国内外该领域发展的经验与实例

(1)纤维增强加固、修复技术。FRP复合材料开发研究和在土木工程中的应用至今只有10多年的历史,日本处于领先水平。这是由于有充足经费的支持;学术交流活跃;及时制定规程、规范及工程推广应用等。从1988年开始,日本建设省设立了题为“建设事业中的新素材、新材料利用技术的开发”的为期5年的一个大型综合研究项目。1995年总结出了建筑领域的《连续纤维加固混凝土诸性质和设计法》。1989年,日本土木学会(JSCE)设立了连续纤维增强混凝土委员会,作为前三年的活动总结,召开了《混凝土结构中的FRP加固材料的应用》学术研讨会,在后三年的工作中发行了《混凝土结构部件的FRP应用的设计,施工指南(草案)》。日本建筑学会也于1996年成立了研究委员会,开展FRP复合材料的应用普及工作。日本混凝土协会(JCI)在1995年成立了FRP相关的委员会。在北美大陆,因苦于钢筋混凝土结构的盐害,对FRP 的关心逐渐增大。美国混凝土协会(ACI)成立了专业委员会(ACI 440),并于1993年在加拿大温哥华组织召开了第一届FRP增强钢筋混凝土结构的国际会议(FRPRCS-1)。此后,对于FRP的关注扩大到了欧洲,1995年在比利时的Ghent召开了第二届国际会议(FRPRCS-2)。1997年在北海道札幌大规模地组织召开了第3届国际会议(FRPRCS-3)。1999年在美国Baltimore召开了第四届会议(FRPRCS-4)。此后两年一次的系列会议的安排是第五届在英国剑桥(2001年)、第六届在新加坡(2003年)和第七届在美国(2005年),各国争相组织召开这一会议。用FRP板和FRP布代替钢板的想法可追溯到20世纪80年代末。1994年美国的Northridge地震和1995年日本的阪神大地震之前,还只有很少的机构进行一些试验性的研究工作。施工实例也很少如欧洲有了用FRP板代替钢板加固桥梁的尝试,日本开发了各种高性能的FRP片材(布状)。日本的阪神大地震以后,随着人们对抗震性弱和各种老化结构设施的大量存在有了进一步深刻的认识,FRP片材张贴加固方法随即受到广泛重视。各有关研究机构普遍开展起这方面的研究开发,结合一些既有的试验数据,制定各种各样的设计、施工指南、手册和建议规范(参见表11-3)。虽然在制定各种设计、施工规范工作中还没有系统的研究成果,很多试验结果还只能说是对有关加固效果的确认性试验,试验结果也存在很多不完善之处,但迄今已有了不少成果。目前,有关部门正着手组织进一步的研究、开发和规范的充实工作。JSCE 也成立了钢筋混凝土规范制定委员会结构加固设计分委员会。该委员会在1998年推出了混凝土加固设计指南(草案),其中FRP片材加固被作为一大加固方法写入。1999年成立的土木学会连续纤维维修、加固委员会迄今已基本完成了使用连续纤维片材的混凝土维修加固规程草案。同时,ACI 440委员会也在加紧规范草案充实修改工作。

表11-3　FRP修补加固混凝土结构的工程设计施工规程(指南、手册)

在日本,FRP片材等增强加固方面的研究工作发展迅速是与日本FRP 复合材料的国际领先水平,建设省、通产省、运输省等专业部委及科学技术研究相关的文部省和科技厅的重视和支持分不开的。如,1996～1997年《确立碳素纤维片材的既有混凝土结构的抗震加固法》的大型研究项目第一次得到了文部省的资助,此研究项目推动了FRP片材加固的基础研究。随后,很多大学研究部门相继得到了文部省有关FRP 片材加固研究的资助,数量和比例相当可观。在美国,国家科学基金(NSF)资助的FRP片材研究项目在各大研究机构普遍展开,成为一大热门。美国FHWA 研究费的80%用于FRP复合材料有关的研究开发,加拿大也成立了一个与FRP增强和加固土建设施有关的国家重点研究开发基地。

国内第一例采用CFRP加固修复混凝土结构是在1998年上半年完成的。当时,国内绝大多数人甚至不知道CFRP为何物,更不知其作为土木结构加固修复有优异效果。但CFRP 片材加固修复土木建筑结构数量1999年较1998年增加37倍,用于建筑中的实例是应用于桥梁中的实例的14倍。而在被加固结构部位的统计中,加固梁与板的比重最大,是加固柱数量的3～4倍,也有少量的节点、墙及层架的加固实例。从统计表明,国内近年来CFRP 加固修复结构的特点如下:①用于工业与民用建筑的项目数量远高于桥梁上的项目数,这点与国外有很大的不同;②各类桥梁上的应用项目数量今后有很大潜力;③用于结构正常使用状况加固的较多,这也是与国外的较大不同。(www.xing528.com)

(2)建筑物损伤理论。损伤力学近年来得到发展并应用于破坏分析、寿命预估、材料韧化等方面。目前损伤力学尚处在发展阶段,国际上公认的损伤力学体系尚未形成。

在损伤力学中,物体不再被认为是完美无缺的,而是在材料内部分布着各种缺陷,如空洞、微裂缝、位错等,这些缺陷统称为损伤。损伤概念及理论最早来自航空、航天、压力容器等工程中的低应力破坏事故,这些事故不能用经典的力学强度理论解释。近年来,国内外土建工程科研技术人员试图将损伤力学引入工程结构事故分析、工程设计中去,尤其是耐久性设计中去。当然,对于建筑物检测和评估行业,更应该考虑结构中的损伤。当无损伤的古典力学强度理论发展成带缺陷或损伤的建筑物可靠性评估,这样的评估理论更科学、更接近实际,尽管这是一个非常困难的过程。在对这一前沿学科进行攻关研究的同时,是否可结合土建工程实际,在引进损伤力学概念和技术路线的同时,采用一些切实可行、为当前土建技术员能接受又不失工程精度要求的检测技术及可靠度评估理论呢,答案应该是肯定的。

目前采用传统静力检测手段进行建筑物损伤识别的工作相对比较成熟,这种手段比较直观,但存在一些不足,主要是现场检测工作量大,检测前无法确定究竟房屋哪一层或哪一部分受损最严重,从而不能作到有的放矢;另外,对于建筑物由于灾害产生的“暗伤”检测缺乏针对性。动力损伤识别方法(Damage Assessment by Dynamic method,即DADM 方法)是目前国内外研究非常活跃的方法之一,DADM 方法采用振动测试手段,获得受损结构的动力特性参数,采用动力学反问题理论,识别结构刚度、动力特性的变化,从而从宏观上确定建筑物主要损伤的位置和程度,具有简便、快速、无损的优点,与传统静力检测手段相结合,可以使检测评估结果更全面、更准确。

针对上海市浦东一座遭受火灾的三层钢筋混凝土框架房屋,将DADM 方法应用于该建筑物检测评估中,根据动力学反问题理论,通过实测的基本周期和振型得出层间损伤系数的建议表达式和计算结果,并建议在结构分析中应采用实测的动力参数,在抗力验算中考虑火灾损伤因子的作用。