使用CFRP网格-PCM加固层对钢筋混凝土梁的受剪加固方法与流程

本发明属于计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种使用cfrp网格-pcm加固层对钢筋混凝土梁的抗剪加固方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：由于发生了不均匀的沉降，2011年日本大地震造成的许多以原有标准设计和建造的钢筋混凝土(rc)结构已经倒塌或损坏，如水闸等。经研究发现，按照原有标准设计的钢筋混凝土结构的配筋不足。而若采用传统混凝土包裹的加固方法，需要在原本钢筋分布密集的拐角处钻孔，用来插入补强钢筋；此外，为了防止补强钢筋发生腐蚀，必要的补强增厚量需要达到250mm。因此，该加固工法的施工难度较大，工期较长，且当作用于横截面积较大的建筑物(如水闸等)时，会导致水流抑制率和结构自重增大。

在过去二十年间，国内外开发了多种用于混凝土结构加固和改造的较新材料，包括纤维编织网增强水泥砂浆(trm)，纤维增强水泥砂浆(frcm)和纤维增强聚合物(frp)等。其中，纤维增强聚合物(frp)由于其具有轻质高强、耐腐蚀性强、耐久性好等特点，近些年来被证明是一种有效的加固方式。

cfrp网格是过去十年提出的相对较新的复合材料，其将高性能连续纤维浸渍在耐腐蚀性能良好的树脂中以此形成具有整体性的网格材料，几何形状为垂直交叉的纵向与横向网格筋。由于在安装cfrp网格时采用铆钉临时固定其至原混凝土梁的外表面，因此，与cfrp片材相比，cfrp网格在湿润或低温环境中具有良好的黏结性能。此外，为了防止cfrp网格与环氧树脂界面黏结性能的降低或失效，相关学者提出采用其它黏结材料来代替环氧树脂，如聚对苯撑苯并二噁唑纤维(pbo)、纤维增强无机聚合物(frip)以及聚合物水泥砂浆(pcm)等，对其中的无机材料而言，其自身存在延伸率低、与frp适配性差等缺陷，然而，pcm是一种通过将少量有机聚合物浇注到水泥砂浆中制成的新型复合材料，该材料的应用可以有效改善原无机材料的性能，具有高强度，低渗透率和干裂纹收缩率，并且与原混凝土之间的黏结性能良好等优点。因此，当采用cfrp网格-pcm复合加固混凝土结构时，即将cfrp网格用铆钉固定于混凝土结构表面，再高压喷射pcm使其与混凝土成为一个整体，可有效提高结构的承载能力、刚度和耐久性。此外，铆钉在便于网格施工定位的同时还提高了frp网格的抗剥离性能。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统外贴frp片材加固混凝土结构时，通常使用环氧树脂作为黏结剂，使frp能与混凝土形成一个复合性整体。但是，环氧树脂在低温和湿润环境下，黏结性能会明显下降甚至失效，从而导致frp出现界面剥离破坏，无法充分发挥frp的加固性能。同时，传统frp片材粘贴在经打磨抛光等处理后的混凝土表面时，由于粘贴面积很大，会导致粘贴不均匀、出现空鼓的缺陷，施工质量不容易得到保证，且对施工人员的要求较高。

解决上述技术问题的难度和意义：frp加固钢筋混凝土梁时，若frp在达到极限拉应变或上边缘混凝土达到极限压应变之前发生界面剥离破坏，这将导致材料的力学性能无法充分发挥，从而引起材料利用率低、破坏突然等问题。与传统的抗剪加固方法相比，cfrp网格-pcm加固法在提高构件的承载能力、增加延性、抵抗剥离、裂缝控制、施工便捷性等方面都更为显著。目前，国内外对于frp网格加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力的设计计算方法，通常未考虑到frp网格的有效应变从而低估了其对结构提供的实际抗剪能力，导致在结构设计中过于保守，造成不必要的材料浪费和经济支出。而本发明所提出的设计计算方法，充分考虑了cfrp网格的实际抗剪能力，能更为安全和有效的预测frp网格-pcm加固层对钢筋混凝土构件的抗剪加固效果，为以后的结构加固设计提供参考。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种使用cfrp网格-pcm加固层对钢筋混凝土梁的抗剪加固方法。

本发明是这样实现的，一种cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁，所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的cfrp网格通过铆钉将其临时固定至混凝土梁的侧表面，之后在原混凝土梁和cfrp网格外表面上喷射或涂抹聚合物砂浆，最后高压喷射pcm。

本发明的另一目的在于提供一种所述cfrp网格-pcm加固层抗剪加固钢筋混凝土梁的制造方法，所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的制造方法包括：在原混凝土梁养护28天后，对原混凝土梁外表面进行吸尘喷砂处理；以铆钉作为临时锚具，在原混凝土梁侧面安装固定cfrp网格；在原混凝土梁和cfrp网格外表面上喷射或涂抹聚合物砂浆；最后，在侧表面高压喷涂pcm

.聚合物水泥砂浆施工工艺：混凝土表面处理——丙乳砂浆拌制——涂刷基液——丙乳砂浆喷射(抹面)——养护；配制聚合物水泥砂浆(pcm)要根据当地材料、气温、施工所要求的和易性，将称好的水与乳液混合，加入已拌匀的水泥和砂中，充分搅拌均匀，pcm通常应在30～40min内用完。

本发明的另一目的在于提供一种验证cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁性能的抗剪加固效果，所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的抗剪加固效果的试验装置包括：荷载传感器、加固试件、分配梁、载荷板、液压千斤顶、液压伺服加载系统、支座、反力架、应变片、位移计。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估系统的cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的抗剪加固效果，所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估方法包括：

步骤一，通过液压千斤顶施加的荷载作用由分配梁和载荷板的传递对加固试件进行两点均匀加载，载荷板和分配梁放置在试件和液压千斤顶之间，施加单调荷载的等级由液压伺服加载系统控制。当试件开裂前，采用5kn/级的速率加载；当试件开裂后，采用10kn/级的速率加载。

步骤二，应变片安装在位于试件剪跨范围内部分剪切箍筋及其附近的竖向网格上，以此来揭示cfrp网格的抗剪加固效果及与原混凝土梁之间的协同变形能力；三个位移计被放置在梁跨中截面的下侧，以此测量该加固试件的竖向位移。进一步，所述评估方法的抗剪承载力分析模型表达式：

v＝vcon+vpcm+vst+vg(3)

其中，vcon、vpcm、vst和vg分别定义为混凝土、pcm、箍筋和cfrp网格所承担的剪力，以上具体计算公式如下：

其中，γb为构件影响系数通常取值为1.00；而fvcd、βd和βp的计算方法如下：

βn＝1+m0/mdinthecasethatn′d≥0whileβn＞2，βn＝2(5-1)

βn＝1+2m0/mdinthecasethatn′d＜0whileβn＜0，βn＝0(5-2)

其中，m0为消除轴向力产生应力对应的弯矩，通常取值为m0＝0n/mm²；md和n′d分别定义为弯矩设计值和轴向力：

pw＝af/(bw·d)(9)

其中，f′c为混凝土的抗压强度；pw是受拉钢筋的配筋率。

其中，α为箍筋与构件轴线的夹角；fy为箍筋的屈服强度；z为有效高度d与系数γb的比值。

其中，αs为cfrp网格与构件轴线的夹角；εu，ew分别为cfrp网格的断裂应变和弹性模量；sg为竖向网格的间距。

进一步，所述cfrp网格-pcm复合加固钢筋混凝土梁，当采用传统的方法来预测的抗剪承载力的计算方法时，是基于frp杆材的有效应变，其表达式如下所示：

其中，efu为纵筋的弹性模量；f'mcd为考虑到试件尺寸效应的混凝土抗压强度设计值，σ'n为轴心抗压强度平均值，其表达式如下：

σ′n＝(n′d+ped)/ag(14)

其中，f'cd为混凝土的抗压强度设计值；ped为竖向网格的有效轴拉力；ag为竖向网格的横截面积；h为试件的截面高度。

进一步，所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的抗剪加固效果，本发明提出基于cfrp网格的有效应变计算式以替代传统的frp杆材计算方法，其表达式如下：

其中，ρ为横向单位长度内的cfrp竖向网格的横截面积。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：提出采用cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的新型加固工法，可以提高施工便捷性，减少加固截面保护层厚度，缩短结构加固的施工周期；并且，无论是抗弯或抗剪加固，cfrp网格-pcm加固层对提高rc构件的承载能力是显著的。并且，由于cfrp网格具有轻质量、高强度、耐腐蚀性好等优点，对比传统混凝土包裹加固方法，可极大程度降低实际施工的难度、缩短施工工期，减小加固结构的自重，降低保护层厚度。对比传统frp加固，高压喷射的pcm可以使网格与混凝土一体化，使得施工更加方便，且cfrp网格受到pcm的保护，提高了刚度和承载力，使其在耐久性、防火性、抗冲击性等方面均得到很大的提高，且避免了环氧树脂在低温和湿润环境下黏结性能会明显下降的缺点。同时，固定铆钉不仅方便了施工时定位网格，也提高了frp网格的抗剥离性能。

与传统外贴frp片材加固方法相比，frp网格-pcm加固法的优势主要体现在以下几点：(1)pcm使网格与混凝土一体化，施工更加方便；(2)具有一定刚度的劲性frp网格加固混凝土结构时施工人员更易操作，施工质量容易得到保证；(3)固定铆钉不仅方便了施工时定位网格，也提高了frp网格的抗剥离性能；(4)frp网格受到pcm的保护，提高了刚度和承载力，使frp网格在耐久性、防火性、抗冲击性等方面均得到很大的提高，且避免了环氧树脂在低温和湿润环境下黏结性能会明显下降的缺点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的制造方法流程图。

图2是本发明实施例提供的cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁评估方法流程图。

图3是本发明实施提供的负载偏转(p-δ)响应图。

图4是本发明实施提供的负载-应变(p-ε)响应图。

图5是本发明实施提供的cfrp网格的剥离应变图。

图6是本发明实施提供的计算的和相应的实验值结果之间的比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了采用cfrp网格-pcm加固钢筋混凝土混凝土梁的新型加固系统，提高了施工便捷性，减少了截面保护层厚度，大大缩短了施工周期。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的制造方法包括：s101：原混凝土梁养护28天后，对梁侧表面作吸尘喷砂处理。

s102：利用铆钉将cfrp网格安装固定至原混凝土梁侧表面加固范围内。

s103：在混凝土梁侧表面喷射或涂抹聚合物砂浆，再高压喷射pcm。

如图2所示，本发明实施例提供的cfrp网格-pcm加固层抗剪加固钢筋混凝土梁评估方法包括以下步骤：

s201：通过液压千斤顶施加的荷载作用由分配梁和载荷板的传递对加固试件进行两点均匀加载，载荷板和分配梁放置在试件和液压千斤顶之间，施加单调荷载的等级由液压伺服加载系统控制。当试件开裂前，采用5kn/级的速率加载；当试件开裂后，采用10kn/级的速率加载。

s202：应变片安装在位于试件剪跨范围内部分剪切箍筋及其附近的竖向网格上，以此来揭示cfrp网格的抗剪加固效果及与原混凝土梁之间的协同变形能力；三个位移计被放置在梁跨中截面的下侧，以此测量该加固试件的竖向位移。

下面结合实验对本发明的应用效果做详细的描述。

1.实验

1.1试件

表1试验梁基本参数

为了研究cfrp网格-pcm加固层对钢筋混凝土梁的抗剪加固效果的影响，对5类试验梁进行了抗剪性能试验。试验梁的几何尺寸和配筋情况，如表1所示，包括控制梁n0'，试件rhwp仅由pcm加固，以及试件rhwc4，rhwc6和rhwc8样品分别采用cr4，cr6和cr8类型的cfrp网格与pcm进行抗剪加固。

各原混凝土梁中的纵筋和箍筋分别采用sd345和sd295，直径分别为35mm和10mm，其箍筋间距为250mm。并且，为了保证最终发生剪切破坏，应满足强弯弱剪原则，因此其箍筋配筋率(pweb)为0.38％，而受拉侧纵筋配筋率(pw)为4.62％。钢筋sd295和sd345的详细信息参照《jis-g3112-2004》。另外，pweb和pw如下：

其中，s为箍筋的间距；bw，d分别定义为试样梁的截面宽度和有效高度；af，aw分别定义为受拉侧纵筋和cfrp网格的总横截面积。

表2混凝土配合比

*themaximumsizeofcoarseaggregate.

表3混凝土和pcm的材料特性

表4钢筋和cfrp网格的材料特性

试件的混凝土设计强度等级为c20，其配合比详见表2。pcm采用高强度型，其抗压强度设计值约为混凝土抗压强度设计值的3倍，喷涂pcm之后所用的聚合物砂浆保护层为丙烯酸乳液，cfrp网格的纵向和横向网格间距分别为150mm和50mm。表3和表4分别总结了混凝土，pcm，钢筋和cfrp网格的材料特性。

1.2测试方法

通过液压千斤顶施加的荷载作用由分配梁和载荷板的传递对加固试件进行两点均匀加载，载荷板和分配梁放置在试件和液压千斤顶之间，施加单调荷载的等级由液压伺服加载系统控制。当试件开裂前，采用5kn/级的速率加载；当试件开裂后，采用10kn/级的速率加载。此外，应变片安装在位于试件剪跨范围内部分剪切箍筋及其附近的竖向网格上，以此来揭示cfrp网格的抗剪加固效果及与原混凝土梁之间的协同变形能力；三个位移计被放置在梁跨中截面的下侧，以此测量该加固试件的竖向位移。

2.结果

2.1破坏模式

试验结果与加固试验梁的破坏模式分别如表5所示，所有加固梁的最终破坏形态均为典型的剪切破坏。在整个加载过程中，虽然当荷载加载至240kn左右时在试验梁侧面可见细小的弯曲裂纹，但沿着支座与加载点连线方向附近的主斜裂缝为破坏的主要模式，并且在不同的加固范围和加固量的情况下出现主斜裂缝的载荷水平也各不相同。此外，随着荷载水平提高，剪切或弯曲裂缝的宽度会逐渐发展，长度逐渐延伸，最后，混凝土梁跨中上边缘附近混凝土压溃。

表5实验结果汇总图

与控制梁n0'相比，试验梁rhwp的极限载荷没有明显增加，但由于pcm的存在，会有效抑制剪切裂缝的出现。另外，随着cfrp网格的横截面积增加(如rhwc4，rhwc6和rhwc8)，试验梁的抗剪承载力提高，并且剪切裂缝的出现有所推迟。试验加载完成后，人为将cfrp网格外的pcm剥落，以更清晰的观察cfrp网格的破坏模式，除了试验梁rhwc4在主斜裂缝附近的cfrp网格出现局部的分层破坏外，其余试件均未观察到cfrp网格的分层和断裂破坏的现象产生。

2.2荷载-位移(p-δ)曲线

所有试验梁的载荷-位移(p-δ)曲线，如图3所示。由此可知，载荷-位移曲线的趋势有两个相对明显的曲线拐点，对应的载荷水平分别约为200kn和500kn。此外，在整个加载过程中，可见细小的弯曲和剪切裂缝，且随着荷载增加，裂缝的宽度会逐渐发展而长度逐渐延伸。

与控制梁n0'相比，试验梁rhwp的抗剪承载力和刚度几乎相同，未得到明显改善，表明pcm对提高加固梁的抗剪承载力几乎没有贡献。而当采用cfrp网格-pcm(如rhwc4，rhwc6，rhwc8)加固层加固的试验梁的抗剪承载能力与控制梁n0'相比大致提高了40％，可以看出cfrp网格的抗剪加固效果是显著地。此外，与rhwc4相比，试验梁rhwc8的抗剪承载力大约提高了7％，表明了试验梁的抗剪承载力会随着cfrp网格的横截面积的增加而增大。

2.3荷载-应变(p-ε)曲线

试验梁的荷载-应变(p-ε)曲线，如图4所示。与控制梁n0'相比，除rwhp外，所有试验梁中箍筋的极限应变超过其屈服应变。对于仅由pcm加固的试验梁rwhp，其箍筋的应变随着整个加载过程逐渐增加，但最终仍未达到屈服应变。此外，cfrp网格的荷载-应变曲线与箍筋的应变发展趋势类似，并且，在箍筋达到其屈服应变之前，曲线刚度大于控制梁n0'，可以得出结论：cfrp网格和混凝土的协同作用效果良好，因此，剪力主要由箍筋与cfrp网格共同分担。比较试验梁rhwc4，rhwc6和rhwc8，cfrp网格的极限应变随着其横截面积的减小而增加，由此可知cfrp网格的配筋率降低后，cfrp网格的变形性能和有效利用率得到了提高。此外，部分网格的应变突然变小(此时的极限应变称为剥离应变)，可以得出结论，在cfrp网格破裂之前，cfrp网格与混凝土基体之间的界面处发生了剥离破坏。

3、抗剪承载力计算模型

目前，由于国内对于cfrp网格-pcm复合加固rc梁的抗剪承载力研究相对较少，但为了预测cfrp-pcm加固层的rc梁的抗剪承载力，国内外常参照《道路桥示方书同解说·耐震设计篇》进行承载力计算，其抗剪承载力计算公式如下所示：

v＝vcon+vpcm+vst+vg(3)

其中，vcon、vpcm、vst和vg分别定义为混凝土、pcm、箍筋和cfrp网格所承担的剪力，以上具体计算公式如下：

其中，γb为构件影响系数通常取值为1.00；而fvcd、βd和βp的计算方法如下：

βn＝1+m0/mdinthecasethatn′d≥0whileβn＞2，βn＝2(5-1)

βn＝1+2m0/mdinthecasethatn′d＜0whileβn＜0，βn＝0(5-2)

其中，m0为消除轴向力产生应力对应的弯矩，通常取值为m0＝0n/mm²；md和n′d分别定义为弯矩设计值和轴压力：

pw＝af/(bw·d)(9)

其中，f′c为混凝土的抗压强度；pw是受拉钢筋的配筋率。

其中，α为箍筋与构件轴线的夹角；fy为箍筋的屈服强度；z为有效高度d与系数γb的比值。

其中，αs为cfrp网格与构件轴线的夹角；εu，ew分别为cfrp网格的断裂应变和弹性模量；sg为竖向网格的间距。

值得注意的是，在试验梁受剪的过程中，部分学者提出在混凝土压溃之前，通常已经发生frp的剥离破坏。从试验结果可以看出，在cfrp网格破裂之前，在cfrp网格和混凝土的界面之间已经发生局部剥离破坏。因此，根据jsce混凝土库引入frp杆的有效应变理念，并在此基础上预测cfrp网格-pcm加固层加固混凝土梁的抗剪承载力，frp杆的有效应变计算公式如下所示：

其中，efu为纵筋的弹性模量；f'mcd为考虑到试件尺寸效应的混凝土抗压强度设计值，σ'n为轴向抗压强度平均值，其表达式如下：

σ′n＝(n′d+ped)/ag(14)

其中，f'cd为混凝土的抗压强度设计值；ped为竖向网格的有效轴拉力；ag为竖向网格的横截面积；h为试件的截面高度。

各试验梁的抗剪承载力和cfrp网格应变的计算值a与试验值对比，如表6所示。其中，计算值a(vcal，a)是基于frp杆的有效应变理念，由公式(12)计算得到。由此可知，在所有加固试验梁中，梁的抗剪承载力试验值与其对应的计算值的比值在1.33～1.39范围内，远大于1.0。这表明基于frp杆的有效应变的设计计算方法可用来预测cfrp网格-pcm复合加固层加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力。同时，cfrp网格的最大应变εp，max随着cfrp网格横截面积(即rhwc4，rhwc6，rhwc8)的减小而增加，其原因是横截面积越小，cfrp网格的变形性能越好。然而，根据frp杆有效应变计算公式得到的frp网格应变会远小于试验测量的网格最大应变，这是因为剪力是由其横、纵网格筋和网格结点共同承担，其荷载传力机理与frp杆状材料不一致。综上可知，采用原有的计算方法虽然可用来安全预测梁的抗剪承载力，但总是过于保守。

表6计算值a与对应试验值的比较

注：计算值a是基于frp杆的有效应变的抗剪承载力计算结果。

因此，为了更加准确高效的计算或预测试验梁的抗剪承载力，需要采用更加适用于frp网格的应变计算式。因此，与frp杆的有效应变相似，通过回归分析，提出关于cfrp网格有效应变的设计计算公式，如图5所示，其表达式如下：

其中，ρ为横向单位长度内的cfrp竖向网格的横截面积。

在经cfrp网格-pcm加固的试验梁中，梁的抗剪承载力和cfrp网格有效应变的计算值b与其对应的试验值的比值，如图6所示。与基于frp杆有效应变得到的计算值a相比，计算值b是基于cfrp网格的有效应变理念，并且其可以通过公式(15)计算得到。因此，对于加固试验梁，其试验值与计算值b的比值不仅大于1.00，且计算得到的cfrp网格的有效应变和试验梁的抗剪承载力较原有的设计计算方法都更接近试验结果。由此可知，基于cfrp网格有效应变的抗剪承载力设计计算公式，不但可用来安全可靠的预测cfrp网格-pcm加固层加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力，并更加合理且高效。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。