土木工程英文论文精选(九篇)

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第1篇：土木工程英文论文范文

随着CFRP材料向土木工程领域的逐渐渗透，它的应用范围越来越广，CFRP材料在土木工程中的应用经历了纤维片材、纤维棒材和纤维型材等几种材料形式。CFRP材料在土木工程领域应用的不断扩大，其优越性也逐步发挥出来，受到越来越多的关注，因此开展关于CFRP在土木工程中应用的课题十分有必要。土木工程中应用的CFRP产品形式主要有短纤维、片材(纤维布材和板材)、棒材和索材、拉挤型材、缠绕型材、格栅及手糊制品。根据CFRP材料制成的产品形式的不同主要有以下几个方面的应用:①C-乱向短纤维，加入混凝土中，可大大提高混凝土结构的抗裂性、延性和承载力等多种性能;②CFRP片材，用于既有结构加固修补，有大量的工程应用，其技术已基本成熟;③将碳纤维长丝制成棒材，在混凝土中代替钢筋用于新建结构，主要用于海洋工程结构及需电磁波透过的工程结构，国外已有较多研究，并开始应用，也可制成杆件，建造各种空间结构，如网架、网壳以及拱、壳和穹顶等，形成大跨空间建筑结构体系;④将碳纤维加工成束状或绳状形成索材，用于大型土木工程的拉索或悬索结构，该方面应用在锚具连接上尚未能很好地解决，但仍有一定的应用;⑤CFRP拉挤型材，可做成工字形、槽形、管形、箱形等基本型材，形成轻质楼板、桥板;⑦CFRP格栅，可用于补强飞机场跑道、桥面和公路，早在1996年，美国通往加拿大的401#高速公路的数座桥面上采用碳纤维补强。本文主要从以下几个方面综述CFRP材料在土木工程中的应用:CFRP片材在加固混凝土结构和钢结构中的应用研究;CFRP棒材在空间结构中的应用研究;CFRP索材在桥梁结构中的应用研究;CFRP锚固系统的应用研究。

2CFRP片材的应用研究

CFRP片材主要应用在建筑结构加固中，20世纪80年代末至90年代初起源于欧美和日本等发达国家，方法为利用树脂类粘结剂将碳纤维粘贴到结构或构件的表面，形成复合材料，通过碳纤维与构件的协同工作来提高结构和构件的承载力和延性。此技术在90年代得到广泛应用，经过1995年日本阪神地震检验，并在1999年中国台湾省地震后的修补和重建中发挥了重要作用，使人们对这一新技术有了进一步的认识，在国内已经引起重视，并着手研究和开发。

2．1CFRP加固补强混凝土结构

对混凝土工程进行加固，是目前CFRP在土木工程中应用最成熟的技术，关于这方面的研究主要集中在对加固后构件的抗弯、抗剪、抗压抗疲劳等。抗弯加固(图1)就是将碳纤维片材用胶结剂外贴于构件的受拉面与混凝同承受荷载，以提高构件的受弯承载力，达到抗弯加固的目的。目前国内外主要是运用试验和有限元分析的方法分析影响加固性能的因素，并用试验数据和分析数据提出承载力公式，进而改进加固的方法。2000年以来，东南大学、清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学等都对CFRP加固的钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土构件进行了弯曲试验，得到影响加固效果的主要因素有碳纤维布的层数(加固量)、混凝土强度、配筋率、碳纤维布端锚固情况等［1］;另外，岳清瑞、赵国藩和郑国栋等［2，3］还研究了二次应力状态以及既有荷载的存在对加固效果的影响，提出了提高梁底碳纤维布的抗剥离能力的方法［4］。抗剪加固(图2)主要是将碳纤维片材粘贴于构件的剪跨区，利用碳纤维布对混凝土的约束来抑制剪切裂缝的开裂和发展，达到抗剪加固的目的。与抗弯加固类似，抗剪加固的主要研究也主要集中在用试验研究和有限元分析的方法对加固后构件的抗剪承载力提高程度、破坏形式以及影响加固的因素进行研究和分析［5，6］，并针对破坏形式提出了一些解决方案。抗压加固(图3)的研究主要是实验研究，将CFRP片材外贴在钢筋混凝土柱上进行受压试验研究，能提高柱子的承载力和延性［7］。在这些静力性能研究的基础上，很多学者提出了疲劳性能的问题，并针对加固后的钢筋混凝土构件进行了疲劳试验的研究，结果表明，加固后的混凝土构件疲劳寿命提高、疲劳变形减小、抗裂性能提高［8］。近两年，东南大学的袁鑫等［9］对高温环境下的粘贴CFRP板前后的RC箱梁做了疲劳试验研究，得出高温环境下使用的箱梁桥顶板经过CFRP加固后承载力、刚度和疲劳强度都提高了;同济大学的商兴艳［10］通过试验研究了L形外贴纤维片材加固震损的钢筋混凝土框架节点的抗震性能;顾威、李宏男等［11］对加固的受损轴压钢管混凝土进行了试验研究。国外在CFRP加固混凝土结构方面也进行了深入研究，近几年Badawi和Wahab提出一种内嵌式的加固方法，即在混凝土构件表面挖槽，在槽内涂环氧胶，然后粘贴CFRP材料(图4)，并对这种加固的构件进行了抗弯、抗剪和抗疲劳试验研究［12-14］，加固效果比外贴方式好。图4内嵌式加固方法Fig．4StrengthwithNSMCFRPproduct

2．2加固钢结构

在土木工程中，钢结构的损伤具有局部性和多发性等特点，且不可能立即退役。采用传统的焊接和用螺栓、铆钉连接加钢板的加固方法存在焊接残余应力、削弱截面等很多弊端。采用碳纤维布进行加固补强，可手工完成，具有良好的耐腐蚀性，不会出现钢板加固后的锈蚀现象。CFRP加固修护钢结构就应运而生，但是它起步晚，其研究和应用均处于初始阶段，主要是进行数值模拟和数值分析，试验研究很少。在梁的受拉面粘贴CFRP片材，提高其抗弯承载力和抗弯刚度;在梁的腹板粘贴CFRP片材，提高其抗剪承载力;对疲劳损伤钢结构进行加固，提高剩余疲劳寿命;CFRP布环向缠绕钢管柱，避免钢管的局部失稳，提高柱的抗压承载能力;对钢结构节点的加固以及结构耐久性加固等。由于疲劳是钢结构损坏的主要原因之一，清华大学的郑云、叶列平［15］对CFRP加固的含中央疲劳损伤裂纹的钢板进行了理论分析，计算得出其剩余疲劳寿命得到显著提高。张宁等［16］通过试验研究分析得出拉应力状态下碳纤维布加固钢结构K形焊缝，可改善钢构件的疲劳性能，延长钢结构疲劳构件的使用寿命。对预应力CFRP板加固钢板的受拉疲劳试验研究［17］，分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响，试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上。CFRP加固钢结构的破坏形式仍然是以粘结层的剥离破坏为主，是影响CFRP加固钢结构性能的重要因素，碳纤维布与钢结构之间的粘结性能直接影响加固效果。根据试验结果，在粘结端部，界面剪应力最大，随粘贴长度的增大，界面传递的剪应力减小，碳纤维复合材料受到的正应力增大，承载力也逐渐提高，但当粘结长度增大到一定值时，只是胶层弹性长度增大，承载力不再提高。岳清瑞、彭福明等通过静力拉伸试验(粘结材料选用双组份环氧类粘结剂)对碳纤维布与钢结构之间的粘结应力进行了分析，最后得到了碳纤维布加固钢结构时的有效粘结长度为80mm～100mm。碳纤维与钢构件之间的粘接性能是碳纤维加固修复钢结构研究领域的一个重要课题，但是加固钢结构胶粘剂材料的研究较少，成为制约这项技术应用的主要问题，应加强这方面的研究;碳纤维布端部存在严重的应力集中，锚固显得异常重要，尤其是在碳纤维布的端部，这个问题也应该深入研究。

3CFRP管材及其组合构件的应用研究

结构的自重限制空间结构向超大跨度发展，轻质高强的纤维复合材料的出现为解决这一问题提供了有效的途径，CFRP材料在加固现有结构中的良好表现，使人们认可了其高强、轻质、耐腐蚀的性能，研究能否将CFRP制成杆件用于空间结构中，以跨越更大的跨度，具有重要的意义。2004年清华大学的钱鹏等［19］以日本Toray-TT00SC碳纤纱作为原材料，用铝合金制作连接件，采用卷带成型法制成了CFRP圆管。对CFRP杆件轴向进行了受力试验，采用ANSYS软件对杆件的进行了分析计算，得出CFRP管的破坏形式。CFRP材料的各向异性使纯CFRP杆件以节点连接破坏为主，不能充分发挥材料的优点，且破坏具有脆性特征。2006年蒋燕等又提出了CFRP-铝合金组合杆件［16］(由铝合金管外包CFRP布制作而成)，对其进行了拉伸试验研究、轴心受压稳定试验研究和弯曲试验研究，试验表明:组合管的破坏模式与铝合金管的破坏模式较为接近;组合构件的弹性阶段抗弯刚度和极限承载力比纯铝构件大大提高。根据试验研究和理论分析得到了轴心受压承载力计算公式和组合管局部屈曲承载力计算公式，并提出了组合构件抗弯刚度的计算方法，建议了组合长管轴压稳定承载力的计算方法。基于这些杆件性能的基本研究，钱鹏等将CFRP-铝合金组合杆件用于Keiwitt网壳和网架中［21］，运用有限元的方法建立了网架和网壳的模型进行了分析，得出组合管网壳的承载力和刚度比铝合金网壳高，对几何缺陷和非对称荷载的敏感性都比较小，且自重比较小。国内外很多学者都认为CFRP-铝合金组合管发展潜力巨大。从经济上看，CFRP-铝合金组合管比铝合金管要贵，但是长期经济效果要优于铝合金管，因此经济效益较好。铝合金的无磁性和不与CFRP材料发生电化学反应的性质也让其代替钢材成为这一组合管的首选材料。2009年哈尔滨工业大学的张亮泉等［22］以T700SC-12K碳纤维(日本东丽公司)和环氧树脂为材料和基体，采用纤维缠绕成型工艺，正交对称铺设CFRP铺层，设计了不同尺寸的CFRP圆管，并进行了压缩和拉伸试验，采用有限元软件ABAQUS考虑单层纤维受拉断裂、受压屈曲和扭折、在横向拉力和剪力作用下基体开裂以及在横向压力和剪力作用下基体破碎，对CFRP圆管的破坏进行数值模拟分析，结果与试验所得数据总体吻合较好。得出受压破坏以纤维受压后扭折致使纤维折断和基体开裂为主要破坏模式，受拉破坏以纤维拉断为主要破坏模式。这种CFRP管的性能如表1所示。张亮泉和欧进萍［23］提出用上述方法制成的CFRP圆管建立平板网架结构，并对它们进行了有限元分析(分析中均假设节点具有足够的强度和刚度不发生破坏，网架结构的破坏发生于杆件上)，得到随着跨度的增加，CFRP网架的竖向位移明显小于钢网架，跨度越大越明显，CFRP网架的跨越能力可提高30%;CFRP网架抗震性能优于钢网架。用Pushover分析方法分析CFRP网架失效模式得出，要充分发挥CFRP网架材料的高强度优势，关键因素是提高支座的变形能力。上述所有的分析都是建立在节点具有足够的强度和刚度不发生破坏的假设条件上，但是CFRP杆件之间的连接一直是制约其发展的关键因素。2012年张亮泉［24］提出了一种由CFRP管材为受力主体，钢板为端部支撑的新型组合构件(图5)。在构成空间结构时，构件之间仍然可以采用焊接节点和螺栓球节点，很好地解决了杆件之间的连接问题。采用数值分析的方法研究其受压性能，其抗压承载力有很大的离散型，需要后期具体的模型试验才能确定其准确的抗压性能。

4CFRP索材的应用研究

碳纤维增强聚合物(CFRP)筋材具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳性能好等优点，已在桥梁工程中得到应用，成为大跨度桥梁拉索的理想材料。因为CFRP索只受拉力且为纯CFRP材料成型，因此可以最大程度的发挥CFRP材料的力学性能。目前CFRP索主要应用在桥梁结构中，国内外有很多已经建成的CFRP拉索斜拉桥，如表2所示。东南大学Rc＆Pc结构教育部重点实验室联合相关单位完成了国内第1座CFRP拉索斜拉桥(江苏大学人行桥)的设计与建造，该桥全部拉索均采用CFRP材料。长安大学的梅葵花、东南大学的吕志涛［25］采用解析法分析了CFRP斜拉索的静力特性，发现CFRP拉索的垂度只有钢索的1/5，使得拉索倾角和允许应力相等时CFRP拉索的极限长度是钢索的5倍有余，拉索长度相同时CFRP索的承载效率比钢索高得多;随着跨度的增大，钢拉索承受外荷载的能力急剧下降，而CFRP拉索承受外荷载的比重仍非常高。梅葵花推导了斜拉索设计时待求参数的精确计算公式，并从精确解析式中直接得出忽略拉索弹性伸长的近似解;建立了CFRP拉索的非线性参数振动模型，采用数值分析的方法，分析了各种因素对拉索在参数振动特性的影响，得出拉索振动的拍频、幅值与拉索静拉力、激励幅值以及阻尼等有关，且在参数振动发生机率、参数振动响应以及抑制参数振动难易程度上，CFRP拉索优于钢拉索。鉴于上述CFRP拉索相对于钢拉索的优势，其在桥梁结构中的应用研究越来越多，目前主要集中在CFRP斜拉桥和CFRP缆索悬索桥的研究。东南大学土木系通过具体的算例分析了1000m级斜拉桥的几何非线性影响量，并计算了其在温度荷载下的静力反应;采用有限元法对比分析了CFRP索斜拉桥和钢索斜拉桥的主要动力特性，提出了若干优化CFRP斜拉桥的理论依据。东南大学的吕志涛主持了国内首座CFRP索桥(江苏大学人行桥)的设计和应用研究［27］，研制了黏结型CFRP拉索锚具，并对其进行了有限元分析和试验研究;研究了CFRP拉索的制作和安装工艺并提出了拉索的张拉方案。江苏大学的周士金等［28］对以苏通长江公路大桥为参考对象，建立斜拉桥的有限元动力模型，并采用等轴向刚度准则将钢索替换为CFRP索，与钢索斜拉桥在同一地震波作用下的地震响应差异和抗震性能，得到CFRP索斜拉桥的位移和内力地震响应值较小，在抗震性能方面具备一定的优势;对首座CFRP索斜拉桥进行了有限元分析和荷载试验、动态试验，为CFRP索桥梁的动态建模、动态特性分析、抗震抗风设计及CFRP新型缆索材料在桥梁工程中的进一步推广应用提供一定的参考依据。2006年郑宏宇等［29］提出将CFRP索用在悬索桥中，并分析了CFRP拉索体系悬索桥的优势、可行性以及推广和应用所面临的问题。2011年东南大学的马文刚等［30］采用有限元建模的方法对钢缆锁悬索桥和CFRP缆索悬索桥分别进行了恒载、活载、温度作用的对比分析计算，得出CFRP缆索悬索桥在恒载作用下的内力和温度作用下变形比钢缆锁小，但是由于刚度较小，在活荷载作用下竖向变形比钢缆索桥大7%;2012年同济大学的李扬［31］基于分段悬链线法和通用有限元程序也对钢缆锁悬索桥和CFRP缆索悬索桥的静力性能进行了对比研究，得到了同样的结论，且进一步对CFRP缆索悬索桥的刚度进行了参数分析，考虑的设计参数包括桥跨布置方式、矢跨比、边中跨比、主梁抗弯惯矩、桥塔抗弯惯矩和中央扣，提出了改善结构刚度设计的建议。CFRP索比重小、刚度小，其抗风性能尤为重要，同济大学的李扬和肖汝成［32］用非线性有限元计算方法，对主跨2000m～5000m的钢缆索和CFRP缆索悬索桥的抗风性能进行了对比分析，得到其抗风性能确实比较差，必须采取相应的改善措施。针对锚固困难、CFRP索造价高，用在斜拉桥中整体刚度低等问题，同济大学的熊文和肖汝诚［33］提出CFRP与钢组合截面斜拉索和CFRP与钢组合结构斜拉索两种方案，前者是将CFRP与钢形成组合截面斜拉索(图6)，后者是将CFRP斜拉索与钢斜拉索分别应用于同一桥梁不同跨度区域，在保证两种斜拉索良好力学性能的同时优化了经济性能。综上所述，CFRP材料作为超长跨度斜拉桥的拉索材料与传统的钢拉索相比有很多优势:强度大;相同条件下，CFRP拉索的承载效率比钢拉索高得多;CFRP拉索的比重小，减轻基础施工的难度。但作为一种新型材料，在使用上也存在一些问题，CFRP的抗剪性能较差，导致CFRP索有折点时脆断，且CFRP拉索的锚固非常困难，需要设计一种专门的锚具来解决这个问题。

5CFRP锚固系统的应用研究

由于CFRP筋的横向抗剪强度较低，常常发生横向剪切破坏，导致无论是用作受压构件的CFRP棒材还是用作受拉构件的CFRP索材都难以采用传统的连接方式和锚固方式对其进行连接和锚固，CFRP筋锚固体系的研发成为能否将CFRP材料应用于实际工程的关键。因此，近几年关于CFRP筋锚具的研究和开发方面有不少研究。目前，国内外研究的适用于CFRP筋(索)的主要锚具形式有粘结型、夹片型和复合型(夹片-粘结型)3种，粘结性锚具是其中性能比较稳定，性能比较好也是已经应用到工程中的锚固形式。

5．1粘结型锚具

粘结型锚具由套筒、螺母、端堵和封盖组成，其中端堵和封盖上设有相对应的定位孔，以使筋材相互间隔一定的距离并保持平行，典型的失效形式有两种:CFRP筋破坏和CFRP筋从锚具中被拔出。后一种破坏应该通过增强锚具的粘结性能避免，影响锚具粘结性能的主要因素有锚具形式、粘结长度、填充材料等。国内首座CFRP索斜拉桥采用的就是粘结型锚具，针对此锚具东南大学的吕志涛、梅葵花和江苏大学的刘荣桂等都进行了试验研究［34］，对采用树脂封装和微膨胀水泥封装的直筒式和直筒加内锥式锚具进行了静载试验，对CFRP筋在不同的粘结长度、不同锚具形式以及不同的填充材料等情况下的拔出荷载进行试验对比，得到了这些锚具的荷载-滑移曲线。梅葵花提出了一种直筒式粘结型锚具的粘结应力的分布模型，采用解析法分析了其极限承载力，采用有限元法分析了内锥式和直筒+内锥式锚具在其使用荷载下的受力性能。2006年同济大学的薛伟辰和王晓辉［35］，通过48个拉拔试件对CFRP绞线筋与不同环境介质之间的粘结性能进行了较为系统的试验研究，并与钢绞线进行了比较。湖南大学的方志、蒋田勇和同济大学的梁栋［36］，通过静载试验研究了不同表面形状和锚固长度的CFRP筋在超高性能混凝土RPC、环氧铁砂、环氧石英砂和普通混凝土等四种不同粘结介质中的受力锚固特征，得出CFRP筋的表面形状显著影响其锚固性能，在其他条件相同时RPC对CFRP筋的锚固性能最好，并进一步对其在RPC中的锚固性能进行了详细的试验研究，开发了一种以活性粉末(RPC)作为粘结介质的粘结式锚具，并对其进行了静载试验和疲劳试验，得出CFRP筋的表面形状对以RPC作为粘结介质的粘结式锚具的锚固性能有着决定性影响，建立了平均粘结强度、平均粘结强度对应的滑移量、临界锚固长度以及粘结滑移本构模型等计算式，试验表明该锚具具有良好的抗疲劳性能。西安交通大学的侯苏伟等［37］在大量试验研究和前人研究成果的基础上，改进传统的内锥型锚具，提出了一种以环氧树脂为粘结介质的新型内锥式锚具，并对其进行了静载试验和疲劳试验，证明新形粘结型锚具具有100%的锚固效率系数，且能安全通过疲劳试验。

5．2夹片型锚具

夹片型锚具由传统钢绞线锚具发展而来，主要由锚环、夹片、软金属管、CFRP筋等部分组成，由于CFRP筋的抗剪性能差，传统夹片型锚具“切口效应”明显，在受荷端易发生夹断破坏，应做如下改进:夹片与筋材间增设软金属管，夹片与锚环间设置角度差，减小夹片倾角。夹片型锚具结构相对简单、组装方便，便于工程现场安装。但滑移量较大，易产生应力集中，锚固效率较低。东南大学的丁汉山等［38］设计了一种单孔夹片式锚具，用来锚固单股CFRP筋并进行了试验研究，试验中典型的锚具失效模式有两种，一种为碳筋在有效张拉长度范围内拉断，另一种是碳筋在锚固区域被夹片剪断，是应避免的破坏模式。得出了锚固长度、夹片与锚环之间的交角等对锚具锚固性能的影响。湖南大学的蒋田勇和方志也对传统的夹片式锚具进行了改进，改进后的夹片式锚具由凹齿曲面的夹片、锚杯、塑料薄膜以及薄壁铝套管等组成，对不同锚杯倾角、预紧力、塑料薄膜、凹齿间距和深度以及铝片厚度的锚具进行了静力试验研究［39］，试验过程中试验试件的破坏形式有滑移破坏、夹断破坏和拉断破坏;对不同锚杯长度和锚杯内壁倾角的夹片式锚具进行了疲劳性能试验研究，得出该类锚具具有良好的动力抗疲劳性能，锚杯内壁倾角一定时，锚杯长度越大，锚具组装件的疲劳性能越好。西南交通大学的诸葛萍、侯苏伟、强士中研制了CFRP筋夹片式锚具，它由锚杯、4片夹片和金属套管组成，对不同齿距的夹片、不同材质和壁厚的套管以及不同的预紧力进行了正交试验［40］，以考察不同参数对CFRP筋夹片式锚具综合锚固性能的影响，提出的CFRP筋夹片式锚具理论计算，锚具性能稳定，锚固效率系数高，抗滑移安全系数高，CFRP筋滑移量小，适用于锚固高强的CFRP筋。由于影响夹片式锚具的参数很多，而且相互之间是相互制约、相互影响，所以更优的参数组合还有待于进行更深入的研究与分析。

5．3复合型锚具

由于粘结型锚具和夹片式锚具在应用到CFRP中有各自的局限性，研究的方向逐渐转向复合型锚具的研发和研究，目前国内对这方面的研究较少，只有湖南大学的蒋田勇、方志和北京工业大学的詹界东、杜修力做了一些试验研究。蒋田勇和方志［41］提出了复合式锚具，由楔紧锚固端和黏结锚固端组成，其中，楔紧锚固端包括锚杯、带有凹齿的夹片、铝套管以及塑料薄膜，粘结锚固端包括钢套筒和黏结介质活性粉末混凝土RPC，并对此锚具进行了静载试验，研究了锚杯长度、钢套筒长度、夹片预紧力、筋材预张拉力等试验参数对复合式锚具锚固性能的影响。北京工业大学的詹界东等［42］也提出了一种夹片—粘结型复合式锚具，并进行了静载试验和动载试验，验证了其良好的锚固性能。目前，对于锚固系统的研究，主要是通过改变形式、尺寸、粘结材料和锚固长度来设计锚具的形式，通过有限元分析和试验研究来获得具体锚固形式的最终锚固性能，对于锚固系统的锚固机理和内部荷载传递机制研究不深入，而且锚固系统尺寸和重量较大，是阻碍CFRP索(筋)广泛应用的主要因素。

6结论