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　　煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土 小偏心受压柱的力学性能研究 专 业：结构工程 姓 名：赵 承 明 导 师：吕 恒 林 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 1绪论 2 煤矿腐蚀环境及钢筋混凝土柱可靠性检测结果与分析 3 试验总体方案设计及原材料基本性能试验研究 4 钢筋混凝土小偏心受压柱腐蚀前后的力学性能试验研究 5 碳纤维布加固腐蚀前后钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能试验研究 6 碳纤维布加固受腐蚀钢筋混凝土小偏心受压柱承载力计算方法研究 7 结论与展望 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 1 绪论 1.1 引言 1.2 煤矿腐蚀环境下腐蚀作用研究现状 1.3 受腐蚀钢筋混凝土材料及构件力学性能研究 1.4 钢筋混凝土结构加固技术研究现状 1.5 碳纤维布加固钢筋混凝土柱研究现状 1.6 钢筋混凝土构件耐久性试验方法研究 1.7 本文研究内容及技术路线 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 研究现状及存在问题 ? 煤矿特种腐蚀环境的研究极少 ? 煤矿腐蚀环境对钢筋混凝土的腐蚀作用基本空白 ? 碳纤维布加固小偏心受压柱的研究较少 ? 碳纤维布加固受腐蚀钢筋混凝土小偏心受 压柱的研究基本空白 ? 加速腐蚀模拟试验的失真 掺盐、浸泡、通电、环境模拟 ? 可靠计算模型的缺失 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 研究内容及技术路线） 现场实测： 煤矿腐蚀环境+钢筋混凝土柱劣化 （2） 腐蚀试验： 实验室腐蚀环境综合模拟 （3） 力学试验： 腐蚀前后、加固前后试件力学性能 （4） 理论分析： 承载力计算：腐蚀后+加固后+腐蚀加固后 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2 煤矿腐蚀环境及钢筋混凝土柱可靠 性检测结果与分析 主要内容： ? 对徐州地区几个煤矿进行现场检测 ? 对煤矿腐蚀环境汇总分析 ? 对钢筋混凝土柱的劣化情况汇总分析 ? 浅析钢筋混凝土柱的劣化原因 作为工程背景为后期的实验室模拟试验 及研究提供一定的依据。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.2 煤矿腐蚀环境检测与分析 现场使用环境 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.2 煤矿腐蚀环境检测与分析 ? 气态环境 H2S、HCl、SO2及Cl2等含量较高，腐蚀性等级为中级 ? 液态环境 Cl-、NO3-、SO42-、F-等含量较高，腐蚀性等级为中级 ? 固态环境 表面附着物中含有大量的腐蚀性介质 ? 温湿度环境 气候、设备运行、通风、清洗综合影响，干湿交替频繁 ? 力学环境 大型设备振动疲劳荷载，损伤劣化积聚，为深入腐蚀提供条件 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.3 钢筋混凝土柱可靠性检测与分析 钢筋混凝土柱劣化现状 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.3 钢筋混凝土柱可靠性检测与分析 ? 钢筋混凝土柱表面存在微细裂缝、锈胀裂缝、表层混凝土疏松剥落， 钢筋裸露锈蚀。 ? 检测钢筋混凝土柱的混凝土平均碳化深度值在25～45mm之间。 ? 混凝土内部损伤不断积累，强度降低，脆性增加，渗透性很高。 ? 钢筋保护层较薄；被检测的钢筋混凝土框架柱中保护较好时钢筋锈 蚀率较低，主筋锈蚀率在5%以内，箍筋锈蚀率在3%～10%之间； 而裸露钢筋锈蚀情况严重，裸露箍筋锈蚀率超过20%，甚至出现锈 断现象，裸露主筋锈蚀率在5%～20%之间。锈蚀钢筋强度下降， 延性降低，颈缩阶段不明显。 ? 振动荷载的影响，疲劳损伤不断累积加剧，造成微细裂缝产生并发 展，对混凝土的性能、构件承载能力产生较大影响。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.4 钢筋混凝土柱损伤劣化原因 （1）所测煤矿地面工业建筑多数建设于上世纪80年代初和80年代末， 限于当时的设计和施工技术水平，钢筋混凝土原材料存在先天性 缺陷，且施工质量一般，这些因素是影响其可靠性的主要内因。 （2）煤矿地面工业建筑内部钢筋混凝土柱所处的气态、液态、固态环 境中存在大量的腐蚀性介质，且干湿交替频繁，这些因素是影响 其耐久性的主要外因之一。这些外因之间相互影响，然后与内因 综合作用，导致钢筋混凝土柱严重劣化，引起钢筋锈蚀、混凝土 开裂、承载能力下降等问题。 （3）煤矿特殊的工艺和力学环境造成的长期的受迫振动会加剧混凝土 内部微裂缝的扩展，导致构件变形加剧，同时与恶劣的自然环境 耦合作用，加快钢筋混凝土柱的劣化速率，引起损伤腐蚀加剧。 （4）钢筋混凝土柱受内外因的长期耦合作用，随着使用年限的增加， 混凝土内部微裂缝不断扩展、渗透性增大、中性化加剧、脆性增 加，钢筋锈蚀、延性降低、强度下降；钢筋混凝土柱随时间损伤 劣化的速率不断加快，顺筋裂缝不断扩展，表层混凝土剥落，内 部损伤积累加剧。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 3 试验总体方案设计及原材料 基本性能试验研究 主要内容： ? 试验整体方案确定 腐蚀环境；腐蚀程度；使用材料类别及性能； 试件加固方式及研究内容； ? 原材料性能 混凝土、钢筋、碳纤维布 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 3.2 试验整体方案 本文试验共制作16根钢筋混凝土小偏心受压柱： 柱尺寸：150mm*150mm*1200mm； 柱纵筋为4 12 6@200； 设计偏心距：0.2h； 6@50，并预埋10mm厚钢垫板。 试验由10根受腐蚀柱和6根未腐蚀对比柱组成： 腐蚀前后、加固前后、腐蚀后加固 不同加固方式、不同混凝土强度 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 3.2.1 腐蚀环境设定 将制作好的试件置于建筑环境综合模拟测试室中进行 加速腐蚀，腐蚀环境设定： ? 干湿循环设定：每96h为一循环，72h湿度控制为90%，24h湿度 控制为30%； ? 高温、光照设定：温度设定为50摄氏度，保持长期紫外光照射； ? 盐雾设定：每12h为一循环，进行30分钟的盐雾腐蚀，盐雾采用 5%的Na2SO4和2%的NaCl混合溶液。 ? 淋雨设定：每12h为一循环，进行10分钟的淋雨。 ? 气体设定：定期通入一定浓度的CO2、SO2腐蚀气体。 本文试验主要研究初级腐蚀阶段钢筋混凝土小偏心受压柱的 各方面性能，模拟试验腐蚀限定标准为： 出现明显的腐蚀劣化现象，箍筋锈胀裂缝达到0.3mm。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 3.2.2 材料强度选择 ? 结合现场实测结果，试验混凝土强度采用C20及C30两种 ? 主筋采用Ⅱ级钢、箍筋采用Ⅰ级钢 ? 德国生产的高强二级的UD-CS200碳纤维布 B 50 增强片 碳纤维排列方向 130 50 碳纤维复合材料 D h 碳纤维布力学性能能试验试件 3.2.3 加固方式及加固量 ? 横向条带间隔粘贴 + 全柱包裹碳纤维布 ? 单层 + 双层 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 偏心距 小偏心 （0.2h） 表3-1 试验总体方案设计 混凝土强度 柱编号 DZ-01 CFRP方式 — CFRP加固量 — 备注 未腐蚀 FZ-01 — JDZ-01 间隔粘贴 JDZ-02 满贴 C20 JFZ-01 间隔粘贴 JFZ-02 满贴 JFZ-03 间隔粘贴 JFZ-04 满贴 DZ-02 — — 一层 一层 一层 一层 两层 两层 — 未腐蚀 未腐蚀 未腐蚀 FZ-02 — JDZ-03 间隔粘贴 JDZ-04 满贴 C30 JFZ-05 间隔粘贴 JFZ-06 满贴 JFZ-07 间隔粘贴 JFZ-08 满贴 — 一层 一层 一层 一层 两层 两层 未腐蚀 未腐蚀 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 4 钢筋混凝土小偏心受压柱腐蚀前后 的力学性能试验研究 4.2 测量内容加载方式 ? 测量内容 荷载的发展； 试件两侧的纵横向应变； 试件沿柱高的挠度。 ? 加载方式 预加载——分级加载——半级加载 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 1—试件；2—铰支座； 3—电阻应变片；4—位移计 图4-2 试验测点布置及实际工作图 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 4.3.1 试件腐蚀情况 ? 表观 明显锈斑，沿箍筋方向出现轻微的横向裂缝， 其裂缝宽度从0.1mm到0.8mm不等。 图4-3 试件腐蚀后表观 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 4.3.1 试件腐蚀情况 ? 腐蚀后混凝土强度 受腐蚀试块与自然养护条件下的正常试块相比180d抗压强度 值稍有降低，分析其原因，主要是混凝土在腐蚀环境中，在某些 腐蚀性介质（主要是硫酸盐）的作用下，混凝土内部结构受到侵 蚀，产生部分微细裂缝。 ? 钢筋锈蚀情况 C20腐蚀试件的主筋平均锈蚀率略大于1%，严重段锈蚀率最高 达到2%，箍筋平均锈蚀率为5.49%，最大为6.65%，横向锈胀裂缝 宽度约为0.6mm； C30腐蚀试件的主筋平均锈蚀率介于0.6%~0.8%之间，严重段 锈蚀率最高达到1.33%，箍筋平均锈蚀率为3.53%，最大为5.08%， 横向锈胀裂缝宽度约为0.4mm。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 4.3.2 试件破坏形态和机理 ? 破坏时，远离轴向力一侧的钢筋未达到屈服，靠近轴向力一侧 混凝土压碎，受压钢筋屈服。 ? 试件的破坏无明显的变形和其他预兆，混凝土突然压碎，荷载 突降，表现出明显的脆性破坏特征。 ? 腐蚀后的小偏心受压试件，其脆性破坏形态更为明显。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 4.3.3 试件破坏强度 对于C20试件，腐蚀后承载力下降幅度约在5%~10%之间； 对于C30试件，腐蚀后承载力下降幅度约为5%。 4.3.4 试件破坏应变 受腐蚀试件的峰值压应变略低于正常试件； 同级荷载，加载初期受腐蚀试件和正常试件的反应基本相同， 而随着荷载的增加，受腐蚀试件的混凝土纵横向应变值略高 于正常试件，表明试件由于混凝土的开裂及钢筋的锈蚀导致 其刚度降低。 4.3.5 试件破坏挠度 腐蚀后的试件的极限荷载对应挠度值要略大于正常试件； 同级荷载作用下，腐蚀试件的挠度值略大于正常试件。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 5 碳纤维布加固腐蚀前后钢筋混凝土小偏 心受压柱的力学性能试验研究 试验试件设计混凝土强度分为C20和C30两种； 碳纤维布粘贴方式分横向间隔粘贴和满贴两种； 碳纤维布加固量分为一层和两层两种； 碳纤维布条带宽度均为100mm，搭接长度均为100mm。 10mm厚钢垫板 150mm两层CFRP 10mm厚钢垫板 150mm两层CFRP 100mm宽CFRP 间距100mm 150mm两层CFRP 10mm厚钢垫板 横向满贴CFRP 150mm两层CFRP 10mm厚钢垫板 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 5.3.1 试件腐蚀情况 ? 表观、混凝土强度、钢筋锈蚀情况 5.3.2 试件破坏形态 碳纤维布条带间隔包裹加固的腐蚀柱： ? 在加载初期外观上无明显变化； ? 当压应力达到并超过其本身峰值应 力90％左右，条带之间空隙处混凝 土开始出现明显起皮现象； ? 当达到峰值应力时，空隙处混凝土 鼓起、开裂剥落； ? 继续加载，邻近的碳纤维布条带因 应力集中而断裂，随之柱发生破坏。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 5.3.2 试件破坏形态 ? 完全包裹的试件在加载初期外观 上也无明显变化。 ? 当试件的压应力达到并超过其本 身峰值应力90％左右，碳纤维布 内部不时发出“噼啪”声； ? 碳纤维布与混凝土分离，出现打 皱隆起现象； ? 当接近极限荷载时，试件中间混 凝土鼓胀、碳纤维布外凸； ? 碳纤维布在打皱隆起处的边角部 因应力集中而断裂并向两侧扩展， 而最终被拉断； ? 试件最后破坏时柱身混凝土形态 基本完好，变形发展较充分。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 5.3.3 试件破坏强度 ? 采用间隔粘贴单层CFRP加固的试件承载力提高幅度约为10%; ? 采用间隔粘贴双层CFRP加固的试件承载力提高幅度约为15%; ? 采用满贴单层CFRP加固的试件承载力提高幅度为20.04%（未 腐蚀同类型加固柱提高13.91%）; ? 采用满贴双层CFRP加固的试件极限承载力提高幅度约为25%。 5.3.4 试件破坏应变 ? 相同荷载下，加固试件的拉压应变均明显小于未加固试件； ? 相同荷载下，未腐蚀试件的拉压应变均明显小于腐蚀试件； ? 满贴碳纤维布的约束作用要大于间隔粘贴碳纤维布； ? 腐蚀试件的拉压应变随荷载的增加幅度略大于未腐蚀试件； ? 约束碳纤维布量的增加能够有效地提高其各方面性能。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 5.3.5 试件破坏挠度 ? 未加固试件在挠度较小时就出现明显的荷载突降、脆性破坏 现象； ? 加载至破坏过程中，腐蚀前后的试件挠度变形基本相似，破 坏后受腐蚀未加固试件的脆性特征尤为显著； ? 横向粘贴碳纤维布约束混凝土在提高加固柱的承载力的同时 也改善了小偏心受压柱的延性； ? 相对于对比柱在达到极限荷载之后混凝土压碎剥落，荷载急 剧下降，表现为明显的脆性破坏，碳纤维布横向加固柱的荷 载回退缓慢，变形和耗能能力大大提高； ? 由于受到腐蚀作用的影响，腐蚀加固试件的延性要略低于对 比用加固试件； ? 而采用满贴碳纤维布的方式能更好的提高试件的延性； ? 随着加固量的增加，试件延性也略有提高。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6 碳纤维布加固受腐蚀钢筋混凝土小偏心 受压柱承载力计算方法研究 本章根据试验结果进行理论分析： （1） 建立受腐蚀小偏心受压构件承载力理论计算模型； （2） 碳纤维布约束受压构件设计理论进行研究； （3） 提出合适的碳纤维布约束受腐蚀钢筋混凝土小偏心 受压柱混凝土抗压强度及峰值应变计算方法； （4） 建立可以用于工程设计的受腐蚀钢筋混凝土小偏心 受压柱正截面承载能力计算模型； （5） 对模型计算结果和试验结果进行比较，以检验理论 计算的正确与否。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.2.2 材料性能的确定 本文中混凝土轴心抗压强度值按下式计算： fc ? 0.76 fcu 锈蚀钢筋力学性能退化模型 0 ? ?％ ? 5％ fA y,c ? f y0 (1? 0.029?) fA u,c ? fu0 (1? 0.026?) ?％ ? 5％ fA y,c ? f y0 (1.175 ? 0.064?) fA u,c ? fu0 (1.18 ? 0.062?) 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.2.3 截面几何损伤及箍筋锈蚀的影响 参照相关文献研究成果，本文初级腐蚀程度下主筋的锈 蚀率约为1%左右，可不考虑主筋锈蚀对腐蚀后试件承载能力 的影响。本文重点考虑两个方面的影响： （1）混凝土截面的几何损伤： ???bhee ? ? h ? ? (c1 b ? ? (c3 ? ? c2 ) c4 ) 几何损伤系数 ? ? ?0.25w ??0.25w ? 0.2(w ? 2.0) （w ? 2.0mm） （2.0mm ? w ? 3.0mm） （2）箍筋锈蚀的影响： 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.2.3 截面几何损伤及箍筋锈蚀的影响 （2）箍筋锈蚀的影响： 引入箍筋约束作用指数 ? ? fst ? Ass0 ?? f c , st f ? f c , st fc ? fc,st ? 2 Acor fc ?? ? fst ? Ass0 2 Acor 箍筋锈蚀后，箍筋的抗拉强度将发生退化 ? ? ?1 f st ? Ass0 ? s,c ? 2 Acor fc ? ? ? ?1 f st ? Ass0 2 Acor 锈蚀后箍筋的约束作用降低系数 ? ? ?s,c ?s 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.2.4 考虑影响因素后的承载力计算模型 考虑截面几何损伤和箍筋锈蚀影响，约束作用降低后， 普通混凝土小偏心受压构件的计算模型： N su ? ?1?f cbe x ? f y? As? ? ? s As M su ? N su ?e ? ?1?fcbe x(h0e ? x) ? 2 f y?As? (h0 ? a?s ) e ? ?ei ? h 2 ? as ? ?1? 1 1400 ei ( l0 he )? 1? 2 he0 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.4.2 受约束混凝土抗压强度及峰值应变的确定 引入与配箍特征值相类似的无量纲量—含纤特征值 ?cf ? ?cf fcf fc ?cf ? 2(b ? h)wf t f nf ?m [bh ? (4 ?? )r2 ]s f 引入主要与偏心率有关的约束效应系数 ?1＝0.32??? h0 e 4 ? ? ? 受约束混凝土抗压强度、峰值应力的计算方法 fcc ? (1? ?1?cf ) fc ?cc ? 25?cf ?0 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.4.3 碳纤维布加固受腐蚀小偏心受压构件承载力计算模型 将本文受约束混凝土抗压强度及峰值应变代替原有混凝 土的抗压强度值及混凝土极限压应变，将其代入受腐蚀小偏 心受压构件承载能力计算模型进行计算，得到碳纤维布加固 受腐蚀小偏心受压构件的正截面承载力计算模型为： N su ? ?1?f ccbe x ? f y? As? ? ? s As M su ? N su ? e ? ?1?f ccbe x(h0e ? x) ? 2 f y? As? (h0 ? a?s ) ?s ? Es? cc ( ?1he0 x ? 1) ? ?1? 1 1400 ei ( l0 he )? 1? 2 he0 中国矿业大学硕士学位论文答辩 fc ? 0.76 fcu 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 6.4.3 试验结果与计算模型的承载能力验证分析 采用本文公式计算得到的极限荷载值低于试验得到的 真实极限荷载值，主要是因为混凝土轴心抗压强度较立方 体抗压强度的折减较大，并且基本假定中存在一定的保守 成分，使得实际值略大于理论计算值。 由本文计算模型得到的极限承载力提高幅度与试验值 吻合较好，差额基本控制在5%以内，并且，除个别试件外， 加固试验试件计算提高幅度均略低于试验提高幅度，说明 本文计算模型是偏于安全的。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 7 结论与展望 （1）现今，徐州地区大部分煤矿地面工业建筑建成已有较长时间历史， 限于当时的设计和施工技术水平，建筑内部的钢筋混凝土材料和构件具有 先天性的缺陷，这是影响钢筋混凝土材料和构件可靠性的主要内因。 建筑物内外部气态、液态、固态三种形态的腐蚀性介质相互影响，并 且干湿交替频繁，在建筑物周围形成成恶劣的自然环境，然后与特殊的工 艺力学环境等进一步综合作用，这些复杂使用环境的长期耦合作用是影响 钢筋混凝土材料和构件可靠性的主要外因。 （2）煤矿地面工业建筑内部钢筋混凝土柱受内外因的长期耦合作用， 随着使用年限的增加，钢筋混凝土材料劣化严重：混凝土内部微裂缝不断 扩展、渗透性增大、中性化加剧、脆性增加，钢筋锈蚀、延性降低、强度 下降；构件本身随时间损伤劣化的速率不断加快，顺筋裂缝不断扩展，表 层混凝土剥落，疲劳损伤积累并加剧，钢筋与混凝土粘结力持续下降，变 形不断加大；从而导致局部及整体结构可靠性持续下降，原设计使用寿命 很难保证。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （3）根据现场检测及分析结果，本文试验制作了16根钢筋混凝土 柱，将试件置于建筑环境综合模拟测试室中进行加速腐蚀。经过 150d的加速腐蚀后推荐阅读：统计分析，试件表面出现明显的锈斑，沿箍筋方向出现轻 微的横向裂缝，其裂缝宽度从0.1mm到0.8mm不等；由于硫酸盐等腐 蚀介质的影响，腐蚀后的混凝土立方体抗压强度略低于未腐蚀试块； C20腐蚀试件的主筋平均锈蚀率介于0.67%~2.01%之间，箍筋平均锈 蚀率约为5%，C30腐蚀试件的主筋平均锈蚀率介于0.57%~1.03%之 间，箍筋平均锈蚀率约为4%。 （4）腐蚀后的小偏心受压柱，其破坏形态与未腐蚀柱基本相同， 最终均为靠近轴压力一侧的混凝土压碎、钢筋屈服导致试件破坏。 试件破坏前无明显变形和预兆，腐蚀柱的脆性破坏较未腐蚀柱更为 显著。在本文的初级腐蚀程度下，腐蚀后的小偏心受压柱的极限承 载力略低于未腐蚀试件，下降幅度约在5%~10%之间。由于腐蚀后 混凝土开裂及钢筋的锈蚀，小偏心受压柱强度和刚度均出现了微小 降低。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （5）加固柱没有出现类似未加固柱荷载突降的明显脆性破坏特征， 受约束的混凝土在达到其抗压强度之后，开裂膨胀，受到约束后其 强度继续增加，随着变形的进一步增大，加固用碳纤维布出现撕裂 破坏，荷载出现突降。破坏时，柱身出现较大的挠曲变形，靠近轴 向力一侧的受压钢筋屈服，远离轴向力一侧的混凝土开裂，体现出 部分延性破坏的特征。 （6）由本文加固试件试验结果可知，在初级腐蚀程度下，使用碳 纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱能够有效地提高其承载能力， 采用间隔粘贴单层碳纤维布加固的试件极限承载力提高幅度约为10%， 采用间隔粘贴双层碳纤维布加固的试件极限承载力提高幅度约为15%， 采用满贴单层碳纤维布加固的试件极限承载力提高幅度为20.04% （未腐蚀同类型加固柱提高13.91%），采用满贴双层碳纤维布加固 的试件极限承载力提高幅度约为25%。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （7）加固小偏心受压柱的横向碳纤维布，加载前期，其应变很小， 随荷载的逐级增加而增长，至最大荷载，混凝土的峰值强度附近，纵 向应变增长到2000με~4000με左右，随后，试件刚度降低，受压区破 坏处混凝土膨胀，横向碳纤维布应变迅速增加，直至碳纤维布被拉断。 碳纤维布的拉应变分布很不均匀，靠近受压侧碳纤维布的应变较大， 而远离受压侧碳纤维布的应变较小，甚至出现负值。 （8）对于腐蚀后的小偏心受压构件，其承载能力的降低主要是因 为受压区混凝土锈胀开裂，箍筋锈蚀造成约束作用降低，锈蚀钢筋的 力学性能退化等方面的影响。照相关文献研究结论，引入考虑截面几 何损伤的几何损伤系数 ，当箍筋锈蚀后，箍筋的抗拉强度将发生退 化，引入锈蚀钢筋力学性能退化系数及锈蚀后箍筋的约束作用降低系 数。 （9）将考虑几何损伤后的截面尺寸及锈蚀后箍筋的约束作用降低 系数代入普通混凝土小偏心受压构件的计算公式，得到本文初级腐蚀 程度下小偏心受压构件的承载力计算模型。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （10）本文引入含纤特征值和主要考虑偏心率影响的约 束效应系数，确定了碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱 时受约束混凝土的抗压强度及峰值应变计算方法，并且在计 算碳纤维布与约束混凝土的体积比时考虑了圆角及多层粘贴 碳纤维布的影响。 （11）将按照本文计算方法确定的受约束混凝土抗压强 度及峰值应变代替原有混凝土的抗压强度值及混凝土极限压 应变，将其代入本文受腐蚀小偏心受压构件承载力计算模型， 得到碳纤维布加固受腐蚀钢筋混凝土小偏心受压构件的正截 面承载力计算模型。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （12）采用本文模型计算得到的钢筋混凝土小偏心受压构 件极限荷载值低于试验得到的极限荷载值，主要是因为混凝 土轴心抗压强度较立方体抗压强度的折减较大，并且基本假 定中存在一定的保守成分；腐蚀柱的试验结果与计算结果误 差大于未腐蚀柱，计算承载力下降幅度大于试验承载力下降 幅度，但差额均在8%以内，说明本文采用的腐蚀后的计算模 型相对于本文初级腐蚀程度试件是略偏于安全的，能够很好 的用于实际工程中的类似情况。造成这种情况的主要原因是 腐蚀后混凝土强度的轻微下降以及箍筋约束作用降低系数的 计算略偏于保守，并且在引用计算公式计算截面几何损伤时 使用横向锈胀裂缝宽度代替了纵向锈胀裂缝宽度。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 （13）对于加固试件，由本文计算模型得到的加固后极限 承载力提高幅度与试验值吻合较好，差额基本控制在5%以内， 并且，除个别试件外，加固试验试件计算提高幅度均略低于 试验提高幅度，说明本文加固计算模型是偏于安全的，能够 较好的运用于实际工程中的类似情况，从而为服役期间初级 腐蚀程度下的钢筋混凝土小偏心受压构件安全性评估及加固 维护决策提供了重要的理论依据。 （14）结合本文的研究成果，建议对已经腐蚀劣化的煤矿 地面工业建筑钢筋混凝土结构，在考虑使用寿命要求的前提 下，必须采取分类修复、加固补强和长期维护并重的原则。 设计施工时必须确保加固材料与原构件和表层维护之间的相 容性和长期粘结力。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 2.2 展望 ? 研究方法与领域的局限性 ? 材料性能研究的缺乏 ? 构件力学性能研究的不足 ? 材料及构件损伤识别及加固研究的不足 ? 碳纤维布加固钢筋混凝土构件研究的不足 本文虽然在研究方法和研究内容的一些方面有了一定 的进步，但相对于以上所提出的问题无异于山之一砾，这 些问题的深入研究将是一项艰巨而具有重大意义的任务， 有待行业内外的专家及学者们共同努力。 中国矿业大学硕士学位论文答辩 煤矿腐蚀环境碳纤维布加固钢筋混凝土小偏心受压柱的力学性能研究 中国矿业大学硕士学位论文答辩