纤维增强复合材料加固钢—混凝土组合梁研究综述

李师庆

(中国神华国际工程有限公司，北京 100007)

1 概述

目前，FRP材料在混凝土结构的加固中已得到广泛的应用［1］。国内外众多研究人员已开展了相关的研究。与混凝土结构相比，FRP加固钢—混凝土组合梁的研究还相对较少。由现有的研究可以看出，FRP加固钢结构及钢—混凝土组合梁也显示出很好的效果［2］。常用于结构加固的纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)主要包括:碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP);玻璃纤维复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP);芳纶纤维复合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，简称 AFRP)等［1］。FRP 加固结构技术与常规的加固技术(如粘贴钢板)相比，具有高强高效、耐腐蚀、轻质、施工便捷等多项优点［1-3］，FRP材料价格的下降也促进了该项技术的推广。

本文通过探讨FRP加固钢—混凝土组合梁的研究进展，总结FRP加固钢—混凝土组合梁的研究热点和尚待解决的突出问题。

2 钢—混凝土组合梁结构概述

钢—混凝土组合梁是在钢与混凝土两种结构基础上进一步发展，将两种结构特性联合成为整体共同工作的一种新型结构形式［4］。混凝土抗压强度相对较大，但抗拉强度极小，可以忽略不计;钢材抗压和抗拉强度相近，但受压时存在稳定性和整体性问题，且易被腐蚀。将钢和混凝土结构结合在一起，充分发挥两种结构各自的优势。钢—混凝土组合梁同钢筋混凝土梁相比，可以减轻结构自重，减小地震作用，减小截面尺寸，增加有效使用空间，节省支模工序和模板，缩短施工周期，增加梁的延性等。同钢梁相比，可以减小用钢量，增大刚度，增加稳定性和整体性，增强结构抗火性和耐久性等。

常见的钢—混凝土组合梁的形式有两种，第一种为型钢—混凝土梁(见图1a))，第二种为钢梁外露的 T型组合梁(见图1b))，常简称为钢—混凝土组合梁［4］。

图1 钢—混凝土组合梁种类[5]

钢—混凝土组合梁的截面由以下三部分组成:1)钢筋混凝土翼板。在结构物中，通常用楼板或桥面板作为翼板，可提高构件的抗弯承载力性能，增强梁的侧向刚度，以及增强梁抵抗失稳的能力［5］。2)钢梁。钢材具有良好的受拉及抗压性能，因此组合梁中的钢梁主要用于承受拉力和剪力。为了充分发挥钢梁的抗弯能力，钢梁一般采用工字钢(或H型钢)钢梁、箱形钢梁等形式，并且钢梁常设计成上翼缘截面小于下翼缘截面的不对称形式，详细参见文献［5］。3)抗剪连接件。钢—混凝土组合梁在翼板与钢梁接触面处存在纵向剪力，因此在接触面处设置抗剪连接件，以保证混凝土与钢梁共同工作，从而抵抗两者在交界面处的掀起或相对滑移，如图1b)所示。常用抗剪连接件包括栓钉、槽钢、弯筋等，详细资料可参见文献［4］［5］。

3 FRP加固钢结构研究综述

FRP加固钢结构的研究和应用与FRP加固混凝土结构相比还很有限，但目前的研究表明，FRP加固钢结构可以在一定程度上提高原有钢结构的刚度和承载能力。因此FRP加固钢结构已逐渐受到越来越多的关注。

目前已完成的FRP加固钢结构研究主要包括以下几个方面［6］:

1)各种形式的钢梁受弯加固;2)受拉(压)构件加固;3)钢结构疲劳加固;4)胶粘剂及其受力分析的研究;5)耐久性研究。

4 FRP加固钢—混凝土组合梁研究现状

钢结构桥梁中常采用钢—混凝土组合梁，FRP加固钢—混凝土组合梁也是一个研究热点。目前国内外对FRP加固组合梁的研究主要集中在试验方面。试验研究分为两种，FRP加固无损伤组合梁研究与FRP加固损伤组合梁研究，下面将分别对两种研究进行介绍。

4.1 FRP加固无损伤组合梁研究现状

A·H· Al-Saidy等人［7，8］对4根 CFRP片材加固钢—混凝土组合梁进行试验研究，试验采用的W8×24的工字型钢梁净跨为3 050 mm，混凝土翼板的厚度和宽度分别为102 mm和711 mm，钢材屈服强度为364 MPa。分别用弹性模量为152 GPa和200 GPa的CFRP板粘贴到受拉翼缘底部和钢梁腹板处进行加固。试验结果表明，加固梁的抗弯承载力与未加固组合梁相比可提高21%～45%。抗弯试验表明弯曲强度有明显增加，采用的CFRP片材弹性模量在高于钢材的弹性模量时，加固效果更明显。作者还对影响承载力的各个参数进行了分析［9］。

Tavakkolizadeh 和 Saadatmanesh［10］对 3 根 CFRP 片材加 固钢—混凝土组合梁进行了抗弯承载力实验研究，试验采用屈服强度为335 MPa，净跨为4 780 mm的W14×30工字型钢梁，混凝土翼板的厚度和宽度分别为75 mm和910 mm。钢梁底部在梁全长范围内粘贴CFRP板进行加固。试验分别采用在钢梁底部粘贴1层，3层，5层 CFRP板进行加固。试验结果表明，1层，3层，5层CFRP片材加固后组合梁的极限承载能力分别提高44%，51%，76%。研究还通过非线性有限条带法对试验梁进行分析，结果表明有限条带法结果与试验结果相比较为保守。

David Schnerch 与 Sami Rizkalla［11］对3 根长为 6.65 m 的钢—混凝土组合梁分别采用弹性模量为229 GPa和457 GPa的CFRP板进行加固。其中一根梁采用预应力CFRP加固技术。试验研究结果表明，梁的极限承载力最大可增加46%，刚度增加10% ～34%，采用预应力加固方法更能提高梁的刚度。作者还分别建立了基于应变协调和材料本构的加固梁抗弯计算模型［12］。

彭福明等人［13］对CFRP板加固组合梁进行有限元分析，证明了粘贴CFRP板加固组合梁时，刚度和屈服荷载略有提高，极限荷载明显提高。但论文主要是针对CFRP加固钢梁的有限元分析，对组合梁的加固并未进行深入研究，而且论文结果没有进行试验的验证。

文献［14］推导了FRP加固钢—混凝土组合梁的塑性抗弯承载力的理论计算公式，以及加固时所需使用的FRP截面面积和用量的计算方法。研究结果表明对于混凝土板压碎的破坏模式，加固梁的抗弯承载力随加固前组合梁上荷载的增加而减少，随预应力的增加而增加。但对于FRP拉断的破坏模式，荷载以及预应力对塑性受弯承载力都没有影响。

在文献［15］中，作者采用ANSYS软件建立了三维非线性有限元模型对FRP加固钢—混凝土组合梁的抗弯性能及抗弯刚度进行研究，再采用其他研究的试验结果来对有限元模型及文献［20］中的承载力计算公式进行验证，结果表明有限元模型和理论计算公式都与实验结果吻合较好。

4.2 FRP加固损伤组合梁研究现状

Sen等人［16］对FRP加固损伤钢—混凝土组合梁进行了试验研究，试验先将钢梁加载至受压边缘达到屈服强度，以此来模拟梁的损伤。试验采用的工字型钢梁型号为W8×24，钢的屈服强度分别为310 MPa和370 MPa，混凝土翼板的厚度和宽度分别为114 mm和710 mm，试验分别用2 mm和5 mm厚的CFRP片材粘贴到工字型钢受拉翼缘底部进行加固，CFRP片材的长度为3 650 mm，弹性模量为114 GPa。试验结果表明，组合梁分别采用厚度为2 mm和5 mm的CFRP加固后，钢梁屈服强度为310 MPa的组合梁承载力分别提高21%和52%;钢材屈服强度为370 MPa的组合梁，采用2 mm和5 mm厚度的CFRP片材加固后，承载力分别提高9%和32%。

文献［17］对3根大尺度组合梁进行加固研究，为了模拟梁的损伤，在梁的中部受拉边缘分别切割43 mm，86 mm和171 mm来模拟跨中受拉边缘处25%，50%和100%的损伤，再分别采用1层，3层，5层CFRP进行加固。试验采用的是W14×30型钢，A36热轧钢，混凝土板宽900 mm，厚76 mm。试验结果显示，粘贴CFRP板可以达到修复损伤梁的极限承载力和刚度的效果。

5 结语

如前所述，国内外在FRP加固钢结构以及钢—混凝土组合梁等已经进行的研究表明，FRP加固钢—混凝土组合梁可以提高原有结构的承载能力，并提高损伤组合梁的刚度。目前对FRP加固钢—混凝土组合梁的研究还相对较少，而且也集中在试验研究方面，数值模拟和理论计算方法的研究还很少。

为了便于理论分析，目前的研究主要采用了钢梁和混凝土板、混凝土板与CFRP片材之间的连接不产生滑移的假设。因此滑移对FRP加固钢—混凝土组合梁性能的影响有待进一步研究。

研究主要针对T型钢—混凝土组合梁，对于加固其他类型的钢—混凝土组合梁还需要进一步研究。

［1］叶列平，冯 鹏.FRP在工程结构中的应用与发展［J］.土木工程学报，2006，39(3):24-36.

［2］Trent C Miller，Michael J Chajes，Dennis R Mertz，et al.Strengthening of Steel Bridge Girder Using CFRP Plates［J］.Journal of Bridge Engineering，2001(6):514-522.

［3］Trinatafillou T C.Strengthening of structures with advanced FRPs［A］.Progress in Structural Engineering and Materials［C］.1998:126-134.

［4］周起敬，姜维山，潘泰华.钢与混凝土组合结构设计施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1991.

［5］严正庭，严 立.钢与混凝土组合结构计算构造手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.

［6］郑 云，叶列平，岳清瑞.FRP加固钢结构的研究进展［J］.工业建筑，2005，35(8):20-25.

［7］A·H·Al-Saidy，F·W·Klaiber，T·J·Wipf.Strengthening of steel-concrete composite girders using carbon fiber reinforced polymer plates［J］.Construction and Building Materials，2007，21(2):295-302.

［8］A·H·Al-Saidy.Structural behavior of composite steel beams strengthened/repaired with carbon fiber reinforced polymer plates［D］.Ph.D.dissertation，Iowa State University，2001.

［9］A·H·Al-Saidy，F·W·Klaiber，T·J·Wipf，et al.Parametric study on the behavior of short span composite bridge girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer plates［J］.Construction and Building Materials，2007(10):1016.

［10］Tavakkolizadeh M，Saadatmanesh H.Strengthening of Steel-Concrete Composite Girders Using Carbon Fiber Reinforced Polymers Sheets［J］.Journal of Structural Engineering，2003，129(1):30-40.

［11］David Schnerch，Sami Rizkalla.Flexural strengthening of steel bridges with high modulus［J］.Journal of Bridge Engineering 2008，13(2):192-201.

［12］David Schnerch.Strengthening of steel structures with high modulus carbon fiber reinforced polymer(CFRP)materials［D］.Ph.D.dissertation，North Carolina State Univ，2003.

［13］彭福明，郝际平，杨勇新，等.CFRP加固钢梁的有限元分析［J］.西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2006，38(1):18-22.

［14］邓 军，黄培彦，李师庆.CFRP板加固钢混凝土组合梁的塑性承载力分析［J］.桥梁建设，2008(2):78-84.

［15］邓 军，李师庆，黄培彦，等.CFRP板加固钢—混凝土组合梁的非线性有限元分析［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2008，36(6):35-39.

［16］Sen R，Liby L，Mullins G.Strengthening steel bridge sections using CFRP laminates［J］.Composites Part B-Engineering，2001，32(4):309-22.

［17］M.Tavakkolizadeh，H.Saadatmanesh.Repair of Damaged Steel-Concrete Composite Girders Using Carbon Fiber-Reinforced Polymer Sheets［J］.Journal of Composites for Construction，2003，7(4):311-322.