別采用厚度為2 mm和5 mm的CFRP加固后，鋼梁屈服強度為310 MPa的組合梁承載力分別提高21%和52%;鋼材屈服強度為370 MPa的組合梁，采用2 mm和5 mm厚度的CFRP片材加固后，承載力分別提高9%和32%。

文獻［17］對3根大尺度組合梁進行加固研究，為了模擬梁的損傷，在梁的中部受拉邊緣分別切割43 mm，86 mm和171 mm來模擬跨中受拉邊緣處25%，50%和100%的損傷，再分別采用1層，3層，5層CFRP進行加固。試驗采用的是W14×30型鋼，A36熱軋鋼，混凝土板寬900 mm，厚76 mm。試驗結果顯示，粘貼CFRP板可以達到修復損傷梁的極限承載力和剛度的效果。

5 結語

如前所述，國內外在FRP加固鋼結構以及鋼—混凝土組合梁等已經進行的研究表明，FRP加固鋼—混凝土組合梁可以提高原有結構的承載能力，并提高損傷組合梁的剛度。目前對FRP加固鋼—混凝土組合梁的研究還相對較少，而且也集中在試驗研究方面，數值模擬和理論計算方法的研究還很少。

為了便于理論分析，目前的研究主要采用了鋼梁和混凝土板、混凝土板與CFRP片材之間的連接不產生滑移的假設。因此滑移對FRP加固鋼—混凝土組合梁性能的影響有待進一步研究。

研究主要針對T型鋼—混凝土組合梁，對于加固其他類型的鋼—混凝土組合梁還需要進一步研究。

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