本文選自中國工程院院刊《Engineering》2019年第6期

作者：Tamon Ueda

來源：Material Mechanical Properties Necessary for the Structural Intervention of Concrete Structures[J].Engineering,2019,5(6):1131-1138.

編者按

延長現有結構的使用壽命是建築行業促進可持續發展的有效途徑。當改善的結構性能與結構的力學性質（如強度和剛度）相關時，修複和改善可被稱為結構性幹預。除了混凝土和鋼材這兩種典型的混凝土結構材料外，各種纖維增強複合材料、混合纖維、聚合物和黏合劑的黏結材料也常被用于結構性幹預。為了預測結構性能，有必要開發一種不僅适用于鋼材且适用于其他材料的通用方法，以提供有關改善結構性能所需的力學性能的信息。

日本工程院上田多門（UEDA Tamon）院士在中國工程院院刊《Engineering》撰文，指出基體混凝土的力學性能和相關幹預材料的目的為獲得更高的抗剪強度和減少構件在結構性幹預後的極限變形，使外部黏結獲得更高的黏結強度。文章表明，在有結構幹預的結構中，為提高結構的力學性能，幹預材料的一些力學性能和結構細節是新的，且不同于沒有幹預的結構，如在無結構性幹預的結構中，高強度和高剛度是材料的重要性能，而高斷裂應力和低剛度是結構幹預材料的重要性能。

一、引言

延長現有結構的使用壽命是建築行業促進可持續發展的有效途徑。修複和改善現有建築物可延長其使用壽命，前者涉及退化結構性能的修複，而後者則是提高結構性能。這兩者都可以用來改善結構性能。當改善的結構性能與結構的力學性質（如強度和剛度）相關時，修複和改善可被稱為結構性幹預。

長期以來，許多結構都采取了結構性幹預措施。幹預方法有多種，不同的幹預方法使用不同的結構細節和材料。但是，結構性幹預的标準和準則尚未完全制定。盡管國際标準化組織（ISO）于2014年發布了第一個關于混凝土結構維護和修複的标準——ISO 16311，但這隻是一個總體規範，而不是行業守則，如今ISO尚未發布相關的行業守則。國際結構混凝土聯合會（fib）已發布MC2010作為其最新版本的規範，但是該規範未涵蓋幹預方法。下一個規範将是MC2020，它将包含MC2010中沒有包含的現有結構以及新的結構。fib計劃涵蓋結構性幹預，所以結構性幹預的設計和執行基本上可以通過遵循MC2020而進行。ISO即将起草其第一個結構性幹預标準，該标準将涵蓋水泥覆蓋層的加固。

新的混凝土結構大部分是用鋼筋混凝土制成的，鋼筋和混凝土這兩種材料黏結度很強。但是，結構幹預通常采用混凝土和鋼以外的材料。用于幹預的材料必須正确連接到基體混凝土，并且相關的連接方法與混凝土和混凝土結構中埋入式鋼筋之間的黏結方式大不相同。混凝土和鋼筋之間的黏結失效很少成為構件失效的原因。但是，基體混凝土和結構幹預材料之間的連接失敗通常會導緻構件失效。

新混凝土結構與具有結構性幹預的結構之間的差異使得制定結構性幹預标準或準則十分困難，并且還導緻以下情況：

• 幹預後達到最佳結構性能所需的材料性能和結構細節是未知的；

• 要獲得長期良好的結構性能所需的材料類型和施工條件是未知的。

本文介紹了适用于具有不同性能的結構性幹預結構的力學性質。

二、受拉和剪力筋所需的材料特性

在結構材料的開發中，強度和剛度一直受到重視。從曆史的角度來看，強度和剛度越高，材料性能越好。圖1對現有的結構材料進行了有趣的比較。具有較高強度的材料通常顯示出較高的剛度，但是具有較小的斷裂應力（即較小的可變形能力）。衆所周知，碳具有較高的強度/剛度，但斷裂應變較小（1.5%）。另一方面，鋼材具有較低的強度，但斷裂拉應變超過20%。鋼的剛度在變形前與碳一樣高，但是後屈服範圍内的割線剛度迅速降低，并且在斷裂點處達到最小。另一個有趣的事實是，高強度和剛度的材料成本通常會更高。在某種程度上，鋼是确保結構的高變形能力的理想材料，而高變形性是良好的抗震性能的必要因素。在混凝土結構的設計中，通常不必檢查鋼筋的斷裂，因為鋼擁有高的斷裂應力，所以通常不會斷裂。這種高材料性能可以以較低的成本獲得。

考慮這樣一種情況，即設計結果表明，在3000 MPa下需要1000 mm²的材料。通過提供更大的10 000 mm²面積，可以用強度更低的300 MPa的材料來替代。換句話說，當規定面積增加時，強度較低的材料可以用來代替強度較高的材料。

在設計結果要求材料具有高變形能力的情況下又如何呢？抗震設計要求構件具有較高的塑性變形，可能需要斷裂應變為5%的拉伸材料。在斷裂應變小于5%的情況下，材料幾乎不可能達到這種變形能力。這就是碳纖維、芳綸等高強度纖維增強複合材料（FRP）不能實際用于受拉筋的原因之一。

上述情況與受拉筋的必要特性有關；然而，剪力筋是不同的。構件的延性（或變形性）主要來自于受拉筋的伸長，而非剪力筋的伸長。因此，對剪力筋的變形能力要求不如受拉筋高。構件的抗剪強度取決于剪力筋和受拉筋的剛度，即剪力筋和受拉筋屈服後，構件的抗剪強度随構件變形的增大而減小。顯然，剪力筋的斷裂意味着剛度的完全喪失，為了保持抗剪強度，應避免剛度的喪失。從這些事實出發，顯然可知剪力筋的最佳材料具有中等剛度、中等斷裂應變，但不屈服的特性。參考文獻的實驗結果表明，5%的斷裂應變對剪力筋來說足夠高，可以避免裂縫産生以獲得良好的抗震性能。

從圖1可以看出，一些有機纖維，如聚縮醛纖維和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維，其力學性能要優于鋼和碳纖維。

圖2展示了在圓柱試件反循環加載過程中，未發生斷裂的PET纖維保護層的高變形情況。

PET纖維保護層的結果表明，在彎曲為主的情況下，試件的延性增強[圖3（a）]，而在剪切為主的情況下，試樣的強度和延性均增強[圖3（b）]。由于碳纖維布保護層斷裂，而PET纖維布保護層沒有斷裂，因此PET纖維布保護層表現出更高的強度和延性。PET纖維布保護層的成本比常規纖維布保護層低。

圖4是雙保護層和芳綸纖維布保護層的對比圖，雙保護層中芳綸纖維布被PET纖維布（A&P保護層）與全芳綸纖維布保護層部分替代。前者的成本比後者低得多，但兩者的抗震性能相同。

圖1 各種結構材料應力-應變關系的比較。PEN：聚萘二甲酸乙二醇酯；PET：聚對苯二甲酸乙二醇酯

圖2 PET纖維布保護層，具有高變形性且不斷裂

圖3 用PET纖維布保護層提高強度和延性。（a）以彎曲為主的載荷包絡線。SP1-SP4：帶PET纖維布保護層的柱樣；SP5：沒有PET纖維布保護層（δ：形變，δy：屈服形變）。 （b）以剪切為主的載荷包絡線。SP2s和SP3s：帶PET纖維布保護層的柱樣；SC1s：沒有保護層；SC3s：帶有碳纖維布保護層

圖4 FRP布保護層的成本比較。（a）800 mm×800 mm部分（縱向配筋率p_t = 1.00%，橫向配筋率p_w= 0.21%，軸向應力σ_N= 1.0 MPa）；（b）1000 mm×1000 mm部分（p_t= 0.86%，p_w = 0.17%，σ_N= 1.0 MPa）

為了确定最佳受拉和剪力筋的材料性能，有必要應用一個通用模型來預測荷載-變形關系，該模型可以應用于任何材料制成的筋。通用模型可以預測任意變形下的殘餘抗剪強度，即彎曲變形和剪切變形之和。圖5展示了殘餘抗剪強度随變形增大而減小的情況。殘餘抗剪強度的降低是由于受拉筋和剪力筋剛度的降低而引起的，即ρ_fE_fe和ρ_wE_we。在數值參數研究的基礎上，推導出以下方程式以估算殘餘抗剪強度V_su，即混凝土貢獻V_c和剪力筋貢獻V_{s f}的總和，以及剪力筋的應變。

其中，系數為

式中，b為截面寬度；a為剪跨；d為有效深度；L_web為構件軸向投影剪切裂縫長度；ρ_s和E_se分别為受拉筋的配筋比和正割模量；ρ_f和ρ_w（σ_f和σ_w）分别為FRP與鋼剪力筋的配筋比（應力）；E_fe和E_we 分别為FRP和鋼剪力筋的正割模量；f′_co和f′_ce分别為無約束和約束混凝土抗壓強度；P為軸向力；A_g為混凝土總截面；σ′_n為軸向壓應力。

圖5 殘餘抗剪強度随變形的增加而降低。V _su2 和V_su1：初始殘抗剪強度，分别大于和小于抗彎強度V_mu；V _y：抗彎屈服強度

鋼筋内部的拉力因剪切開裂而增加，剪切變形可以通過桁架模拟考慮受拉變形進行預測。在圖6中，桁架模拟顯示了剪切變形的兩個分量∆_s1和∆_s2，兩者可以用式（5）和式（6）進行計算。

式中， ∆l_st,c為混凝土斜撐的收縮；∆l_st,t為為剪切筋的伸長；E_ce 為周圍有效混凝土的模量；S為剪力筋的間距；t_f為FRP筋的厚度；A_w為剪力鋼筋的截面積；A_ce 為周圍受拉有效混凝土的橫截面積[=A_ceo(V_crack/V)³]為剪切開裂後周圍受拉的有效混凝土截面面積[=(A_wf_wy)/f_t]，f_wy為剪力鋼筋的屈服強度，f_t為混凝土抗拉強度；V_crack為在斜裂縫處的剪切力；V為施加的剪切力；θ為斜撐角度；α為剪力鋼筋的角度。

圖6 剪切變形模型。（a）總剪切變形； （b）單元桁架。A、B、C、D、E 為變形前的點，A′、B′、C′、D′為變形後的點

該通用模型能夠較好地預測載荷-變形關系，如圖7所示。它還可以預測筋的斷裂，從而可以知道達到目标延性所需的斷裂應變。

圖7 通用模型預測的載荷-變形關系。（a）樣品AS-N1； （b）樣品ASC-NS2； （c）樣品ACS-NS3； （d）樣品AS-NS4； （e）樣品ASC-NS5

三、黏結層所必需的材料特性

加固材料與基體混凝土界面的脫黏是結構性幹預的典型失效形式。剝離是由于黏結層失效引起的，其中包括：①基體混凝土的表層；②基體混凝土與黏合材料之間的黏結界面；③黏結材料層；④黏結材料和加固（加強）材料之間的黏結界面；⑤加固（加強）材料的表層（圖8）。在沒有将加固材料黏結到基體混凝土上的黏結材料的情況下，隻有三層結構：①基體混凝土的表層；②基體混凝土與加固材料之間的黏結界面；③加固材料的表層。五層（或三層）組件之間的最小強度決定了黏結強度。實際上，增強這五層組件中的每層組件都會帶來不同的材料性質。

圖8 一種由五層組件組成的黏結層

在鋼和FRP進行外黏結的情況下，最薄弱的部分通常是基體混凝土的表層。這一事實表明，作用于基體混凝土表層的局部應力/應變可能決定了黏結強度。實驗結果表明，黏結材料越軟，黏結強度越高（圖9）。這是因為較軟的黏結材料層需要更長的有效黏結長度，從而減小了界面黏結應力，進而降低了混凝土表層的應層。在這種情況下，黏結材料層失效是一種典型失效形式，黏結材料層厚度的影響是不同的。黏結材料層越厚，黏結材料的主拉應力越大，黏結力越低。從圖11中可以看出，随着黏結劑層厚度從0.2 mm增加到5.0 mm，黏結劑層的黏結強度降低了一半。因此，強度越高的黏合材料，其脫黏強度越高。需要考慮的一點是：如果黏合材料在固化過程中和（或）在環境條件下出現收縮，則由于基體混凝土和加固材料所建立的約束，将引起内部拉伸應力/應變。該拉伸應力/應變會引起黏合材料的早期破壞。因此，另一個必要的材料性能是在固化和環境條件下的小收縮，以免由于黏合材料失效而發生剝離。

圖9 黏結材料層剪切剛度（G_a/t_a）與黏結強度之間的關系取決于斷裂能（G_f ），而斷裂能是關于混凝土強度（f′_c）和FRP剛度（E_ft_f）的函數

圖10 對于基體混凝土強度（f′）為35 MPa、FRP剛度（E_ft_f）為50.6 kN·mm⁻¹的情況下，黏結材料層不同剪切剛度（G_a/t_a）下的局部黏結應力-滑移關系（τ-s）

圖11 黏合材料層厚度對黏結強度的影響

如前文所述，提高黏結層的脫黏強度所需的各組分材料性能可能因組分而異。基體混凝土和加固材料的高強度通常分别導緻基體混凝土表層和加固材料的高黏結強度。但是，基體混凝土強度的提高，并不一定導緻基體混凝土與黏結材料之間黏結界面的黏結強度的提高。同樣，加固材料和黏結材料的強度越高，其界面的脫黏強度不一定越高。實驗研究發現了有關在基體混凝土和聚合物水泥砂漿（PCM）之間黏合層上黏結強度（即拉伸界面黏合強度）的有趣結果。混凝土與PCM界面的所有脫黏失效都是由于混凝土與PCM的黏結界面失效引起的。無論有無引氣劑，基體混凝土的黏結強度均小于組成材料的抗拉強度，且随着凍融循環（FTC）的增加而降低（圖12）。摻加引氣劑和PCM的混凝土抗拉強度與FTC相比無明顯下降，而沒有摻加引氣劑的混凝土抗拉強度與FTC相比有明顯下降。這一發現可能是由于所觀察到的PCM表面在FTC後出現了一定程度的退化；這種退化可能發生在界面，因為在FTC過程中一些水分進入界面，盡管PCM的其餘部分（表面除外）沒有顯示出退化。在同一研究中，為了進行比較，還測試了混凝土和普通砂漿的界面。結果表明，在兩種情況下，摻加引氣劑的砂漿界面黏結強度均未顯示出降低，而沒有引氣劑的砂漿界面黏結強度顯示出降低（即摻有或不摻有引氣劑的基體混凝土）。該實驗證明，因黏合界面失效而提高黏結強度所必需的材料性質與因構成材料的失效而提高黏結強度所必需的材料性質不同。黏合界面的黏結強度應通過黏合界面失效實驗直接研究。

圖12 混凝土與PCM黏結層的黏結強度（劈裂抗拉強度）。（a）混凝土與引氣劑和PCM的界面； （b）不加引氣劑的混凝土與PCM的界面。NA：摻加引氣劑的混凝土；N：不摻加引氣劑的混凝土；NA–PCM：NA與PCM的界面；N–PCM：N和PCM之間的面

界面粗糙度顯然是一個影響因素。界面粗糙度有助于提高黏合界面失效時的黏結強度。當基體混凝土與FRP之間存在界面時，混凝土的強度應較高，以充分利用界面粗糙度。否則，混凝土表面黏結強度将會失效。在基體混凝土強度為90 MPa的試驗中，粗糙度（R_a ）從0.11 mm增加到0.54 mm，黏結強度增加110%，如圖13所示。所觀察到的失效形式為黏結界面和混凝土表面的混合失效。在噴砂（R_a=0.54 mm）的情況下，FRP片材分别有一層和兩層出現破裂和粘接界面破壞。為了比較低粗糙度和高粗糙度（R_a 分别為0.11 mm和0.54 mm）黏結界面失效的情況，兩層FRP的黏結強度應調整為一層FRP的黏結強度。經過潮濕條件下暴露一年後，在粗糙度較小（0.11 mm）的情況下，失效黏結界面的黏結強度下降較多（28%），粗糙度較大（0.54 mm）的情況下下降較少（7%）（圖14）。這種差異可以用水分存在方式中的機械結合和化學結合來解釋。機械結合的貢獻随着粗糙度的增大而增大，而化學結合的貢獻随着粗糙度的減小而增大。化學結合比機械結合更容易受到水分的影響。對于基體混凝土與作為加固材料的黏結材料之間的界面，兩種組成材料的強度不必很高，以免導緻黏結界面失效。在研究混凝土與PCM界面的實驗中，随着粗糙度增加到0.5 mm，黏結強度增加，而當粗糙度大于0.5 mm時，黏結強度幾乎沒有增加。在某些情況下，由于出現粗骨料，黏結強度略有下降，說明界面粗糙度本身劇烈下降。綜上所述，為了提高黏結界面失效的黏結強度，需要一個較為粗糙的界面；但是，粗糙度有一個阈值，當超過這個阈值時，界面本身可能會斷裂。

圖13 界面粗糙度對黏結強度的影響

圖14 界面粗糙度對暴露在潮濕環境後黏結強度的影響。（a）低粗糙度（R_a= 0.11 mm）時，在潮濕環境暴露後黏結強度的變化； （b）高粗糙度（R_a= 0.54 mm）時，在潮濕環境暴露後黏結強度的變化

四、結論

新材料，如FRP、PCM、黏膠樹脂等，以及新結構細節，如外黏結等，已被應用于結構性幹預。剪切加固和提高黏結強度所需的材料特性如下：

（1）剪切加固材料的必要特性是較高的斷裂應變（5%或更高）和适中的剛度而不屈服，這可以提高剪切強度，從而提高構件的變形能力。

（2）除材料強度外，提高黏結強度所必需的材料性能有：

• 基體混凝土表層失效時的剪切剛度較低；

• 黏結材料層失效時收縮小；

• 與基體混凝土的黏結界面失效的界面粗糙度。

由于黏結界面組成材料的材料性質不能反映黏結界面的強度，因此，在黏結界面失效時，應直接從黏結界面的失效試驗中獲得提高黏結界面黏結強度的必要特性。

注：本文内容呈現略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Tamon Ueda.Material Mechanical Properties Necessary for the Structural Intervention of Concrete Structures[J].Engineering,2019,5(6):1131-1138.

作者介紹

上田多門（UEDA Tamon），日本工程院院士。

主要研究方向包括混凝土和混合結構的數值分析，結構生命周期預測，結構改善，抗震設計和結構設計方法學。

Engineering：何鏡堂院士談建築設計

讀丨前沿熱點：現代城市社會中的高性能抗震結構

前沿研究：高層建築抗風智能幕牆

說明：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。

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