关于纤维混凝土加固板温度裂缝的分析

'目录第一章绪论..................................................................................................................11.1纤维混凝土................................................................................................11.2纤维混凝土加固技术................................................................................41.3国内外纤维混凝土的发展及研究现状....................................................71.4本文主要研究内容及研究意义..............................................................111.4.1主要研究内容...............................................................................111.4.2主要研究意义...............................................................................12第二章温度应力理论及模型的建立........................................................................132.1温度应力理论..........................................................................................132.1.1裂缝成因.......................................................................................132.1.2混凝土的约束...............................................................................142.1.3温度应力基本概念.......................................................................142.1.4温度场的简化...............................................................................172.2模型的建立..............................................................................................182.2.1几何尺寸........................................................................................182.2.2材料参数.......................................................................................192.2.3边界条件.......................................................................................192.2.4单元的选取...................................................................................202.2.5施加温度荷载...............................................................................212.2.6有限元结构模型...........................................................................222.2.7混凝土本构...................................................................................22第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析........................................................253.1纤维混凝土的增强机理..........................................................................253.1.1复合力学理论...............................................................................253.1.2纤维间距理论...............................................................................263.1.3影响纤维混凝土增强性能的因素...............................................273.2通过有限元模拟确定最不利工况..........................................................283.2.1挡风板自由端处加固板的裂缝分析............................................283.2.2挡风板中间部位加固板的裂缝分析............................................30I 3.2.3挡风板伸缩缝处加固板的裂缝分析............................................313.3板厚对碳纤维混凝土加固板开裂的影响..............................................353.4正交两向配置碳纤维..............................................................................353.5螺栓间距对碳纤维混凝土加固板开裂的影响......................................36本章小结.........................................................................................................37第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析........................................................394.1通过有限元分析确定最不利工况..........................................................394.1.1挡风板自由端处加固板的裂缝分析...........................................394.1.2挡风板中间部位加固板的裂缝分析...........................................414.1.3挡风板伸缩缝处加固板的裂缝分析...........................................424.2板厚对钢纤维混凝土加固板开裂的影响..............................................454.3正交两向配置钢纤维..............................................................................464.4螺栓间距对钢纤维混凝土加固板开裂的影响......................................464.5碳纤维与钢纤维加固板温度裂缝对比..................................................47本章小结.........................................................................................................49第五章结论与展望....................................................................................................505.1结论..........................................................................................................505.2展望..........................................................................................................50参考文献......................................................................................................................52发表论文和科研情况说明..........................................................................................55致谢......................................................................................................................56II 第一章绪论第一章绪论1.1纤维混凝土据相关文献资料显示，人们在19世纪初期代研制出了波兰特水泥。从此，混凝土做为一种现代社会新兴建筑材料，逐渐的进入了建筑行业的个个领域。人们利用混凝土自身优越的特性、取材方便、成本较低、力学物理特性较好等特点，实现了人们对现代建筑的复杂性和耐久性的要求，逐渐的代替了传统的建筑材料在土建领域的统治地位。特别是以后出现的钢筋混凝土、预应力混凝土，改善了普通混凝土的较小抗拉强度在应用中的缺陷，钢筋抗拉强度高，主要抗拉；混凝土抗压强度高，主要抗压。在结构构件中两者作用互补，起到了节省材料、减少结构自重的作用，带给了建筑结构经济而美观的特点。正是因为混凝土存在着这些工程优点，混凝土在建筑工程领域开始逐渐受到设计人员的青睐，并快速地被建筑工程工作者广泛地应用于各种建筑工程的结构构件中。与此同时，土建领域、力学领域等相关领域的科研工作人员及设计人员对新的计算理论、新的设计理念和新的施工工艺技术进行了深刻的研究，并得到了丰富的成果，使得土木建筑领域及相关领域得到了一次新的飞跃[1]。但是随着现代社会的迅速发展，建筑物的丰富性成为城市现代化的标志，一定程度上衡量了城市的发展，受这些因素的影响，人们对建筑结构的审美理念也不断地提升，建筑物结构形式越来越复杂，各种建筑结构的应用领域越来越广泛，建筑物所处的环境条件也越来越恶劣。因此随着混凝土应用发展的迅速性提高，混凝土应用中的缺点也就逐渐的越来越多的显现了出来。因为混凝土材料为脆性材料，在受到外部荷载和非荷载条件下极易开裂，形成对结构受力非常不利的裂缝，加之混凝土材料内部本身是非均匀的，并且混凝土内部不可避免的存在许许多多的非均匀不规则的空隙，自然环境中的腐蚀性物质，极易对混凝土造成严重的影响，比如空气中的二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、水蒸汽、以及氯离子化合物、硫酸盐等物质，可以通过混凝土构件表面的裂缝等各种缺陷进入混凝土材料的内部，使混凝土极易碳化，随着对构件混凝土的碳化越来越深，当这些腐蚀性物质达到钢筋表面时，就对钢筋造成极大的腐蚀，也会极大的影响混凝土结构构件的受力性能，甚至使结构构件遭到破坏，失去承载能力，由于这些外部因素的存在，使得建筑结构构件的耐久性很难得到预期的保障。普通混凝土在施工过程中和长期的使用期间，当处于正常的使用条件下，当周围环境处于适当温度，1 第一章绪论温度波动不大时，按照现行规范设计，结构能够保证安全可靠性，且能保证正常使用条件。但是当周围的温度过高、过低、自身温差变化过大、温度严重不均匀等条件下，混凝土的内力分布情况及变形情况就会发生很大变化，承载力下降，刚度下降，致使局部破坏，甚至整体倒塌。在混凝土应用于土木建筑领域的一个多世纪里，人们不断的在为提高混凝土的性能而努力着，19世纪80年代以来，随着高强和超高强混凝土的出现及广泛的应用，人们不断的探索在混凝土基体中掺入纤维的方法，来提高混凝土的性能。我们把加入纤维的混凝土称作纤维增强混凝土（FRC，FiberReinforcedConcrete），是因为由于纤维的存在，使得混凝土材料的力学性能、物理性能都增强了，在工程应用中我们又将纤维增强混凝土简称为纤维混凝土，根据纤维混凝土的组分可以看出，纤维混凝土是将具有增强性能的材料（比如不同材质的金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维，长短不同的长纤维、短纤维、中等长度纤维，外形不同的纤维等）加入到不同组成的基体中组成的纤维复合材料，根据基体的不同又可分为纤维水泥浆、纤维砂浆或混凝土（碳酸盐混凝土、硅酸盐混凝土等），以短而细的不同材质的纤维和不同组分的混凝土基体材料形成的复合材料可按下列复合材料的不同性质进行分类[2]。1、纤维增强混凝土复合材料如果按其掺入的不同纤维材料的性质可分为下列几种：金属纤维混凝土。比如钢纤维混凝土（将粗细不同、长短不同、切削工艺不同的钢纤维加入到混凝土中形成的钢纤维混凝土）、不锈钢纤维混凝土（在耐火混凝土中一般掺入不锈钢纤维，耐火混凝土是由一种特殊的耐火集料或者粉料组成的）、金属玻璃纤维混凝土（金属玻璃纤维是一种非结晶状态的纤维，它具有良好的柔性、极强的耐腐蚀性等）、钢棉纤维混凝土（钢棉纤维是用普通的低碳钢或者不锈钢材料制成的一种长而细且容易集结成网状的纤维）。无机纤维混凝土。在混凝土中掺入一定量的天然的无机矿物质纤维，比如温石棉纤维、青石棉纤维、铁石棉纤维，或者掺入经过加工处理的人造矿物质纤维等。有机纤维混凝土。主要包括人工合成纤维混凝土（聚乙烯合成纤维混凝土、聚丙烯合成纤维混凝土、晴纶纤维混凝土、芳纶纤维混凝土、聚乙烯醇合成纤维混凝土、尼龙纤维混凝土等）和经过加工天然植物而成的植物纤维混凝土（比如西沙尔麻混凝土、龙舌兰纤维混凝土等），由于这些合成纤维的耐火性不高，所以不宜在高于60℃的环境中使用这些合成纤维混凝土。2、由于不同材质的纤维其弹性模量不尽相同，有的纤维的弹性模量比混凝土的弹性模量大，有的纤维的弹性模量比混凝土的弹性模量小，混凝土的弹性模2 第一章绪论量一般在2.0×104～3.5×104MPa范围内，钢纤维的弹性模量与混凝土的弹性模量比较接近，而碳纤维的弹性模量比混凝土的弹性模量多出两个数量级，甚至相差更大。所以根据纤维弹性模量与混凝土基体材料的弹性模量的大小，可以对纤维混凝土进行下列分类：低弹模纤维混凝土：在混凝土中参加弹性模量小于混凝土基体材料弹性模量的纤维，比如纤维素纤维、聚丙烯合成纤维、尼龙纤维、聚丙烯睛合成纤维、聚乙烯合成纤维，这样的纤维复合混凝土材料被称为低弹模纤维混凝土。高碳膜纤维混凝土：在混凝土中掺入弹性模量大于混凝土基体材料弹性模量的纤维，比如石棉纤维、金属玻璃纤维、玻璃纤维、钢纤维、不锈钢纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、芳纶纤维和高弹模聚乙烯纤维以及一些混杂纤维等，这样的纤维混凝土复合材料则被称为高弹模纤维混凝土。根据基体材料的特性和组分的不同，纤维混凝土复合材料的性能也不同。水泥是纤维混凝土的主要组分，在水泥浆里掺入细骨料（粗砂、中砂、细砂）则组成水泥砂浆，在水泥浆中掺入粗骨料和细骨料则组成混凝土，因此可将纤维增强混凝土按水泥为主要组分的水泥基体材料分为纤维增强水泥净浆、纤维增强水泥砂浆和纤维增强混凝土。由于骨料大小、不同集料的含量的不同，纤维增强复合材料的性能存在着较大的差异，被应用在工程中不同的领域里：纤维增强水泥净浆：指将不同的纤维（石棉、维纶纤维、木浆纤维、碳纤维等）掺入不含各种集料的水泥净浆中，或者掺有细粉活性材料或填料的水泥净浆基体中形成不同的产品，典型的有石棉增强水泥、维纶纤维增强水泥、木浆纤维增强水泥、碳纤维增强水泥等。由于纤维增强水泥净浆可塑性好，容易成型，所以经常被用来制作各种建筑制品，比如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纤维水泥墙板等。纤维增强水泥砂浆：指将不同纤维按一定的比例掺入含有细集料（粗砂、中砂、细砂）的水泥砂浆基体中组成的水泥砂浆制品。由于纤维增强水泥砂浆的具有较好的抗裂性、抗渗性，所以经常被用于防裂、抗渗结构构件中。比如建筑装修用的聚丙烯纤维抹面砂浆、地下结构用的钢纤维防水砂浆等。纤维增强水泥净浆和纤维增强水泥砂浆在工程中经常被统称为纤维增强水泥。在纤维增强水泥中按一定比例定向或不定向掺入的纤维，主要担负着增强基体材料的作用，纤维的存在可显著的增强基体材料的各种物理力学性能指标，比如抗拉强度、抗折强度、抗剪强度、抗冲击能力、抗疲劳性能等力学性能都有相当明显的提高，同时不同程度地增进了纤维复合材料的延性与韧性，因此纤维增强水泥主要被用来制作厚度尺寸较小的水泥制品。纤维增强混凝土：指将不同种类的纤维掺入含有粗骨料、细骨料的混凝土基3 第一章绪论体中，工程中被简称为纤维混凝土（FRC）。根据混凝土基体材料本身特征的不同，可将纤维混增强凝土分为不同的复合材料，比如普通硅酸盐混凝土组成的纤维普通混凝土、高强度等级混凝土组成的纤维高强混凝土、纤维膨胀混凝土、纤维增强抗硫酸盐混凝土、纤维耐火混凝土等。同时，为了满足工程适用性和经济性的需要，我们需要获得具有相应特性的纤维混凝土和满足尽量降低成本投入目的的纤维混凝土，这时可以将两种或两种以上不同性能的纤维按一定的比例混合使用，由因为不同的纤维功能对混凝土的性能的改变是不同的，不同构件、统一构件不同部位的受力情况和所处的环境不同，可以将不同功能的纤维进行组合使用，掺入混合纤维的混凝土复合材料称为混合纤维混凝土，按不同的使用功能进行组合使用的混凝土被称为组合纤维混凝土。在不同的国家对纤维混凝土的定义是不同的，我们国家有时对纤维增强水泥净浆、纤维增强水泥砂浆、纤维增强混凝土的区分不太在意，通常把它们统称为纤维混凝土。纤维体积率是指单位体积的混凝土基体材料里所含有的纤维占复合材料的体积百分比，纤维体积率不同，纤维混凝土的性能也会不同，因此按照混凝土中掺入的纤维含量的不同，可以把纤维混凝土分为低纤维体积率混凝土（0.1%~1.0%）、中纤维体积率混凝土（＞1.0%~5.0%）、高纤维体积率混凝土（＞5.0%~20.0%）。纤维的长度尺寸有所不同，在混凝土中的分布方向情况也有不同的情况。通常，可按纤维的长度和纤维在混凝土基体中的分布方向进行分类。按纤维的长度分有连续纤维增强混凝土、非连续纤维增强混凝土、连续与非连续混合纤维增强混凝土。根据纤维在混凝土基体中的分布方向可分为二维或三维乱向分布纤维混凝土、一维定向分布纤维混凝土、二维定向分布纤维混凝土、三维定向分布纤维混凝土（如单丝、网、布、束等）。1.2纤维混凝土加固技术目前，国内外在工程加固领域里纤维混凝土的应用越来越广泛，特别是在一些发达国家和一些经济发展比较快的发展中国家。在建筑结构加固技术和加固工艺的不断发展和提高的背景下，纤维增强复合材料逐渐的受到各国建筑工程界的青睐，这是目前比较新型的一项结构加固技术，由于这项技术有着很多的技术经济优点，能过实现混凝土结构加固性能的要求，又能达到节约成本、节约资源、保护环境的目的。目前随着我国改革开放三十多年的经济快速发展，各类建筑也4 第一章绪论随着时代的发展不断的涌向社会，因此尚存在着大量的工业、基础建设及民用建筑修建于上世纪五、六十年代，这些建筑基本上都是设计基准期为50年，虽然已经超过了其使用年限，但是为了节约成本、减少能源消耗此类建筑进过适当的修复加固以后仍可使用一定的时间；在我国一些建筑结构设计规范经过了几次的修订，今年我国经历了汶川地震、玉树地震等多次大大小小的地震，为了提高建筑结构的抗震性能标准，2012年我国又推行了新抗震设计规范，这样就使得许多已有的建筑结构不能满足现行的抗震规范要求[3]。为了节约资金，避免拆除重建，我国开始应用碳纤维增强复合材料对已有工程结构进行加固修复，以此提高工程结构的安全性和耐久性等，改善结构的工作性能。纤维增强复合材料有着许多的有点使之合适应用于结构加固中，比如纤维混凝土轻质高强、耐腐蚀性和耐久性好的优点。目前大量的混凝土结构，比如工业民用建筑、各种构筑物、城市高架桥、铁路与公路桥梁、涵洞、隧道及其他土木工程结构，由于自然环境条件的复杂性，许多混凝土结构存在不同程度的老化、劣化现象，影响结构的工作性能，因此，需要进行加固或修复，结构加固补强技术得到了大量的研究与推广应用。现如今，有许多建筑结构构件的加固方法已经在工程领域中得到了应用，如加大截面法、植筋法、喷射混凝土法和粘钢法等已经应用的比较成熟，这些加固技术各自有着自己的优点，又不乏缺点，互有优劣[4~7]。随着对加固技术要求的不断提高，碳纤维逐渐的走入了结构加固领域，碳纤维板件加固技术是将掺有碳纤维的混凝土板件，或掺有碳纤维的其他材料的板材，将其用有机粘结剂直接粘贴在构件混凝土表面，通过两者的共同结构所受的外部荷载已经非荷载因素，以此达到加固补强的作用，提高改善结构构件的受力性能的一种外部加固技术。这项技术对原有的结构构件没有损伤，由于混凝土制作材料取材便捷、经济适用，所以以混凝土作为碳纤维加固板材的做法越来越受欢迎，并且碳纤维混凝土加固板件具有许多优异特点，由于其良好的物理力学性能、良好的粘合性、较强的耐热性及抗腐蚀性等特点，成为土木工程领域首选的加固材料。用于制作建筑结构补强加固板材的碳纤维材料，是一种高性能材料，与建筑常用的刚才相比，碳纤维的强度一般要高出钢材十几倍，碳纤维的弹性模量比刚才也有较大的提高，并且有足够的韧性、耐久性，因此碳纤维是一种优良的结构加固材料。传统的结构加固方法的工程特点见下表1-1：表1-1传统加固法的特点5 第一章绪论加固技术加大截面法体外预应力法外包钢法隔震消震法项目增加体积大小小大增加质量大小大小对结构的损伤大大大大施工工期长较长较长较长所需劳力多多多多施工场地大大大大大型机械需要需要需要需要抗腐蚀和耐久差差（钢材）差差性良好（纤维加强片材）由上表可知传统的加固方法都有一定的缺点，也具有一些共同的缺点比如抗腐蚀性和耐久性差、施工复杂、工期长、对结构造成的损伤大、需要的劳力多。与之相比，除了在这些方面碳纤维加固技术与传统的加固方法有所改善以外，碳纤维加固技术还具有其他方面明显的技术优势，综合主要体现在[6~8]：(1)高强高模量：对混凝土结构进行加固补强是为了提高结构构件的承载能力和延性，加固材料就应该具有这样的作用，而碳纤维材料以其优异的物理力学性能可以充当加固混凝土结构构件的材料，碳纤维的强度高、弹性模量大，可以充分利用碳纤维的这些特性来制作混凝土结构构件的加固板件，利用碳纤维和混凝土两者性能的综合效果，达到提高混凝土结构构件承载力和延性的目的，以此来改善其受力性能，避免或者减少钢筋混凝土的开裂。(2)高效：碳纤维混凝土加固板件可以在工厂进行制作，而材料的加工技术、产品的制作工艺可以实现产品的批量化生产，将这些碳纤维混凝土加固板件应用于工程时，只需要进行简单的安装、粘贴及其他简单的处理即可，因此，大大缩短了施工工期，达到高效施工的目的。(3)高耐腐蚀性和强耐久性能：由于碳纤维材料具有比较稳定的物理化学性质，即使在比较恶劣的环境条件下，也能保持良好的性能，比如碳纤维遇酸碱化合物等化学物质时不发生化学反应，保证了用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件能够保持较为长久的使用期，实现了结构构件的高耐腐蚀性、强耐久性的目的，与之相比，传统的加固方法却无法解决的化学腐蚀的问题。(4)对原结构构件的损害坏程度小：碳纤维混凝土板材的厚度尺寸小，所用材料量少，质量轻，而其加固效果却非常明显。构件经过碳纤维混凝土板材的加固修6 第一章绪论复后，在结构的自重和几何尺寸上基本上不会增加，建筑物的使用空间上也不会受到影响，除此之外，在进行加固维修的过程中，建筑物的使用功能基本不受施工的影响，结构构件仍然发挥着他的作用，这样就避免了因加固维修造成的结构构件功能的停止而带来的经济损失，这些优点体现了碳纤维混凝土加固技术具有很大的经济效益。而且，碳纤维混凝土加固技术不像传统的加固技术那样，在加固时不会因为过多的在原有混凝土结构上打洞而对结构造成极大的损伤，使用碳纤维混凝土板材加固使得原有的结构构件基本上保持承载力功能的完整性。(5)适用范围广：碳纤维可以制作成许多不同基体材料的加固板材，这些板材体积、厚度尺寸比较小，在使用上可以根据需要进行裁剪，因此可以在各种各样类型的结构、各种形状的结构构件、结构构件的各个部位都可以广泛的使用这项加固技术，受客观环境条件的影响很小，同时，像大型桥梁的梁板构件、隧道涵洞、大型的筒体结构以及大空间的壳体结构，一些传统的加固方法很难实现对这些结构和构件的加固，然而碳纤维混凝土加固技术对这些大型工程基本上都能顺利地解决，如此以来，不仅结构的形状、结构的外观都不会发生变化，而且还解决了传统加固技术所不能解决的加固问题。(6)施工简便：碳纤维加固技术不像传统的加固方法那样，使用大型的施工机械机械，耗费大量的人力物力，只需要在所要加固的构件表面用有机胶粘剂粘帖碳纤维加固板材即可，这样便于施工现场的管理，使用较小范围的施工场就可完成整个的加固工程，施工既方便简洁，又可缩短工期提高施工效率。相关资料表明，在美国有将近十几万座的桥梁因损坏严重需要加固修补，加固修补的费用预估可达到400亿美元，而在欧洲一些国家，每年因桥梁损坏造成的直接损失将近15亿美元。因此，研究如何经济有效的对建筑结构进行维修加固已经是世界性的重要研究课题。目前，在一些发达国家，比如美国、日本以及一些欧洲国家应用纤维混凝土复合材料对混凝土结构进行加固，采用纤维加固不但可以使构件强度提高，方便现场施工，而且比起一些传统的加固技术可节约25%~50%的费用。在我们国内，虽然纤维加固技术还处于起步阶段，但是发展较快，应用广泛，由于纤维材料的高强、轻质、防腐、等优越特性，加之纤维材料品种的不断翻新，价格不断的下降，其在房屋、桥梁等防裂设计、维修加固领域的应用前景越来越为工程界看好[9]。1.3国内外纤维混凝土的发展及研究现状普通混凝土是脆性材料，在荷载作用下极易开裂，如果将一定量的高性能纤维掺入普通混凝土中，由于纤维所具有的良好力学性能、韧性、延性、耐久性等7 第一章绪论特点，使得纤维与混凝土混合使用时能够实现两者性能的互补，混凝土的力学性能、物理性能都会发生显著的改善，由于纤维的存在极大地阻止了混凝土早期裂缝的产生，以及限制混凝土构件在外力作用下裂缝的进一步扩展，纤维具有良好的阻裂作用。纤维混凝土受力开裂的过程特点与钢筋混凝土受力开裂过程特点十分类似，大致分为四个阶段，第一阶段：纤维混凝土构件受力较小时，纤维与混凝土共同承担外部荷载，但是混凝土在承担外力中发挥主要作用，这一阶段构件没有开裂。第二阶段：随着随着外部荷载的不断增加，混凝土的拉应变超过了材料的极限拉应变，构件开始开裂，混凝土逐渐退出工作，裂缝处的应力开始主要由横跨在裂缝处的纤维承担，这一阶段裂缝的发展比较平稳。第三阶段：当外部荷载继续增加，横跨在裂缝处的纤维逐渐的被拔出，裂缝开始迅速扩展。第四阶段：这一阶段是构件的破环阶段，当构件同一截面上的纤维被大部分拔出时，构件不能再继续承担荷载。由此可见，由于纤维的参与使得混凝土构件的承载力提高了，纤维有效地克服了混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷。和普通混凝土相比，纤维混凝土抗拉、抗剪、抗弯等强度均有提高，抗裂性、抗渗性、抗冻融性、耐腐蚀性、耐久性、疲劳强度等性质也有明显的提高。在国外，许多国家的学者对纤维混凝土进行了大量研究，特别是在一些发达国家，比如美国、日本、英国等发达国家工程领域的科研工作者，在研究及应用纤维混凝土的方面都进行了大量的科学研究与实验，并且取得了一定的成果。20世纪中期开始，国外的一些科研工作者开始了对纤维混凝土加固技术进行了研究，针对纤维混凝土的力学特性、抗裂性、耐久性、疲劳强度、温度特性等进行了研究。D.R.Gardner[10]分析研究了85℃和105℃温度条件对C40和C100混凝土的渗透性的影响，分析结果表明混凝土的强度等级对渗透性的影响要比温度因素造成的影响要大。认为85℃和105℃这一温度差异对纤维混凝土的渗透性造成的变化并不大，虽然随着自然环境的湿度、温度的变化混凝土的渗透系数会随之有所改变，但是这种影响并不大。同时，O.M.AL-Otaibi[11]在研究分析了50℃和105℃环境条件下的混凝土渗透试验后，也得到了与之近似的结论。对来自捷克的Temelin、斯洛伐克的Mochovce和法国的Peuly核电站混凝土结构材料的热力学性能资料的分析表明，混凝土结构的完整性在100℃~200℃较高温度环境条件下，由于水泥凝胶体中水分的蒸发以及气孔的形成，使得混凝土性能降低。IvanJanotka[12]对用于核电站建设的的硅灰高性能混凝土材料采用升温到200℃，采用分段养护混凝土的养护机制，对硅灰高性能混凝土实验研究。试验发现：1、C-S-H凝胶体在100℃~200℃之间有着明显的脱水现象，同时孔隙体积增大。抗压强度仅仅从100℃和200℃降温到20℃时才出现明显的下降。24小时内快速冷却造成的初始收缩造成混凝土强度的危害要比100℃~200℃之8 第一章绪论间C-S-H凝胶体的脱水造成的危害严重。2、整个试验的过程中，100℃~200℃造成的强度、弹模降低和变形是最主要的。V.K.R.Kodur、M.A.Sultan[13]研究了钢纤维硅酸盐混凝土和钢纤维碳酸盐混凝土的热传导性能和热膨胀性能。日本的许多学着对碳素纤维混凝土进行了大量的研究，研究了不同掺量对碳纤维混凝土压缩强度、直接张拉强度、弯曲强度的影响。近年日本等发达国家，正在对纤维混凝土产品的制作工艺进行改善，在纤维分布和产品的尺寸上进行改善，从而得到经济高强的纤维混凝土产品。在国内，针对纤维混凝土的各种特性许多学者也做了大量的研究，并且提出了许多相应的应用技术，取得了十分丰富的成果。近年来，随着技术理论的不断发展，钢纤维混凝土应用的范围越来越广泛，并且不断的拓展到个个领域。除了应用在市政交通方面，（比如公路路面结构、桥梁桥面板、隧洞支护修补工程等）外，并己经迅速地扩展到了建筑领域、水利水电行业、港口工程、矿产开采行业、铁路轨枕、机场跑道修建工程等。在上世纪八十年代以来，我国的许多科研单位和高校的研究人员开始了大量的关于纤维混凝土的实验研究，特别是赵国藩教授领导的中国土木工程学会纤维混凝土委员会，经过多年的努力，为我国的钢纤维混凝土技术的提高做出了巨大的贡献。自1986年第一届全国纤维混凝土学术会议在大连召开以来，全国各地关于纤维混凝土的研究召开了年会。与此同时，国家住建部开始组织有关专家进行纤维混凝土的相关规范标准，于1989年、1992年分别颁布了《钢纤维混凝土实验方法》、《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》两本标准，之后，中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会在1991年底成立。在这些工作的促进作用下，我国的钢纤维混凝土技术得到了较大的发展。对于聚丙烯合成纤维混凝土的研究国外发达国家的研究要比我们国内较早，当聚丙烯合成纤维混凝土在国外被用于重大项目建设的时候，我国才开始着手对聚丙烯合成纤维混凝土的研究，虽然对此项研究的起步比较晚，但是对聚丙烯纤维混凝土的研究进程很快，近年，我国的许多科研工作者对聚丙烯纤维混凝土进行了集中的研究，突破了对聚丙烯纤维混凝土力学性质、物理性质的研究，比如，从上世纪九十年代，中国纺织大学开始对改性聚丙烯纤维进行研制。二十世纪初，改性聚丙烯纤维混凝土开始被应用于实际工程，比如在吉林省梅河口市，吉林水利实业公司进行的渠道防渗护砌试验工程，则是改性聚丙烯纤维混凝土在全国水利工程界中较早被采用的应用实例，于2001年4月通过了国家验收的浙江省宁波市水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程，就是应用了聚丙烯纤维混凝土，其中在国际水平上，我国的改性聚丙烯纤维混凝土面板达到了领先水平。9 第一章绪论大连理工大学的赵国藩教授，多年来致力于钢纤维混凝土研究工作，对钢纤维混凝土的力学性能做了大量的实验研究，并对钢纤维混凝土在工程中的应用提出了许多应用技术，对我国纤维混凝土的研究提供了大量的理论依据。天津大学王铁成教授、谢剑对碳纤维布加固钢筋混凝土构件的抗震性能做了许多的研究与理论分析。游有鲲[14]对影响高强混凝土高温爆裂性能的因素进行了研究，通过改变聚丙烯纤维体积率来进行研究，并研究了在高温环境条件下高强混凝土吸水率、剩余强度性能及其恢复性能和聚丙烯纤维体积率的关系。发现虽然影响高强混凝土爆裂温度的因素很多，但主要与混凝土的配合比、试件的湿含量等相关。肖建庄[15]对不同强度等级的高强混凝土在不同温度条件下，其质量、强度受聚丙烯纤维的影响，在C50、C80、C100高性能混凝土中分别掺入等量的聚丙烯纤维，将制成的立方体试块置于20℃~900℃的温度环境下，对其随温度升高过程中试块的质量损失率和残余抗压强度进行试验。发现掺聚丙烯纤维的C50矿渣混凝土在100℃强度变化不大，200℃时有稍许下降，C80矿渣混凝土则没有这种现象。研究发现，随着聚丙烯纤维高性能混凝土水化、干燥过程的结束，聚丙烯纤维高性能混凝土的自由水含量相对较少，密实度较高，当在较低温度时（≤100℃）聚丙烯纤维高性能混凝土的质量损失很少；当温度继续升高到一定程度（100℃~400℃间）聚丙烯纤维高性能混凝土的质量损失速度最快，在这一阶段质量损失段除毛细水损失量和胶凝水的损失量之外，还包括300℃以上时，水化硫铝酸钙等水化物的结晶水的损失质量；相对于温度小于等于400℃的过程，大于400℃时，聚丙烯纤维高性能混凝土试块的质量损失放缓。对于高温后掺聚丙烯纤维的高性能混凝土的残余抗压强度的变化，400℃左右为分界线，小于400℃时，温度对其残余抗压强度的损伤较小，大于400℃时，温度对其残余抗压强度的损伤加剧。赵莉弘[16]在劈裂抗拉试验中发现在混凝土中掺加聚丙烯纤维、钢纤维和混杂纤维均能提高高温作用后高性能混凝土的残余劈裂抗拉强度，其中又以钢纤维的作用最为显著。在高性能混凝土中掺加钢纤维可明显改善混凝土的高温后残余力学性能。经过400℃高温作用后，钢纤维高性能混凝土的残余断裂能高于20℃的断裂能，这应是由于钢纤维具有阻裂作用，增大了混凝土的断裂能，断裂能随钢纤维掺量的增多而增加。聚丙烯纤维的掺入对高性能混凝土断裂能的影响很小。聚丙烯纤维高性能混凝土经过400℃高温作用前后断裂能与未掺纤维混凝土的断裂能基本相等。10 第一章绪论1.4本文主要研究内容及研究意义自从二十世纪中期以来，我国就开始对建筑结构进行加固处理，经过半个多世纪的时间，在科研工作者和工程技术人员的不断努力下，钢筋混凝土结构加固技术不断的发展成熟，在许多钢筋混凝土工程中也得到了实践，积累了丰富的工程技术经验，形成了一系列系统的并逐步走向成熟的建筑加固技术（比如粘钢加固法、喷射混凝土加固法、预应力加固法、增大截面法、化学灌浆加固法、改变传力途径加固法等加固技术）。这些加固技术统称为传统加固方法，随着这些传统加固技术在建筑工程中的广泛应用，以及对这些加固技术的深入研究，我国相关部门逐步使其规范化、标准化，编制了许多相关的技术规范，比如1987年颁布的《建筑抗震加固技术规范》(JGJll6-87)、《民用建筑修缮查勘与设计规程》(JGJll7-87)，1990年颁布的《混凝土结构加固技术规范》(CECS25：90)，1996年颁布的《砖混结构房屋加层技术规范》(CECS78：96)、《钢结构加固技术规范》(CEC77：96)，2000年颁布的《既有地基基础加固技术规范》(JGJl23-2000)。这些标准技术规范体系作为建筑工程加固领域的施工依据，不仅对我国加固领域的技术发展及应用起到了积极作用，而且对研究新技术、新理论起到了推动作用。但是，随着对工程加固技术的深入研究和越来越广泛的应用，在1.2节中也指出了这些传统的加固技术存在着许多缺点，比如这些传统的加固方法在恶劣环境条件下抗腐蚀性差，对结构自重有所增加，影响结构构件的刚度，进而影响了构件中力的分配，施工过程中对原构件的完整性的影响比较大，施工工序繁琐、施工难度加大、施工工期长等诸多问题，为此，需要一种新技术、新材料来代替这些传统加固技术，来用于混凝土结构工程的补强加固。随着世界经济技术的快速发展，各国在建筑领域正在快速的发展，随着人们对建筑结构形式、结构安全的要求不断提高，结构加固技术越来越受到科研工作者的关注，纤维以其高强高韧性等特点备受人们的欢迎，在结构加固领域得到了广泛的应用。1.4.1主要研究内容该桥梁两侧设有1700mm高的挡风板，在挡风板的内侧用碳纤维加固板加固，碳纤维加固板的基体为混凝土材料。用螺栓将碳纤维加固板固定在挡风板上，并且碳纤维加固板与挡风板之间用一层有机胶粘剂粘合。该加固构件为厚6mm、高1700mm、宽900mm的碳纤维混凝土板，纤维在混凝土基体中沿高度方向单向分布。经过一年的时间纤维混凝土板上出现了明显的竖向裂缝。11 第一章绪论影响碳纤维混凝土板开裂的因素有很多，比如环境湿度、环境温度、日照温差等。初步分析碳纤维加固板竖向开裂原因，是因为加固板单向掺入碳纤维，碳纤维竖向分布，对横向混凝土的开裂有阻碍作用，对沿纤维方向的裂缝几乎没有影响。由于挡风板与碳纤维加固板之间的温差作用，当挡风板温度高于碳纤维加固板时，挡风板伸长变形要比碳纤维加固板伸长量大，从而碳纤维加固板受拉，当碳纤维加固宽度方向的拉应变超过混凝土极限拉应变时，裂缝产生。因此基于桥梁挡风板加固构件的现场观测结果，在日照作用下，对纤维混凝土加固板的温度裂缝进行了如下分析：(1)分析钢筋混凝土挡风板和碳纤维混凝土加固板之间的温差对碳纤维混凝土加固板开裂的影响。(2)分析碳纤维分布方向、碳纤维混凝土加固板的厚度、螺栓横向间距对碳纤维混凝土加固板开裂的影响。(3)由于碳纤维与混凝土热膨胀性能相差很大，而钢纤维与混凝土的热膨胀性能相当，所以本文同时将分析钢纤维混凝土加固板温度裂缝的问题，将碳纤维混凝土加固板与钢纤维混凝土加固板进行对比。1.4.2主要研究意义对于纤维加固钢筋混凝土构件，国内外学者虽然做出了大量研究，但是其主要内容集中在梁板柱在纤维加固后的抗弯抗剪性能、疲劳性能、抗震性能、预应力加固性能、刚度变化、腐蚀性、耐水性等方面，对于由纤维加固构件与被加固的混凝土构件之间温差引起的温度作用，造成的碳纤维加固构件的温度裂缝的研究却很少涉及。碳纤维、钢纤维在混凝土结构加固领域已经得到了广泛的应用，但是还存在着一定的问题，有待我们去研究，比如碳纤维、钢纤维加固构件与被加固构件之间的温差作用产生的温度裂缝。通过本文对碳纤维、钢纤维混凝土加固板温度裂缝的相关分析，为碳纤维、钢纤维混凝土在建筑工程加固领域的适用性与经济性提供理论依据。12 第二章温度应力理论及模型的建立第二章温度应力理论及模型的建立2.1温度应力理论2.1.1裂缝成因裂缝是工程中常见的现象，根据裂缝的成因不同，裂缝可分为由于结构不均匀受力而产生的受力裂缝和构件之间不均匀变形引起的变形裂缝。受力裂缝是由于材料受力产生的裂缝，如钢筋混凝土轴心受拉、偏心受拉、受弯、和偏心受压等受力构件。当其受拉边的应变值超过混凝土的极限拉应变值时，将引起构件开裂从而产生裂缝。裂缝的开展方向一般与荷载引起的材料内部主拉应力方向垂直。变形裂缝是因为非荷载因素引起的裂缝。如温度变化、材料收缩、结构的不均匀沉降、混凝土碳化以及在混凝土凝结、硬化阶段等原因都会引起裂缝。一般工程实际中，裂缝的产生不是一种因素引起的，而是由多种因素共同作用的结果，80%的裂缝是由非荷载作用引起的，而只有20%的裂缝是由荷载引起的[17]。（1）温度收缩裂缝，这种裂缝是在混凝土不断的收缩与冷缩共同作用下产生的。混凝土在结硬过程中发生的材料收缩以及温度低于构件成形温度时发生的冷缩，由于内部或者外部的约束，混凝土不能自由收缩与冷缩时，会在混凝土内引起约束拉应力而产生裂缝。这种变形裂缝的产生，需要一个“时间过程”，当自然环境条件发生变化时，由于材料内部产生不均匀变形而引起约束应力的形成，裂缝的出现与开展等是一个逐渐多次出现的过程。由于裂缝的出现，开始被约束的变形得到释放或者部分释放，约束应力随即消失或者部分消失。现有的实验资料表明，混凝土在一年内可以完成总收缩量值的60%~85%，因此许多实际工程中温度收缩裂缝基本都出现在一年左右的时间，以上这些裂缝特点是区别于受力裂缝的主要特点。（2）结构温差产生的应力，建筑结构一般均是超静定结构，在自然环境下，由于结构构件之间存在温差，使得构件存在变形差异，当变形受到约束时，构件就会产生应力，裂缝一般是由于材料受拉产生的，当材料的拉应变超过极限拉应变时，便会开裂。（3）碳化引起的锈蚀膨胀的裂缝。对于保护层比较薄、混凝土密实性较差的构件，由于空气中的二氧化碳、水蒸气、及含氯离子的物质，通过肉眼不可见的微13 第二章温度应力理论及模型的建立裂缝，在较短的时期达到钢筋的表面，这个工程混凝土碱性也在随之降低，混凝土对钢筋的保护作用减弱，使钢筋在混凝土中被不断地锈蚀，随着锈蚀物的膨胀，使其周围的混凝土受拉，当其拉应变超过混凝土的极限拉应变的时候，引起混凝土的开裂。这种裂缝的特点是“先锈后裂”，存在一定的隐密性，裂缝明显出现之前，钢筋已经被锈蚀失去大部分的承载力，由此造成的危害具有突然性，所以这种裂缝一旦出现，已十分严重。不均匀沉降引起的裂缝。当建筑结构由于地基的不均匀沉降或者整体结构的各部分重量相差较大时，将在结构中引起裂缝。2.1.2混凝土的约束当混凝土不受外界的约束时，混凝土内部各细微组分可以自由的靠近，自由变形对混凝土的性能不会产生不利影响，也不会产生应力，从而不会引起开裂。但是在几乎所有的实际工程中，混凝土结构或构件的变形，都会受到周围环境的影响，从而使得变形在一定程度上受到抑制，这种“抑制”即为约束。根据混凝土所受约束的情况，可将这种约束可以大致分为两类：混凝土材料内部约束和混凝土外部约束。结构与结构、构件与结构、构件与构件之间，两个物体之间相互的牵制作用为外部约束，如上部结构受到地基基础的约束，加固件与被加固件之间的约束。由于约束体和被约束体的相对刚度不同，又可根据结构构件被的约束程度分为：无约束（自由体）、弹性约束和全约束（嵌固）。混凝土的温度应力其实质是由约束引起的。由于外界环境的影响，使得结构构件自身产生温差，或者相连的结构构件之间产生温差，由此产生的整体结构构件之间不协调的变形对超静定混凝土结构引起较大的约束应力。2.1.3温度应力基本概念温度应力亦称“热应力”。由于自然环境的温度变化，材料都具有热胀冷缩的特性，使得结构或构件产生伸缩变形（称为热变形），当这种变形受到外界的限制时，结构或构件内部便产生应力。并且，在大多数情况下，往往由温度变化产生的温度应力有些结构产生的温度应力大于荷载引起的荷载应力，温度应力超过结构的极限强度而使结构产生裂缝，甚至破坏。温度作用引起的裂缝，根据外部的约束的不同，可分为：温度自应力和温度次应力[18]。温度自应力是由于材料内部不均匀变形产生的，在环境条件影响下同一构件一种材料内部产生非线性温度场，受材料内部的任意温度梯度的影响，使14 第二章温度应力理论及模型的建立得同一截面的不同位置的材料纤维变形不一致，相互约束而产生一种自相平衡的约束应力。温度次应力是由于相互约束的不同构件之间变形不协调而引起的，由于大部分的建筑结构都是超静定的，结构因受到自然环境的影响，受到外部多余约束的限制，构件不能自由发生伸缩或弯曲变形时，便会在结构内部产生附加内力，我们称之为温度次应力。建筑物结构构件在环境温度的影响下，会产生变形。当变形不受约束时，结构构件不会产生应力，如果变形受到约束时，结构构件会产生温度应力。如图2-1所示圆杆悬臂梁，悬臂梁的温度从温度T0均匀变化到T1，温差为△T=T1－T0（升温为正，降温为负），由此温度作用，使得梁产生自由的长度变化△L，梁内不产生应力。悬臂梁的梁端自由伸长量（自由位移）：图2-1悬臂圆杆△L=α△TL，ε=△L/L=α△T（2-1）当圆杆两端受到约束时，如图2-2所示。圆杆在温度变化时，不能自由伸缩，圆杆将产生内力P，圆杆内产生的应力为：图2-2两端固定圆杆σ=P/A=4P/(πd2)（2-2）应力应变关系：σ=εE（2-3）由（2-1）和（2-3）可知：σ=αE△T（2-4）由温度产生的内力：P=πd2/4αE△T（2-5）式中：E—圆杆的弹性模量；α—材料的温度线膨胀系数；△T—构件的温差；L—构件的长度；15 第二章温度应力理论及模型的建立A—圆杆的截面面积；d—圆杆的直径；ε—构件在温差作用下的线应变。当两根等长度l的杆件连接在一起时，两根杆件的材料不同，两根杆件刚性粘结（即不能相对移动），也不发生弯曲。杆1和杆2的初始温度均为T0，最终温度分别为T[19]1和T2，且假设杆件内部的温度均匀分布。如下图2-3所示。图2-3两根相互约束的圆杆为了我们方便讨论，假设T1>T2及α1>α2（α1、α2分别为杆件1和杆件2的线膨胀系数）。如果两根杆件之间是自由的，没有相互之间的约束，则杆件1的自由彭膨胀量△l1和杆件2的自由膨胀量△l2分别为：△l1=α1（T1-T0）l△l2=α2（T2-T0）l这里△l1>△l2，但是由于两根杆件是刚性粘结在一起的，杆件长度方向不能自由的伸长，这就使得杆件1的实际膨胀量小于自由膨胀量，而杆件2的实际膨胀量大于自由膨胀量。由于两根杆件的自由变形受到彼此的约束，使得杆件1产生压应力σ`1的作用，杆件1相应的应变为ε1=σ1/E1，缩短量△l1=ε1l=σ1l/E1；杆件2产`=ε生拉应力σ2的作用，杆件2相应的应变为ε2=σ2/E2，缩短量△l22l=σ2l/E2（E1和E2分别为杆件1和杆件2的弹性模量）。最终，杆件1的伸长量为：α1（T1-T0）l+ε1l=α1（T1-T0）l+σ1l/E1（2-6）杆件2的伸长量为：α2（T2-T0）l+ε2l=α2（T2-T0）l+σ2l/E2（2-7）其中，式（2-6）和（2-7）中的ε1、σ1、ε2、σ2受拉时为正号，受压时为负号。由于两根杆件的长度始终保持相等，因此：α1（T1-T0）l+σ1l/E1=α2（T2-T0）l+σ2l/E2（2-8）将刚性粘结的两根杆件作为研究对象，两杆件处于平衡状态，且不受其他外力作用。杆件1所受到的压力与杆件2所受到的拉力相等，即：σ1A1=－σ2A2（2-9）式中：A1、A2分别为杆件1和杆件2的横截面面积。16 第二章温度应力理论及模型的建立由式（2-8）和（2-9）联立得出：⎡α(T−T)⎤220αE(T−T)1−1110⎢⎥α(T−T)⎣110⎦σ=−=−kαE(T−T)（2-10）11110AE111+AE22A()1σ=kαET−T（2-11）21110A2其中系数k为：α(T−T)2201−α(T−T)110k=（2-12）AE111+AE22K称为约束系数，若k>0，则σ1<0、σ2>0，杆件1为压应力，杆件2为拉应力。若k<0，则σ1>0、σ2<0。2.1.4温度场的简化关于混凝土结构中的温度场根据不同的特点，可分为：与时间响应有关的稳态温度场、瞬态温度场。稳态温度场不随时间的变化而变化，与时间无关；瞬态温度场则随着时间的变化而变化，它是是时间的函数。以及不同材料对温度的依赖性不同的线性温度场、非线性温度场。线性问题中，温度场的控制方程及边界条件中的热力学参数是常数，均与温度无关；而在非线性问题中，这些热力学参数均与温度有关，是温度的函数。目前常用的温度场分布模型有双折线模式、幂函数模式、指数函数模式等，本文不研究由于同一种材料内部温度不均匀造成的温度自应力。本文根据日照方位和桥梁的布置，取一天当中的三个时间点t1、t2、t3的温度场对桥梁挡风板隔离体进行分析，如图--所示。三个时刻构件任一点i的温度分别用下式表示：T=f(x,y,z,t)（2-13）i1T=f(x,y,z,t)i2（2-14）T=f(x,y,z,t)i3（2-15）17 第二章温度应力理论及模型的建立x、y、z为任意i点的坐标，其中，x为桥轴方向、y为挡风板厚度方向、z为挡风板高度方向。考虑到，由于地球与太阳之间的的距离非常遥远，照射到地球上的太阳光可以近似看成是平行的，而且桥梁结构一般是狭长分布的，为了分析的方便可以近似的认为桥梁纵向的温度分布一致，这一假定已被被许多研究者所证实，因此三个时刻构件任一点i的温度分别简化为下式：T=f(y,z,t)i1（2-16）T=f(y,z,t)i2（2-17）T=f(y,z,t)i3（2-18）为了更简便的分析，并考虑产生温度应力的最不利温度场分布，假设每种材料内部的温度沿挡风板厚度y方向和挡风板高度z方向不变，即将三个时间点材料内任一点i的温度分别简化为一个常数：T=f(t)=Ci11（2-19）T=f(t)=Ci22（2-20）T=f(t)=Ci33（2-21）2.2模型的建立2.2.1几何尺寸因为对整体桥梁进行分析，在建模和分析上都非常复杂，耗费大量资源和时间，又因为桥梁长度方向的尺寸比较大，一定范围以外的构件之间的相互影响很小，可以忽略。因此，本文取局部长度范围内的挡风板和碳纤维混凝土加固板为研究对象，进行有限元分析。碳纤维混凝土加固板用一定距离的螺栓固定在挡风板上，并且用有机粘接剂粘接。挡风板的局部几何尺寸见下图2-4：18 第二章温度应力理论及模型的建立碳纤维挡加风固板板图2-4几何尺寸2.2.2材料参数碳纤维混凝土加固板中的碳纤维沿加固板的高度方向单向配置，掺入的体积率为0.5%。材料的主要性能参数见下表2-1：表2-1材料主要性能参数弹性模量抗拉强度标准值材料线膨胀系数/(1/℃)/MPa/MPa碳纤维2.35×1054592-0.7×10-6碳纤维混凝土基1.55×1042.3941.0×10-5体挡风板3.45×1042.6401.0×10-52.2.3边界条件本文桥梁挡风板沿铁路桥梁的全长设置，桥梁每隔一定的距离设置一条贯穿桥轴横截面的伸缩缝，挡风板由于垂直于挡风板的风荷载等横向荷载的作用下，会发生平面外的弯曲变形，在靠近桥面的一侧用碳纤维混凝土加固板对挡风板进行加固，可防止挡风板混凝土的开裂。经过一年的时间，在自然环境下，碳纤维混凝土加固板出现了明显的竖向裂缝。在挡风板伸缩缝和自由端处的碳纤维混凝土加固板开裂的比较明显；在中间位置的碳纤维混凝土加固板的开裂不太明显。根据加固板在桥梁挡风板上的不同位置，本文取挡风板自由端一块半加固板的长度，桥梁伸缩缝处取一块半加固板的长度，挡风板的中间部分也取一块半加固板的长度，即取三种不同边界条件进行分析。为考虑极限状态及保守起见，取自挡风板中间部分的模型的两个剖切面，在桥轴方向自由度固定；在伸缩缝处挡风板可以近似认为沿桥轴方向可以自由伸缩，剖切面的桥轴方向自由度固定。对称面x固定、y、z自由，底面x自由、y约束两点其余自由（防止刚体位移）、z固定，19 第二章温度应力理论及模型的建立三种边界条件示意图如下图2-5~图2-7所示：对对对称称称面面面x统x、x一y、固变Z定、形、自y、y、由ZZ自自由由图2-5自由端处边界条件图2-6中间部位边界条件图2-7伸缩缝处边界条件2.2.4单元的选取桥梁结构中的钢筋混凝土挡风板和纤维混凝土加固板用一种能够按配筋率考虑钢筋和纤维的实体单元，纤维混凝土加固板和钢筋混凝土挡风板之间的有机胶粘剂有用接触单元来考虑。本文用FINAL有限元分析软件，分析碳纤维混凝土板的热应力。FINAL是日本大林组技术研究所基于混凝土结构有限元法（FEM）开发的结构分析/传热分析软件。它可以很好的模拟结构构件在加载到破坏过程中混凝土和钢筋的非线性行为，是一款主要针对钢筋混凝土和地基材料的有限元软件。特别是，对于钢筋混凝土材料，FINAL有限元软件里面包含了基于独立的基本实验而得到的本构模型，并且具有很好的分析精度。FINAL的分析功能有：静力分析、时间历程分析、模态分析、热传导分析，可以模拟材料非线性和几何非线性问题。FIANL具有一般大型通用有限元分析软件所具有的单元类型，材料模型有混凝土、钢材、地基材料、接合材料，荷载种类有节点集中荷载（包括力、热流束等）、节点位移（包括线位移和角位移等）、加速度（包括线加速度、转动加速度等）、均布荷载（包括体力、面力、线荷载等）、均匀分布热流束、单元的初始应力和初始应变、单元的温度荷载（单元内均匀分布或沿厚度任意方向分布）、热传导边界条件等。本文钢筋混凝土挡风板使用8节点六面体单元（如图2-8），必要的场合下还可以使用退化的三角柱单元，该单元类型每个节点有x、y、z三个方向的线位移自由度，并且在x、y、z三个方向可以以配筋率的形式输入钢筋（可模拟纤维混20 第二章温度应力理论及模型的建立凝土材料），可用来模拟墙体、楼板、大体积混凝土等。图2-8六面体单元示意图纤维混凝土加固板使用四边形板单元，该单元可以在厚度方向设置偏移，该单元也可以在x、y、z三个方向以纤维体积率的方式输入纤维，可以在板单元平面内单向配置纤维（如图2-9），也可以在板单元平面内正交两向配置纤维（如图2-10），该单元类型适合模拟定向纤维混凝土板。纤维纤维图2-9板单元平面内单向配纤维示意图图2-10板单元平面内正交两向配纤维示意图2.2.5施加温度荷载关于温度梯度的分布模式有许多，各国规范都规定了相应的温度梯度分布模式，目前常用的主要有我国《公路桥涵设计通用规范》JTGD60—2004提出的双折线模式、新西兰桥梁规范NZBM—2003提出的5次幂函数模式、以及我国《铁路桥涵设计规范》TB10002.3—2005提出的指数函数模式等[20~23]。本文为了简便，考虑温度荷载极限情况，不考虑材料内部温度梯度对开裂的影响，将桥梁钢筋混凝土挡风板统一设置一个温升值，纤维混凝土加固板统一设置一个温升值，这样能达到预期的分析效果。21 第二章温度应力理论及模型的建立由于挡风板的尺寸、线膨胀系数、弹性模量等与碳纤维混凝土不同，根据日照方位的变化，设定以下基本温度工况，如下表2-2：表2-2基本温度工况℃工况初始温度碳纤维加固板温度挡风板温度Case1203045Case2204545Case32045302.2.6有限元结构模型本文对桥梁挡风板的三个不同位置的加固板进行分析，三个位置的模型除了边界条件不同外，其他均相同。有限元分析模型见下图2-11。纤对称轴1mm缝隙维混钢凝筋土混加凝固土板挡风板图2-11有限元模型本文不使用接触单元考虑加固板与挡风板之间的有机胶粘剂，而是对三个边界条件工况加固板与挡风板之间分别进行简化处理，即假设加固板与挡风板之间公用节点和两者只用螺栓连接，对两种极限状态进行分析。2.2.7混凝土本构由于混凝土的复杂特性，国内外学者都提出了不同的混凝土本构关系模型，比如线弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论、粘弹性和粘塑性理论等，但是目前还没有一种业界公认的理论。根据本文分析结构的实际受力特性，采用FINAL有限元分析软件提供的混凝土本构模型：22 第二章温度应力理论及模型的建立对于混凝土抗拉应力应变关系，许多混凝土的抗拉模型都大同小异，在混凝土开裂之前均呈直线变化规律，开裂之后稍有不同，本文采用日本学者長沼一洋，山口恒雄提出的混凝土应力应变关系模型[24]。混凝土受压状态下的压缩应力应变关系采用修正Ahmad模型[25]，其应力应变关系见图2-12，混凝土应力应变曲线进入下降段后，由于坚硬骨料的存在，沿裂缝面上会产生剪摩滑移，仍能支持一定的荷载，随着时间的推移，应力应变曲线坡度逐渐平缓：2(AX⋅+(D−1.0)⋅X)⋅σPσ=（2-22）c21.0+(A−2.0)⋅X+DX⋅"A=EE（2-23）cp上升段（ε<ε）：PX=εε（2-24）P2"19.6⎛Ec⎞"D="⎜"−1.0⎟，(≥1.0−EEcP)（2-25）fEc⎝P⎠下降段（ε≥ε）：P2"n⎛f⎞cX=(εεP)；n=0.93.4+⎜⎟（2-26）⎝98⎠177⎛σ⎞PD=1.0+⎜−1.0⎟（2-27）""ffc⎝c⎠"式中：E指混凝土弹性模量；σ指峰值应力；E指应力达到σ时的割线模量；cPPP"""ε指峰值应变；f指混凝土单轴抗压强度；E指应力达到f时的割线模量。Pcccσcσc:混凝土压应力σPσP:峰值压应力ε:混凝土压应变ε:峰值压应变PεPε图2-12混凝土受压应力应变关系混凝土材料极易开裂，在混凝土裂缝的有限元模拟中，裂缝的处理是一个非常复杂的问题。当裂缝出现时，裂缝附近的应力分布就会出现骤然的变化，刚度下降，剪力在裂缝处的传递非常复杂，给有限元模拟带来了很大的困难。由于本文分析的纤维混凝土加固板厚度比较小，当裂缝产生时，裂缝沿着厚度方向能够23 第二章温度应力理论及模型的建立承担剪力的混凝土材料比较少，可以忽略，所以本文采用FINAL提供的剪力传递模型来模拟裂缝处的剪力传递方式，即当裂缝产生时，裂缝处的刚度降为零，裂缝处不再传递剪力。24 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析3.1纤维混凝土的增强机理长期以来纤维增强混凝土复合材料主要依据的基本设计理论有Hannant提出的基于混合法则的“复合力学理论”和Romualdi等人基于线弹性断裂力学提出的“纤维间距理论”[26~30]。3.1.1复合力学理论复合力学理论用于分析纤维增强或其他复合材料时大多是将复合材料视为多相体系，对纤维增强混凝土的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料。整体材料的各项性能通过各相的相应的性能加和值。复合力学理论的基本假定：（1）纤维平行连续均匀分布，纤维平行于受力方向。（2）纤维与基体粘接良好，无相对滑动。（3）纤维与基体都处于弹性状态。根据上面的假设，对于纤维混凝土，当纤维混凝土材料沿纤维方向受力时，纤维和混凝土的受力特性分别与钢筋混凝土的钢筋和混凝土受力特性类似，该理论将纤维混凝土视为纤维强化体系(即将纤维作为增强材料)，应用复合材料混合定律推导纤维混凝土的应力，并结合纤维混凝土复合材料的特殊性，将复合材料沿外荷载方向有效纤维体积率的比例、非连续性纤维长度和取向修正以及混凝土的非均质特性等一起加以考虑，即将纤维混凝土复合材料的力学性能与纤维的掺入量、纤维取向、长径比及纤维与基体粘结力之间的关系结合起来加以考虑。顺向连续纤维复合材料的平均应力和弹性模量如下：f=fρ+fρ=fρ+f（1−ρ）cffmmffmf（3-1）纤维复合材料的弹性模量E是：c25 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析dfc∂(fcρf)dff∂(ffρf)dρf=+dεc∂(ff)dεc∂(ρf)dεc∂(fmρm)d∂(fmρm)dρm++fm∂(fm)dεc∂(ρm)dεcdfdρdfdρffmm=ρ+f+ρ+fffmmdεdεdεdεcccc（3-2）dρdρfm由=0，=0，dε=dε=dεccmdεdεcc所以E=Eρ+Eρ=Eρ+E(1−ρ)cffmmffmf（3-3）其中式中f、E—复合材料的平均应力、弹性模量；ccf、E、ρ—基体的应力、弹性模量、体积率；mmmf、E、ρ—纤维的应力、弹性模量、体积率。fff3.1.2纤维间距理论纤维间距理论又称“纤维阻裂理论”，早期由Romualdi、Batson与Mandel提出。这种理论根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。对于纤维混凝土复合材料，根据纤维间距理论，我们认为在混凝土内部存在固有缺陷，如想要提高强度，必须尽可能减小缺陷程度，提高材料的韧性，即抗变形能力，降低混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。纤维阻裂理论首先假设纤维块体中有许多细纤维丝沿着拉应力作用方向按棋盘状均匀分布。细纤维丝的平均中心间距为某一定值S。由于拉应力作用，水泥基体中凸透镜形状的裂缝端部产生应力集中系数K0，当裂缝扩展到基体界面时，在界面上会产生对裂缝起约束作用的剪应力并使裂缝趋于闭合。此时在裂缝顶端会产生与K0相反的另一应力集中系数－KF，于是总的应力集中系数就下降为K0－KF。关于纤维间距理论或纤维阻裂理论的通俗解释是：当纤维均匀分布在混凝土基体之中的时候，可以起到阻止基体内微裂缝发展的作用。假定混凝土基体内部存在有发生微裂缝的倾向，当任何一条微裂缝发生、并且可能向任意方向发展时，在最远不超过纤维在混凝土基体内纤维平均中心距S的距离之内，该裂缝将遇到横搭在裂缝前方的一根纤维。由于这根纤维的存在，使裂缝的发展受到阻碍，只能在混凝土基体内形成类似于无害孔洞的封闭空腔或者内径非常细小的孔洞。正是在这个层面上，纤维间距理论与复合材料理论实现了连接。26 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析按照纤维间距理论的解释，当直径相同、长度相同、相对密度不同的合成纤维在水泥基体中的掺重(单位体积混凝土基体材料的纤维质量)相同时，纤维对水泥基体的阻裂效果主要取决于两个因素：（1）纤维的平均间距S，这里要求S>0；（2）每立方米水泥基体中纤维的根数n。在纤维充分均匀分散的前提下，纤维的平均间距S值与阻裂效果成反比，纤维间距S值愈小，阻裂效果愈好；纤维根数n值则与纤维材料的相对密度成反比，与阻裂效果成正比。纤维根数n值愈大，阻裂效果愈好。但是，若纤维不能均匀分散在基体内，例如存在并丝现象，即两根纤维平行粘连，其间距S为0，则纤维的根数为n-1。显而易见，纤维在混凝土中的分散性是保证纤维混凝土抗裂效果的关键。如果纤维在混凝土块体内部不能均匀分散，则可能影响纤维混凝土的抗裂效果。3.1.3影响纤维混凝土增强性能的因素影响纤维混凝土增强性能的因素有很多，纤维的增强效果主要取决于纤维的材质、纤维的掺入量、纤维的外形、纤维的长径比、纤维在基体中的分布状态、基体的性能、龄期等因素。许多学者通过大量的实验进行了研究，日本学者平清朗、佐藤嘉昭等对碳纤维混凝土中不同纤维含量、不同配合比对碳纤维混凝土强度的影响进行了研究[31]，实验试件的组分及实验结果见表3-1和表3-2：表3-1实验试件的调合单位质量（kg/m3)塌落空气温度调VfW/CS/a混合度量（℃合(%)(%)(%)CSFWCFSG剂（cm）（%））0400442000.048510976.66274.528�0.35070400442005.448110896.6622.25.9300.5400442009.048010856.6621.25.3320400442000.048310396.66246.821�0.55070400442009.048010316.66164.221.51.04004420018.047610226.6624.921表3-2各种强度实验结果压缩实验张拉实验弯曲实验龄期Vf开裂强调强度弹性模量强度弹性模量弹性模量（日（%度强度合（MPa（×104MPa（MPa（×104MPa（×104MPa））（MPa）（MPa））））））032.552.372.232.782.584.882.4570.337.792.182.872.652.785.012.62�0.532.232.064.212.822.725.682.33044.312.762.983.642.736.752.89280.341.342.853.733.742.936.763.0327 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析0.543.012.904.043.952.908.322.95051.532.803.003.283.315.413.12560.350.742.633.633.683.295.572.790.550.422.675.433.803.277.142.72045.032.652.673.502.996.152.8070.547.622.473.883.703.026.422.72150.592.425.693.962.9310.062.77053.712.882.923.543.266.843.02�280.552.352.734.734.143.326.783.14160.422.655.814.493.1410.353.12059.933.093.063.753.336.583.02560.560.922.894.954.203.467.663.30164.812.846.194.743.3011.373.09由上表可知当掺入Vf≥0.5%时，抗压强度提高了1.2倍、抗拉强度提高了1.5~2倍、弯曲强度提高了1.5倍。对于影响钢纤维混凝土增强效果的因素，除了与钢纤维的掺入量、钢纤维分布、基体性能、钢纤维长径比等有关外，还与钢纤维的外形有关，如果钢纤维的外形不同，纤维与混凝土之间或与水泥砂浆基体的粘接强度也不同，因而对混凝土或水泥砂浆基体的增强效果也不同[32~33]。3.2通过有限元模拟确定最不利工况本节简化模拟日照下碳纤维混凝土加固板的温度裂缝的开裂情况，分别对挡风板上的三个不同位置的碳纤维混凝土加固板分别进行三种温度工况的分析，通过裂缝开裂的情况确定最不利工况，在最不利基础上再进行相应的分析。碳纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间连接的处理，将碳纤维混凝土加固板加固板与钢筋混凝土挡风板之间的一层胶粘剂的作用用两种极限情况考虑，分别按碳纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间共用节点、非共用节点（两者只通过螺栓连接）两种连接方式进行分析。按2.2.5节中设置的三个温度工况进行分析，初始温度均为20℃。Case1碳纤维混凝土加固板设置30℃，钢筋混凝土挡风板设置45℃；Case2碳纤维混凝土加固板设置45℃，钢筋混凝土挡风板设置45℃；Case3碳纤维混凝土加固板设置45℃，钢筋混凝土挡风板设置30℃。应用FINAL有限元软件进行分析，有限元分析共设置100个子步。3.2.1挡风板自由端处加固板的裂缝分析(1)碳纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点以下是三种温度工况碳纤维混凝土加固板的分析结果，见图3-1~图3-7：28 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-1Case1位移云图图3-2Case2位移云图图3-3Case3位移云图图（a）Case1碳纤维加固板裂缝图图（b）现场观测碳纤维板裂缝示意图图3-4Case1分析结果和现场观测结果对比图3-5Case2最大应力云图图3-6Case3最大应力云图图3-7Case3最大应力云图三种温度工况中，Case1（碳纤维混凝土加固板从20℃升高到30℃，钢筋混凝土挡风板从20℃升高到45℃）碳纤维混凝土加固板有明显的裂缝产生，有38429 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析条裂缝，并且裂缝基本均位于加固板两列螺栓之间的区域，与实际工程中产生的裂缝情况相似。其他两种温度工况均没有裂缝产生。(2)碳纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点通过⑴中的分析可知，Case1是最不利工况。在Case1的基础上，将分析模型中碳纤维混凝土加固板和钢筋混凝土挡风板之间的公用节点作非公用节点处理，两者之间只用螺栓连接，分析结果如下：Case1温度工况的碳纤维混凝土加固板最后一步开裂情况见下图3-8：图3-8Case1温度工况碳纤维混凝土加固板裂缝图由于碳纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板只通过螺栓连接，在螺栓附近处产生应力集中现象，应力比较大，使得螺栓处的混凝土容易开裂。3.2.2挡风板中间部位加固板的裂缝分析(1)碳纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点三个温度工况碳纤维混凝土加固板均没有开裂，位移云图及最大应力云图见下图3-9~图3-14：30 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-9Case1位移云图图3-10Case2位移云图图图3-11Case3位移云图图图3-12Case2最大应力云图图3-13Case3最大应力云图图3-14Case3最大应力云图三种温度工况中，碳纤维混凝土加固板均没有裂缝产生。实际工程中在钢筋混凝土挡风板的中间部位的碳纤维加固板几乎没有开裂，分析结果与实际情况相近。由于钢筋混凝土挡风板的桥轴方向的尺寸相当大，中间部位的挡风板会受到两端挡风板的约束，中间部位的挡风板在桥轴方向的变形相对较小，这样就使得中间部位的挡风板与碳纤维混凝土加固板之间的变形差较小，又由于碳纤维混凝土加固板高度方向有碳纤维的约束，所以挡风板中间部位的碳纤维混凝土加固板几乎不出现开裂。3.2.3挡风板伸缩缝处加固板的裂缝分析(1)碳纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点三个温度工况碳纤维混凝土加固板的分析结果见下图3-15~图3-20。31 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-15Case1位移云图图3-16Case2位移云图图3-17Case3位移云图图（a）Case1碳纤维加固板裂缝图图（b）现场观测碳纤维板裂缝示意图图3-18Case1分析结果和现场观测结果对比图3-19Case2最大应力云图图3-20Case3最大应力云图三种温度工况中，Case1（碳纤维混凝土加固板从20℃升高到30℃，钢筋混32 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析凝土挡风板从20℃升高到45℃）碳纤维混凝土加固板有明显的裂缝产生，有420条裂缝产生，并且裂缝基本均位于加固板两列螺栓之间的区域，与实际工程中产生的裂缝情况相似。其他两种温度工况均没有裂缝产生。Case1工况中碳纤维混凝土加固板开裂前一步、开裂时一步和最后一步的分析结果如图3-21~图3-26：图3-21开裂前一步碳纤维加固板最大应力云图图3-22开裂时碳纤维加固板最大应力云图图3-23开裂前碳纤维加固板最大应力矢量图图3-24开始开裂时碳纤维加固板裂缝图33 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-25最后一步加固板最大应力云图图3-26最后一步加固板最大应力矢量图由Case1分析可知，由于螺栓的存在，使得碳纤维混凝土加固板应力分布不均匀，在螺栓处产生应力集中现象，当螺栓处产生的应变达到材料的极限拉应变的时候，首先在螺栓处产生裂缝，在螺栓处最大主应力为拉应力，并且拉应力方向基本沿水平方向，所以在螺栓处最先出现竖向裂缝。随着裂缝的开展，裂缝处的混凝土退出工作，裂缝端部的存在应力集中，裂缝将继续开展。竖向裂缝集中的部位，由于大部分的混凝土失去了横向的水平抗拉作用，应力降低，没有开裂的混凝土具有一定的抗拉能力，应力较大。由于碳纤维是沿碳纤维混凝土加固板高度方向分布的，沿纤维方向具有较强的阻裂作用，垂直纤维方向的阻裂作用非常小，所以裂缝基本为竖向裂缝。(2)碳纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点通过⑴中的分析可知，Case1是最不利工况。在Case1的基础上，将分析模型中碳纤维混凝土加固板和挡风板之间的公用节点作非公用节点处理，两者之间只用螺栓连接，分析结果如下：Case1温度工况的碳纤维混凝土加固板最后一步开裂情况见下图3-27:图3-27Case1温度工况碳纤维混凝土加固板裂缝图34 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析由裂缝图可知，碳纤维混凝土加固板由于螺栓处应力集中，只在螺栓附近处产生少量的裂缝。3.3板厚对碳纤维混凝土加固板开裂的影响在3.2节分析得到的最不利的工况的基础上，改变碳纤维加固板的厚度，分析厚度对碳纤维加固板的开裂的影响。分别设置5mm、6mm、7mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm厚度进行分析，得出裂缝条数与碳纤维混凝土加固板厚度的关系图线，见下图3-28：700600500N400裂缝条数3002004681012141618202224碳纤维加固板厚度d/mm图3-28碳纤维混凝土加固板裂缝条数与厚度关系曲线由碳纤维混凝土加固板裂缝条数与厚度关系曲线可以看出，当厚度小于7mm时，直线较陡，碳纤维混凝土加固板裂缝条数受厚度影响比较明显；当大于mm时，直线比较平缓，碳纤维混凝土加固板裂缝条数受厚度影响不明显。3.4正交两向配置碳纤维由3.2节的分析可以得出，在挡风板伸缩缝处的碳纤维混凝土加固板的裂缝最多，除了在螺栓处的裂缝均是竖向裂缝，在3.2节的基础上，本节分析横竖两向正交输入碳纤维，碳纤维混凝土加固板的开裂情况见下图3-29：35 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-29两向正交碳纤维混凝土加固板裂缝图对于最不利工况，当只配置竖向单向碳纤维时，两列螺栓中间区域有许多竖向裂缝，当正交两向配置纤维时，由于横向纤维的存在，阻止了竖向裂缝的开展，碳纤维混凝土加固板只在螺栓处产生少许的裂缝，说明了碳纤维对混凝土加固板的阻裂作用。3.5螺栓间距对碳纤维混凝土加固板开裂的影响由3.2节分析可知挡风板伸缩缝处的加固板在Case1温度工况下最不利，在最不利工况的基础上，沿碳纤维混凝土加固板的高度方向，加密螺栓，改变螺栓的间距，分析螺栓间距对碳纤维混凝土加固板开裂的影响。改变螺栓间距前后的螺栓间距如下图3-30和图3-31：螺栓螺栓图3-30改变螺距前的螺栓间距图3-31改变螺距后的螺栓间距(1)碳纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点改变螺栓间距后碳纤维混凝土加固板的裂缝分布情况见下图3-32：36 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析图3-32碳纤维混凝土加固板裂缝图(2)碳纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点由于应力集中，螺栓附近局部区域的应力过大，相应的拉应变大，当超过混凝土的极限拉应变时，在螺栓附近产生裂缝，裂缝分布情况见下图3-33：图3-33螺栓连接碳纤维混凝土加固板裂缝图由以上分析可知，与螺栓加密前的相比，当加密螺栓后，加固板的上端裂缝没有贯通到顶部，其他螺栓处的裂缝开裂情况与螺栓加密前的类似。本章小结由以上分析可知，在相同条件下，桥梁挡风板不同部位的碳纤维混凝土加固板的开裂情况不同，在伸缩缝处的碳纤维混凝土加固板开裂最严重，与实际工程情况的开裂情况类似；在不同日照方位下，碳纤维混凝土加固板和挡风板之间的温差情况不同，当日光照射挡风板时，挡风板温升值要比碳纤维混凝土加固板温37 第三章碳纤维加固板温度裂缝的非线性分析升值高，此时碳纤维混凝土加固板处于受拉状态，裂缝开裂最多，其他两种日照方位下，碳纤维混凝土加固板几乎不开裂；由于螺栓的存在，在螺栓处碳纤维混凝土加固板产生应力集中现象，最先在螺栓处开裂；由碳纤维混凝土加固板裂缝条数与厚度关系曲线可知，碳纤维混凝土加固板厚度在7mm处有一个转折点，板厚小于7mm时，直线比较陡，碳纤维混凝土加固板开裂情况受厚度影响较明显，当板厚大于7mm时，直线比较平缓，板的开裂受厚度不太明显；实际工程中，碳纤维混凝土加固板中碳纤维是沿着板的高度方向单向分布的，碳纤维只对垂直于碳纤维的裂缝开展有明显的阻碍作用，对平行于碳纤维的裂缝开展阻碍作用很小，所以，当正交两向配置碳纤维时，加固板只在螺栓处产生少许裂缝，其他部位没有开裂；当沿着加固板高度方向加密螺栓时，每列由于螺栓增加，约束增强，只在螺栓处沿螺栓列分布方向产生裂缝，在两列螺栓之间裂缝没有开裂。38 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析4.1通过有限元分析确定最不利工况由第三章得出当钢筋混凝土挡风板的温升比碳纤维混凝土加固板的温升高时，由于两者之间的膨胀量差值，碳纤维混凝土加固板受拉，使得碳纤维混凝土加固板的拉应变达到混凝土的极限拉应变，从而产生裂缝。由于除了温差以外，材料的线膨胀系数的差异也是引起膨胀量差值的原因。碳纤维的线膨胀系数为负值，在升温情况下，会加大材料之间的变形差，而钢纤维的线膨胀系数与混凝土的线膨胀系数比较接近，钢纤维的线膨胀系数为1.2E-5(1/℃)，因此本章将碳纤维换成钢纤维再次进行分析，以此与碳纤维混凝土加固板的裂缝分析形成对比。除了改变纤维材质以外，其他条件均不变。钢筋混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间连接的处理，与第三章的碳纤维混凝土的温度裂缝分析相同，分别按钢纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间共用节点、非共用节点两种连接方式进行分析。不考虑钢筋混凝土加固板与挡风板之间的一层胶粘剂，这是两种极限情况。按2.2.5节中设置的三个温度工况进行分析，初始温度均为20℃。Case1钢纤维混凝土加固板设置30℃，钢筋混凝土挡风板设置45℃；Case2钢纤维混凝土加固板设置45℃，钢筋混凝土挡风板设置45℃；Case3钢纤维混凝土加固板设置45℃，钢筋混凝土挡风板设置30℃。有限元分析共100个子步。4.1.1挡风板自由端处加固板的裂缝分析(1)钢纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点以下是三个温度工况钢纤维混凝土加固板的分析结果，见下图4-1~4-7：39 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析图4-1Case1位移云图图4-2Case2位移云图图4-3Case3位移云图图（a）Case1钢纤维加固板裂缝图图（b）现场观测碳纤维板裂缝示意图图4-4Case1分析结果和现场观测结果对比图4-5Case1最大应力云图图4-6Case2最大应力云图图4-7Case3最大应力云图三种温度工况中，Case1（钢纤维混凝土加固板从20℃升高到30℃，钢筋混凝土挡风板从20℃升高到45℃）钢纤维混凝土加固板有明显的裂缝产生，有230条裂缝产生，并且裂缝基本均位于加固板两列螺栓之间的区域，与实际工程中产40 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析生的裂缝情况相似。其他两种温度工况均没有裂缝产生。(2)钢纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点通过⑴中的分析可知，Case1是最不利工况。在Case1的基础上，将分析模型中钢纤维混凝土加固板和钢筋混凝土挡风板之间的公用节点作非公用节点处理，两者之间只用螺栓连接，分析结果如下：Case1温度工况的钢纤维混凝土加固板最后一步开裂情况见下图4-8，红线表示开裂。图4-8Case1温度工况钢纤维混凝土加固板裂缝图4.1.2挡风板中间部位加固板的裂缝分析(1)钢纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点三个温度工况钢纤维混凝土加固板的分析结果见下图4-9~4-14：图4-9Case1位移云图图4-10Case2位移云图图4-11Case3位移云图41 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析图4-12Case1最大应力云图图4-13Case2最大应力云图图4-14Case3最大应力云图经过本节分析得出，与挡风板中间部位的碳纤维混凝土加固板的分析结果类似，位于挡风板中间部位的钢纤维混凝土加固板的三种温度工况均没有裂缝产生。4.1.3挡风板伸缩缝处加固板的裂缝分析(1)钢纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点三个温度工况钢纤维混凝土加固板的分析结果见下图4-15~4-20。图4-15Case1位移云图图4-16Case2位移云图图4-17Case3位移图42 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析图（a）Case1钢纤维加固板裂缝图图（b）现场观测碳纤维板裂缝示意图图4-18Case1分析结果和现场观测结果对比图4-19Case2最大应力云图图4-20Case3最大应力云图三种温度工况中，Case1（钢纤维混凝土加固板从20℃升高到30℃，钢筋混凝土挡风板从20℃升高到45℃）钢纤维混凝土加固板有明显的裂缝产生，并且裂缝基本均位于加固板两列螺栓之间的区域，与实际工程中产生的裂缝情况相似。其他两种温度工况均没有裂缝产生。Case1工况中钢纤维混凝土加固板开裂前一步、开裂时一步和最后一步的分析结果如图4-21~图4-26：43 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析图4-21开裂前一步钢纤维加固板最大应力云图图4-22开裂时钢纤维加固板最大应力云图图4-23开裂前钢纤维加固板最大应力矢量图图4-24开始开裂时钢纤维加固板裂缝图图4-25最后一步加固板最大应力云图图4-26最后一步加固板最大应力矢量图44 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析(2)钢纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点通过⑴中的分析可知，Case1是最不利工况。在Case1的基础上，将分析模型中钢纤维混凝土加固板和挡风板之间的公用节点作非公用节点处理，两者之间只用螺栓连接，分析结果如下：Case1温度工况的钢纤维混凝土加固板最后一步开裂情况见下图4-27：图4-27Case1温度工况钢纤维混凝土加固板裂缝图4.2板厚对钢纤维混凝土加固板开裂的影响在4.1节分析得到的最不利的工况的基础上，改变钢纤维加固板的厚度，分析厚度对钢纤维加固板的开裂的影响。分别设置5mm、6mm、7mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm厚度进行分析，得出裂缝条数与钢纤维混凝土加固板厚度的关系图线，见下图4-28：700600500N400裂缝条数3002004681012141618202224钢纤维加固板厚度d/mm图4-28钢纤维混凝土加固板裂缝条数与厚度关系曲线45 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析4.3正交两向配置钢纤维经4.1节的分析，得出伸缩缝处的加固板在Case1温度工况是最不利的情况，本节在此基础上，分析横竖两向正交输入钢纤维，钢纤维混凝土加固板的最后一步开裂情况见下图4-29：图4-29两向正交钢纤维混凝土加固板裂缝图4.4螺栓间距对钢纤维混凝土加固板开裂的影响经4.1节的分析，得出伸缩缝处的加固板在Case1温度工况下开裂的裂缝条数最多，在此最不利的情况下，沿钢纤维混凝土加固板的高度方向，加密螺栓，改变螺栓的间距，分析螺栓间距对钢纤维混凝土加固板开裂的影响。改变螺栓间距前后的螺栓间距如下图4-30和图4-31：螺栓螺栓图4-30改变螺距前的螺栓间距图4-31改变螺距后的螺栓间距(1)钢纤维混凝土加固板与挡风板之间共用节点46 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析分析出钢纤维混凝土加固板最后一步的裂缝分布情况见下图4-32：图4-32钢纤维混凝土加固板裂缝图(2)钢纤维混凝土加固板与挡风板只用螺栓连接，之间非共用节点分析出钢纤维混凝土加固板的最后一步裂缝分布情况见下图4-33：图4-33螺栓连接钢纤维混凝土加固板裂缝图4.5碳纤维与钢纤维加固板温度裂缝对比通过对碳纤维、钢纤维混凝土加固板裂缝的分析可以得出，钢纤维混凝土加固板在相同的条件下裂缝的条数，要比碳纤维混凝土加固板少。两种纤维种类加固板的开裂有相同的特点，桥梁挡风板中间部位的纤维加固板在三种温度工况下均不产生裂缝，桥梁挡风板自由端处和伸缩缝处的纤维混凝土加固板在Case1的温度工况下才产生裂缝，其他两种温度工况均不产生裂缝，并且开裂特点与实际观察的裂缝相似。47 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析在桥梁挡风板最不利位置的最不利温度工况下，在相同条件下碳纤维混凝土加固板产生了420条裂缝，钢纤维混凝土加固板产生了396条裂缝，两者的裂缝图比较如下图4-34：图（a）Case1碳纤维加固板裂缝图图（b）Case1钢纤维加固板裂缝图图4-34最不利位置最不利工况碳纤维和钢纤维加固板裂缝图比较在分析纤维混凝土加固板厚度对加固板开裂的影响时，可以看出，碳纤维、钢纤维混凝土加固板的裂缝条数随加固板厚度的变化规律相似，均是在厚度小于7mm左右时加固板的厚度对开裂影响比较明显，当大于7mm左右时厚度对开裂情况影响不大，并且对应相同厚度钢纤维加固板的裂缝条数要比碳纤维加固板的少。两者的比较见下图4-35：700700600600500500NN400400裂缝条数裂缝条数30030020020046810121416182022244681012141618202224钢纤维加固板厚度d/mm碳纤维加固板厚度d/mm图(a)钢纤维加固板裂缝条数与厚度关系图(b)碳纤维加固板裂缝条数与厚度关系图4-35钢纤维、碳纤维加固板裂缝条数与厚度关系比较两向正交配置纤维时，两者均只是在螺栓处产生少量裂缝，在其他位置没有开裂，并且钢纤维混凝土加固板开裂条数少。当加密螺栓时，加固板与挡风板之间共用节点的情况要比两者之间非共用节点情况开裂的多，并且碳纤维、钢纤维混凝土加固板开裂情况类似。48 第四章钢纤维加固板温度裂缝的非线性分析本章小结通过以上分析得出，对于钢筋混凝土挡风板三个不同位置的加固板的分析，钢纤维混凝土加固板的开裂特点与碳纤维混凝土加固板的开裂特点相同，但是相应的工况，钢纤维混凝土加固板开裂裂缝条数要比碳纤维混凝土加固板的少；改变钢纤维混凝土加固板的厚度，裂缝条数与加固板厚度关系与碳纤维混凝土加固板的相似；对正交两向配置钢纤维的分析，与正交两向配置碳纤维的分析相比，两者的开裂特点是相同的，均是在螺栓附近处开裂，只是钢纤维混凝土加固板的裂缝产生要少；改变螺栓间距之后，两者的开裂情况类似。49 第五章结论与展望第五章结论与展望5.1结论本文在现场观测结果的基础上，研究了暴晒条件下纤维混凝土加固板温度裂缝的问题。结构构件之间因为温度变形的差异产生温度次应力，当温度次应力超过材料的极限拉应变时，构件就会产生裂缝。本文通过有限元软件FINAL对纤维混凝土加固板温度裂缝进行有限元分析，可以得出以下结论：(1)根据日照方位变化，挡风板与纤维混凝土加固板之间产生温差，由于温差的作用，及热膨胀系数差异的影响，纤维混凝土加固板会产生裂缝。(2)对于单向纤维增强混凝土，由于纤维与基体之间的粘接作用，裂缝的开裂受到阻碍。因此，裂缝大部分沿纤维走向开裂，与纤维垂直方向裂缝很少，只在螺栓附近应力集中处产生纤维垂直方向的裂缝。(3)因为碳纤维具有负的线膨胀系数，对混凝土在温度作用下的膨胀具有约束作用，可以阻止混凝土的温度变形。(4)纤维混凝土加固板的厚度对开裂情况有一定的影响，兼顾适用和经济两方面的因素，可以取适当的板厚。(5)钢纤维混凝土加固板与碳纤维混凝土加固板的裂缝分布特点相同，由于钢纤维的线膨胀系数与混凝土材料的线膨胀系数相近，所以钢纤维混凝土加固板在相同条件下，要比碳纤维混凝土加固板在温度作用下产生的裂缝少。(6)纤维混凝土加固板由于螺栓处有应力集中现象，所以在螺栓处先开裂。当纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间非共用节点，只用螺栓连接时，只在螺栓处有裂缝。(7)当纤维混凝土加固板与钢筋混凝土挡风板之间共用节点时，沿加固板高度方向增加螺栓后，一列中相邻螺栓之间的裂缝沿竖向贯通，两列螺栓中间区域没有开裂。5.2展望随着社会经济的不断发展，纤维在建筑领域的应用范围越来越广泛，应用的量也会越来越多。由于材料受环境的影响因素复杂多变，不易研究，特别是环境温度的复杂变化对材料开裂的影响，更为复杂。纤维材料由于具有优异的物理力50 第五章结论与展望学性能、施工便捷、极佳的耐久性能和在实现构件功能的前提下使得结构自重轻及构件尺寸小等各种优势，在结构加固领域里潜力非常大。在当今建筑界，用纤维加固钢筋混凝土结构越来越受到人们的重视，但是对于结构的温度裂缝的问题考虑的却很少。本文明确研究了这一问题，在结构构件的温差作用下，不同构件之间的变形差异，会使某些构件承受拉力，某些构件承受压力，当温差足够大时，相应的受拉构件的拉应力就会增大，使得材料的拉应变超过材料的极限拉应变，产生大量的裂缝，严重影响构件受力性能，可能会产生严重的工程事故。因此，我们必须重视纤维混凝土应用中的温度裂缝的问题，保证使用过程中结构的安全性，以免造成生命及财产损失。纤维混凝土加固是一项新型技术，为了促进此项技术的健康、快速发展，还需要大量的深入研究；在纤维混凝土生产工艺、产品检验、加固技术、施工验收等方面进行规范化；深入研究纤维的热物理力学性能；加快纤维混凝土产品的国产化。国外对纤维混凝土加固技术的研究已有数十年的历史，国内虽然对纤维混凝土的研究起步比较晚，但是也取得了相当大的研究成果，尽管如此，在纤维混凝土应用领域仍存在着一定的问题，需要更进一步的进行研究：1、纤维混凝土加固构件的受力机理还不完善。2、纤维混凝土复合材料的线膨胀系数尚待深入研究。碳纤维的线膨胀系数与混凝土的线膨胀系数有很大的差异，在自然环境下，由于碳纤维的掺入，对碳纤维混凝土的线膨胀系数的影响。碳纤维混凝土的线膨胀系数与碳纤维的掺入量有着一个什么样的关系。3、纤维混凝土复合材料在冻融循环条件下的性能变化需要深入研究。51'