时间：2022-12-19 11:28:04
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇土木工程论文论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：土木工程概论 教学 工程美学教育
前言
为了配合教育部对本科土木工程专业课程设置的要求，土木工程专业在第一学期开设《土木工程（专业）概论》课，旨在对土木工程专业的新生进行专业启蒙教育。几年来，土木工程专业由单一的建筑工程正向着更广泛的“大土木”工程方向发展，如何适应更高层次上的“大土木”工程的教学要求，需要进一步整合与扩展《土木工程概论》课程的教学内容，并积极改进教学方法与手段来提高教学效果，我们进行了不断地探索与实践。
1.在“大土木”工程基础上构建合理的教学体系与教学内容
土木工程是建造各类工程设施的科学、技术和工程的总称，包涵的范围非常广泛，如建筑工程、铁路工程、道路工程、桥梁工程、地下工程、海洋工程、水利工程、港口、码头工程、环境工程等。在这一“大土木”工程范畴内，应构建更宽泛的知识结构体系。经过精心筛选，结合本校土木工程专业的特点，对教学内容进行了适当整合与扩展，形成了简明、实用、合理的教学内容。主要有：土木工程专业概述、土木工程的内涵与发展历史、土木工程中的材料、土木工程的力学与结构概念、各类土木工程概述、土木工程中的灾害、木工程的展望、土木工程专业的教学安排与学习方法。这些教学内容安排由浅入深，逐步引导学生全面了解土木工程的类型及其各类工程领域的基本内容和发展情况，初步具备土木工程建设的基本知识；使学生清楚自己所学专业的人才培养目标、课程设置与进程安排，明确教学要求与努力方向，建立理论与实践相结合的学习理念，为学生今后积极主动地学好本专业课程打下良好的基础。
2.注重对学生工程意识与专业素质的培养
土木工程的综合性、实践性比较强，要求工程技术人员要具有很强的工程意识和专业技能。专业技能有待于日后不断学习与实践训练得到充实，而工程意识的养成非一朝一夕之功，它是集专业知识、技能、经验、甚至是教训的不断积累而逐渐形成的综合素质。在现阶段，学生还没有积累足够的专业知识与技能，主要是使学生建立完整的工程概念并从专业角度理性分析问题的意识。例如：在讨论房屋工程的建设过程时，介绍它包括规划、审批、勘察、设计（建筑、结构和设备）、施工、验收、交付使用等阶段，使学生清楚工程建设的过程是各部门、多工种全面协调合作的过程，牵一发而动全身，从而建立统筹整体、协同工作的大局意识。工程意识的培养关键在于教学过程中不能照本宣科，而要理论联系实际，灌输实际工程具有系统性和完整性的思想，使学生对土木工程有一个感性认识，形成一个完整的工程概念，树立专业的思维方式，为工程意识逐渐形成日后的自觉行为打下坚实的基础。
3.适当引入工程美学教育，突出“美学育人”的功能
当今中国理工科高等教育中美学教育缺失现象比较严重，人们一提到土木工程，就认为是“土”和“木”的简单结合，仿佛我们培养的就是“又土又木”的工匠；土木工程冰冷、死板的外表使人们似乎处于钢筋水泥的“丛林”中，缺少艺术气息。其实，土木工程既是物质产品也是艺术品；工程技术的实践过程也是艺术的创作过程，所以，在授课过程中应适当引入工程的美学教育。通过史诗般的土木工程发展史、大量丰富的世界著名建筑典范、千姿百态的桥梁工程、功绩卓越的建筑大师与桥梁专家的不凡人生来激荡学生的心灵，激发学生对本专业的热爱及对美好未来的憧憬；这些静止的建筑与桥梁工程犹如凝固的音乐，与人文历史相结合，增加工程教育的“文化”内涵，突出“美学育人”的功能，学生从中既领略了工程博大精深的艺术内涵，又树立了实用与审美、技术与艺术结合的工程设计理念。
4.改进教学方法与手段是提高教学效果的关键
《土木工程概论》课的内容繁杂，涉及面广，图片丰富，叙述性强，如果以课堂灌输的方式教学，不仅教师讲的口干舌燥，而且学生听得枯燥乏味，为了提高教学效果，关键是要采取灵活多样的教学方法与手段。
4.1 利用多媒体教学
以多媒体为载体，通过丰富的图片、视频和动画等素材实现理论知识与工程实际的结合，使学生对土木工程的知识结构、应用领域和发展动态能够有比较清晰的了解和感知。制作与教学内容相符的教学课件，通过大量直观明了的图像配合抽象内容的叙述，并结合参观进行现场教学，如充分利用校内实践教学基地（如土木工程模型室、材料样品室、施工工艺操作实践教学基地等）；或者通过参观校园内的现有建筑及建筑工地现场等进行现场教学，使学生的工程意识得到极大提高。其次，可观看与土木工程有关的DVD录像片，欣赏优雅闻名的悉尼歌剧院、令人惊叹的埃及金字塔、气势恢宏的故宫建筑群、雄伟壮观的万里长城、融合最前沿技术的奥运场馆（鸟巢、水立方）等，这些古今中外优秀的工程范例深深吸引着学生，激励学生为之奋斗，既对学生进行了工程美学教育，也增强了学生的学习动力与社会责任感。
4.2 结合问题式教学，使学生养成查阅文献的学习习惯
“填鸭式”的课堂教学使师生间缺少必要的互动与学生的独立思考，况且学时有限，学习知识光靠老师课堂传授是远远不够的，采用问题式教学可启发学生深入思考。如古代土木工程离我们较远，讲起来比较抽象、乏味，若提问：山西应县木塔为何历经多次大地震仍完好无损？埃及金字塔在历史上有什么作用？古人是怎样开采如此巨型石材的？又如何建造高程如此精确的工程的？这些问题既活跃了课堂气氛，又能激发学生的学习兴趣。教师也可留些问题让学生课后解决，如在“土木工程中的灾害”之“地震”一节中，在讲解地震发生的原因、危害及抗震防震的方针及措施等问题后，联系1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，1976年唐山大地震，再让学生回去查阅5.12四川汶川地震的发生原因、强度等级、危害范围、社会影响（包括心理方面）等文献，并思考今后如何防震减灾，作为工程技术人员应肩负起哪些社会责任等。学生通过查阅资料将课本知识融会贯通，学会汲取前人或他人的知识，提升理性的思维能力；并通过撰写读书报告或总结报告，训练学生写作的能力，为今后书写摘要、论文、报告等文章奠定写作基础，养成遇到问题查阅文献的学习习惯。
5.结语
总之，《土木工程概论》课的内容十分庞杂，而实践性、综合性又强，需要在“大土木”工程要求的基础上建立合理的教学体系和教学内容，引入工程美学教育，通过现场教学和参观等实践环节，采取灵活多样的教学方法与手段，激发学生浓厚的学习兴趣，使学生形成完整的工程脉络，具备初步的专业知识，引导学生顺利迈进专业的大门。
注：本文作者宿晓萍为在读博士。
课题项目：本谭题得到吉林省重点学科建设项目支持，吉林省重点实验室建设项目支持。
参考文献：
3年半的留学生活简单而又充实，通过导师的指导和自己的不懈努力，在博士留学期间，所获得的成果已形成英文论文十数篇发表于国际知名杂志及国际会议，成果得到了领域内专家学者的一致认可。
因为我的导师三田彰教授在到庆应义塾大学工作之前曾在日本的清水建设株式会社作为研究人员工作了很长的时间，所以我们研究室跟清水建设一直有着很多的合作，这样也就使我有机会到清水建设的研究部门进行一些相关研究。
在接触他们的研究之前，我的观念还一直停留在土木工程师的主要责任是保证结构的安全，但是他们在做的已经从简单地追求结构的安全可靠发展到了追求建筑与人融为一体的体验。比如智能建筑，所有的建筑功能都由传感器和机器人通过物联网实现互联，例如哪个位置有人活动，哪个位置就自动提供照明和空调。如果要开会，你只要到达指定的会议区域，相应的桌椅等会议设施会自动展开，会议结束之后所有的物品自动收起。所有的这一切都不是通过人的指令来完成，而完全是通过智能的传感器和机器人自动来实现的。
他们另外一个研究重点就是绿色建筑。建筑的能耗在与人相关的所有能耗中是最大的，所以建造绿色建筑就成了最切合实际的选择。近些年，包括美国、日本在内的很多国家都在着力发展绿色建筑，而我的研究方向恰恰是绿色建筑和智能建筑的结合点，即结构的实时智能监测技术。该项技术如果能在实际建筑中得到应用，现在大家普遍担心的结构安全问题就都可以由某一个大型的技术服务中心提供智能、及时的监控与预警，配合智能建筑中的传感器及机器人技术，在平时可以为建筑的节能减排提供一个神经中枢一样的支持，而在灾害来临之时可以通过智能引导人们疏散，以及实时评估结构状态而极大地减少人员及财产损失。
2012年底，我开始思考未来的就业方向。留在日本，清水建设株式会社提供了与智能建筑和绿色建筑相关的研究岗位，年收入起薪也达到800-1000万日元左右。如果选择回国，由于两地不同的薪酬制度，收入下降是确定无疑的。但是我是一个中国人，有一颗中国心，虽然选择留学日本是我一直以来的追求，但绝不是因为这里舒适的生活环境和优厚的待遇，而是因为我在国内的研究领域是结构工程的防灾与减灾，在同济大学读研期间主要从事的是结构工程的振动控制等，而日本是地震多发国家，其工程抗震学科的发展在世界上处于领先地位。出国前的理想就是能学成归国，用我所学报效我的祖国。而智能建筑与绿色建筑的研究作为新兴的研究领域，在我国才刚刚兴起，距离国际领先水平还有很大的距离。能为中国在这两个领域的研究中贡献一点自己的力量也是我所期待的。
恰在此时，在参观大型展览《复兴之路》时的讲话更加坚定了我回国的想法，也让我迅速地投入到回国的准备当中，当时的想法就是回到祖国，报效祖国，为实现中国梦贡献自己的一份微薄的力量。
虽然回国的想法已经定下来了，但是落实到找工作却是一项繁琐而又具体的事情，陆陆续续向国内的一些单位投出了自己的简历，也参加了几家单位的面试，但是并没有找到一个真正称心如意的。一方面作为一个刚刚兴起的研究领域，智能建筑和绿色建筑在国内的研究开展范围还较小，绝大多数科研院所并没有对这两个领域进行研发的意识和动作。另外作为一名土木工程专业的博士生，我始终摆脱不了的是工程情节，时刻想着能和自己将来的同事们一起解决工程中实际遇到的问题，能将自己的研究成果应用到实际工程中去。
在寻找工作的过程中，上海建工集团走进了我的视野。我了解到，上海建工集团正在原国家级企业技术中心的基础上筹备成立工程研究总院，特别是上海建工已经意识到绿色建筑的重要性，于2012年6月成立了专门的研究机构——绿色建造研究所，专门从事绿色建造相关研究工作。
我联系了上海建工集团，集团的总工程师、工程研究总院院长龚剑教授亲自面试了我，详细地向我说明了工程研究总院的目标、职能以及架构等问题，同时也表示工程研究总院非常欢迎留学归国人员的加入。
龚总务实的工作态度和对工程技术的创新理念给我留下了深刻的印象，经过慎重考虑，我决定加入上海建工集团工程研究总院，来实现我的事业规划和职业理想。就在这时，我接到了国家留学基金委关于我获得2012年度“国家优秀自费留学生奖学金”的通知，祖国的关心与认可让我更加坚信我的选择是正确的。
确定了工作单位，关于未来具体的研究方向，我也进行了慎重的思考，原有的工程技术创新主要还是集中于在工程建造的过程中对施工技术方式方法的创新，但是建筑作为一个与人们的生活息息相关的主体，其本身也是有生命力的。我们的关注点不应该仅仅局限在建筑的某一个阶段，而应该将建筑的整个使用周期看作是一个完整而有生命力的整体，建筑在整个生命周期中的可持续发展才是我们所要追求的。
具体来说，在建筑的规划、设计、建造及后期使用和管理中我们都要遵循以人为本的原则，这个“人”不但包括建筑现阶段的使用者，也包括我们的子孙后代。现有建筑要在整个生命周期中为我们现阶段的使用者提供安全舒适的生活、工作空间，也要通过建筑生命周期各阶段的节能措施为后来人留下足够的可持续发展的空间和资源。
关键词城市设计硕士；专业学位；必要性；可行性
1概述
为适应我国新时期国家建设对于城市设计专业人才的迫切需求，完善人才培养体系，丰富人才培养类型，提高人才培养质量，建议依托建筑学一级学科，针对已经获得建筑学学士或建筑学硕士专业学位的建筑从业人员，设置城市设计硕士专业学位。
2必要性
首先，设置城市设计硕士专业学位是积极响应国家建设亟须和研究生教育改革精神的具体体现。2012年，党的十提出建设“美丽中国”的发展目标。2015年12月，时隔37年的中央城市工作会议在北京举行。会议报告中提出，要加强城市设计，提倡城市修补，加强控制性详细规划的公开性和强制性。要加强对城市的空间立体性、平面协调性、风貌整体性、文脉延续性等方面的规划和管控，留住城市特有的地域环境、文化特色、建筑风格等“基因”。会议报告中还提出，要全面开展城市设计，完善新时期建筑方针，科学谋划城市“成长坐标”。目前，我国共有39种硕士专业学位，其中包括建筑学硕士（1993年设置）、风景园林硕士（2008年设置）、城市规划硕士（2010年设置）3个人居环境科学领域的硕士专业学位。设置城市设计硕士专业学位可以依托建筑学一级学科下的“城市设计及其理论”二级方向。这已经成为国家建设中刻不容缓的需求。其次，设置城市设计硕士专业学位有助于大力培养具有城市设计意识和水平的专业人才。今天，中国的城乡建设对城市设计人才的需求越来越大。设置城市设计硕士专业学位（非全日制和全日制）已成为当务之急。这样的专业学位设置方式也与世界上大部分建筑院校建筑系中设置的、作为非评估类第二硕士学位的城市设计硕士专业学位接轨。目前，在职职业建筑师获得硕士学位大多以建筑与土木工程领域的工程硕士专业学位（非全日制）为途径。这样的方式部分满足了行业需求。但是，由于工程硕士学位设置的专业针对性不强，无法满足培养城市设计专业人才的需求。设置城市设计硕士专业学位可以通过授予非全日制城市设计硕士专业学位的方式，大幅度提升获得建筑学学士专业学位在职建筑师的学位层次，在较短时间内输送国家建设所急需的城市设计专业人才。而针对已获得建筑学硕士专业学位的职业建筑师，也可以将城市设计硕士专业学位（非全日制）作为其第二专业硕士学位。事实上，不少已获得国内建筑学硕士专业学位的毕业生选择了去国外攻读城市设计硕士专业学位。针对获得建筑学学士专业学位的应届毕业生，可以通过设置城市设计硕士专业学位（全日制），系统地培养应届毕业生成为职业建筑师中的城市设计专业人才。最后，设置城市设计硕士专业学位可以彻底解决我国建筑学专业学位重复颁发的问题。我国在学士层次上设置的专业学位仅有一个，即建筑学学士。大部分立志成为职业建筑师的建筑学专业学生在获得建筑学学士学位后，如果希望获得更高层次的学位，只能选择继续攻读建筑学硕士专业学位。随着建筑学专业教育评估工作的持续开展，越来越多的建筑院校获得了建筑学本科和建筑学硕士的专业学位授予资格。这意味着，越来越多的毕业生同时获得建筑学学士和建筑学硕士两个专业学位。这部分毕业生既包括连续攻读本科和硕士的学生，也包括在本科毕业一段时间后再攻读硕士学位的学生。这是学位资源浪费的一种表现。近年来，部分建筑院校免试推荐硕士研究生的名额增加，使得毕业生在同一所建筑院校获得建筑学学士和建筑学硕士两个专业学位的现象越来越普遍，专业学位重复颁发，造成学位资源浪费的状况日趋严重。因此，设置城市设计硕士专业学位，可以丰富硕士学位类型设置，彻底解决建筑学专业学位重复颁发问题。
3可行性
首先，我国建筑院校已拥有充足的师资力量，可以开展城市设计硕士专业学位的人才培养工作。目前，我国建筑院校从事城市设计课程教学的教师呈逐年增长的态势。他们在城市设计教学、研究以及设计实践等方面取得了丰硕成果，积累了指导建筑学硕士研究生进行城市设计理论和设计方法研究的丰富经验。在通过建筑学硕士专业教育评估的38所建筑院校中，特别在具有博士学位授予权的建筑院校中，相当一部分建筑学专业硕士研究生导师的研究领域属于城市设计范畴或与城市设计相关联。这为设置城市设计硕士专业学位提供了充足的师资保障。其次，我国建筑院校已开设大量城市设计相关专业课程。今天，我国大部分建筑院校特别是通过评估的建筑院校已将城市设计课程作为硕士研究生的必修课程。城市设计引论、城市设计理论与方法等课程成为建筑学硕士培养方案中不可缺少的必修环节。2009年全日制专业型硕士研究生培养模式推行以来，在贯穿整个培养过程的设计课程中，城市设计课程更是其中的必要环节。可以认为，已开设的大量城市设计专业课程，为设置城市设计硕士专业学位奠定了基础。最后，我国建筑设计行业已拥有成熟的实践基地，可以提供城市设计硕士专业学位人才培养所要求的实习培养环节。我国的专业学位设置对实践基地有着明确要求。在过去的几十年中，越来越多的建筑设计领域的设计院、境内外建筑事务所等设计机构将学生的设计实践作为其发展的重要平台，形成了一大批既具有丰富工程设计经验，又掌握教学规律的高水平建筑师。特别是2009年全日制专业型硕士研究生培养模式推行以来，体制化的设计实践基地快速成长。这为设置城市设计硕士专业学位搭建了实践平台。在新时期，设置城市设计硕士专业学位，既是积极响应国家建设亟须和研究生教育改革精神的直接体现，又具备很强的可操作性。通过这一专业学位的设立，建筑院校可以和行业共同协作，大力培养城市设计专业人才，为提升我国城市设计专业水平奠定坚实的基础。
4附录
4.1城市设计硕士专业学位设置方案（草案）
（1）为适应我国新时期国家建设对于城市设计专业人才的迫切需求，完善人才培养体系，创新人才培养类型，提高人才培养质量，依托建筑学一级学科，针对已经获得建筑学学士或建筑学硕士专业学位的建筑从业人员，设置城市设计硕士专业学位。（2）城市设计硕士专业学位英文名称为MasterofUrbanDesigninArchitecture，简称MUDA。（3）城市设计硕士专业学位的培养目标是：培养具备良好的政治思想素质和职业道德素养，掌握城市设计的理论、方法和技术，熟悉相关学科的理论和知识，能够胜任城市设计相关行业工作的高层次、应用型专门人才。（4）城市设计硕士专业学位的招生对象，一般为建筑学学士学位获得者，或已获得建筑学硕士专业学位的职业建筑师。城市设计硕士专业学位学制为2年，分为全日制和非全日制两种培养模式。（5）城市设计硕士的课程设置要充分反映城市设计实践领域对专门人才知识与素质的要求，注重以城市设计的思路、理论和方法创造性地解决实际问题能力的培养。课程体系应体现整体性、综合性、实用性和一定的前瞻性，应以设计课程为重点，贯穿整个培养过程。（6）城市设计硕士的培养过程须突出城市设计实践导向，增加实践教学。研究生进行城市设计实习的时间不少于半年。（7）城市设计硕士专任教师须具有较强的专业实践能力和教育教学水平。重视吸收来自城市设计实践领域的专业人员承担专业课程教学，构建多样化的师资结构。城市设计硕士专业学位指导教师宜由建筑院校教师和设计机构实践基地的建筑师担任。（8）城市设计硕士专业学位论文（设计）选题应与城市设计实践紧密结合。学位论文（设计）应有一定前瞻性、难度及必要的工作量，其形式可以为城市设计理论研究或城市设计专题。学位论文（设计）必须由攻读城市设计硕士专业学位者独立完成，能体现其综合应用城市设计理论和方法解决实际问题的能力。（9）城市设计硕士专业学位论文（设计）评阅人和答辩委员会成员中，均需有城市设计实践领域具有高级专业技术职务的专家。（10）修满规定学分、完成城市设计实习并通过论文（设计）答辩者，由国家批准的研究生培养单位授予城市设计硕士专业学位。（11）根据2015年7月国务院学位委员会、教育部印发关于《学位证书和学位授予信息管理办法》的通知，城市设计硕士专业学位证书由学位授予单位自行印制。
4.2城市设计硕士专业学位简介（草案）
（1）城市设计硕士专业学位教育的性质与特点。城市设计硕士专业学位是为适应我国新时期国家建设对于城市设计专业人才的迫切需求，完善人才培养体系，创新人才培养模式，提高人才培养质量而设置的。城市设计硕士专业学位的目的是培养具有扎实理论基础、适应城市设计行业和职业实际工作需要的应用型高层次专门人才。专业学位与工学学位处于同一层次，培养规格各有侧重，在培养目标上有明显差异。工学学位按学科设立，以学术研究为导向，偏重理论和研究，培养学术研究人才；而专业学位以专业实践为导向，重视实践和应用，培养在专业和专门技术上受到正规的、高水平训练的高层次人才。城市设计硕士专业学位教育的特点在于突出城市设计实践导向，课程设置充分反映城市设计实践领域对专门人才的知识与素质要求；加强实践教学，注重分析能力和创造性解决实际问题能力的培养；课程体系应体现整体性、综合性、实用性和一定的前瞻性。（2）城市设计硕士专业学位教育的培养目标。培养具备良好的政治思想素质和职业道德素养，系统掌握城市设计与设计的理论、方法和技术，熟悉相关学科的理论和知识，能够胜任城市设计工作和城市设计管理工作的高层次、应用型城市设计专门人才。（3）城市设计硕士专业学位教育的培养方式。城市设计硕士专业学位教育采用全日制和非全日制两种学习方式；学制一般为2年；采用课程学习、设计实习和学位论文（设计）并重的培养方式。城市设计硕士专业学位教育采用学校导师和实践基地导师“双导师”培养，或学校导师负责的指导方式。“双导师”培养模式中，城市设计硕士专业学位研究生导师由本单位相关学科具有高级职称的教师担任，并聘请设计机构实践基地中具有高级职称的专业人员担任联合导师。（4）城市设计硕士专业学位教育的培养特色。城市设计硕士专业学位教育的培养特色主要体现在以下两个方面。第一，在培养目标上，培养城市设计领域中具有坚实的基础理论和宽广的专业知识，具有较强的解决实际问题的能力，能够承担专业技术或管理工作，具有良好职业素养的高层次应用型专门人才。第二，在培养方式上，专业学位课程设置以设计实践为导向，以职业需求为目标，以综合素养和设计能力的提高为核心。教学内容强调理论性与实践性课程的有机结合，突出设计实践课程；教学过程重视运用设计专题教学方法；注重培养学生分析和解决实践问题的意识和能力。在整个培养过程中，要求有为期至少半年的实践环节。（5）专业硕士研究生教育的培养方式。学位培养计划包括3个主要环节：第一，专业课程学习1年，以城市设计专题为主干课程；各专业课程重视和加强与城市设计实践的关联性，培养学生的城市设计能力和城市设计管理能力。第二，专业实习0.5年，确保每位学生都能够在城市设计机构进行至少为期6个月的专业实习，并由相关单位出具专业实习证明。第三，学位论文（设计）工作0.5年，学位论文（设计）应当针对城市设计实践中的理论问题和设计问题开展研究，或与较为重要的城市设计项目相结合。学位论文（设计）应有一定前瞻性、难度及必要的工作量，其形式可以为城市设计理论研究或城市设计专题。学位论文（设计）由两位具有高级专业技术职称的专家评阅，其中必须有一位来自校外的设计机构或管理部门中具有高级专业技术职务的专家。学位论文的答辩委员会由至少3位具有高级专业技术职称的专家组成，其中至少包含一位来自校外的设计机构或管理部门中具有高级专业技术职务的专家。（6）城市设计硕士专业学位教育的招生。招生对象主要为获得建筑学学士专业学位的应届毕业生和已获得建筑学硕士专业学位的职业建筑师。城市设计硕士专业学位研究生需参加硕士生全国统一入学考试，择优录取。考试科目为：政治理论，全国统考。英语一，全国统考。城市设计基础，由招生院校组织命题和考试。考试内容包括：城市设计理论、建筑学基础知识、中外建筑史、中外城市规划史等。以简答题、论述题为主要题型，考卷满分为150分。城市设计考试内容：以快题设计形式完成2~5公顷范围地段的城市设计。考试时间为3小时，考卷满分为150分。（7）城市设计硕士专业学位教育的就业与未来职业发展方向。城市设计是一门实践性很强的学科，城市设计硕士研究生毕业后选择的主要用人单位是从事建筑设计、城市设计、城市规划等领域的相关机构和管理部门。今天，中国城市发展的重点已经由规模和数量的增加转变为品质和质量的提升。城市设计关注空间的形式与风格，其目标在于创造美好的城市风貌。从国际上看，几乎所有的境外建筑事务所，包括著名的建筑师事务所都把城市设计作为其主要的设计领域。也就是说，建筑师是建筑行业中城市设计领域的主力军。目前，中国越来越多的建筑设计研究院设立了城市设计所、城市设计中心等专业部门，在城市设计的理论研究和实践创作方面取得了大量优秀成果。不少建筑院校已经设置了城市设计研究所等教学和科研机构，并为国家培养了一大批优秀的、在本地区和本行业中有影响力的城市设计人才。同时，很多高校的建筑设计研究院在城市设计实践中同样取得了丰硕成果。新时期建设“美丽中国”的发展目标，意味着中国未来的城乡建设对城市设计人才的需求将越来越大。
4.3城市设计硕士专业学位授权点申请基本条件（草案）
翻译：成正华3， 审核：林文修4
摘要：对用于碳纤维外包加固钢筋混凝土梁的有机粘结胶和无机粘结胶的性能作了比较研究。试验内容是测定用无机粘结胶粘结碳纤维加固钢筋混凝土梁的各项性能。试验是模仿一个早先的试验，在那个试验中，钢筋混凝土梁以同样的方式用有机粘结胶加固。对两种粘结胶加固后梁的强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等作了比较。结果表明，用无机粘结胶加固后梁强度和刚度的提高与用有机粘结胶加固后的情形同样有效，只是在延性上降低一点。破坏机理也从有机粘结胶加固情形的片材剥离破坏变为无机粘结胶加固情形的片材破裂破坏。破坏机理的改变是由于无机粘结胶的脆性导致了聚合物中裂缝的形成和聚合物与混凝土交界面上变形积累最小。
引言
众所周知，对内部结构的修补和修复存在着广泛的需求。许多的修补和修复技术正在被应用。20世纪60年展起来的外包粘钢法加固钢筋混凝土梁就是其中之一。最近，高强度的碳纤维、玻璃纤维等聚合物材料作为钢板的替代物正在被发展和应用 [aci440-r-57（“美国”1996）]。这些被称作纤维增强聚合物（frps）的系列具有许多重要的优点：自重轻、耐腐蚀和应用便捷等。自重轻可以减少施工时间和工程造价，因为不需要重型机械。应用时， frps不仅可以一层一层的粘贴使用，还可以以薄板的形式使用。
有机粘结胶聚合物的一个缺点是耐火性差。一些聚合物还容易在紫外线下变性老化，导致长期的耐久性问题。由于碳纤维、 玻璃纤维不但能够坚持于正常地暴露于火中，而且能够忍受紫外线的照射。因此，将这些纤维织物与混凝土粘结在一起的有机粘结胶就成了一个薄弱环节。本文论述的无机粘结胶不易燃，而且在紫外线下不会发生变性老化。用无机粘结胶粘结碳纤维聚合物做的温度暴露试验表明：暴露于80℃中1小时后，仅仅37%的碳纤维聚合物开始丧失抗弯承载力（foden et al 1996）。
无机粘结胶是一种低粘性树脂，适用于粘结碳纤维、玻璃纤维等片材或织物。它的预先配制是混合一种铝矽酸盐粉末和一种以水为基础的催化剂。在室温情况下，大约可以存放3个小时。
无机粘结胶已经被应用于粘结碳纤维片材加固钢筋混凝土梁中。下面的部分分别讲述了这些内容：有关无机粘结胶聚合物的背景资料；有机粘结胶加固钢筋混凝土梁性能的综述；无机粘结胶和碳纤维加固钢筋混凝土梁的性能；用两种粘结胶加固后，梁在强度、刚度、延性、破坏特征和裂缝开展状况等方面的比较。
无机粘结胶的特性—高强度纤维聚合物
由无机粘结胶混合碳纤维、玻璃纤维和钢筋纤维或片材制成的聚合板的力学性能在下面这些参考文献中已经有了论述（国际专利应用文摘 pct/fr91/00177 wo91/13830；foden et al 1996；lyon et al 1997；hammell et al 1998；foden 1999）。聚合板的耐久性以及外包连续或不连续纤维织物加固的混凝土棱柱的耐久性也已有研究。主要的结论如下：
l 无机粘结胶系列应用非常方便，所有用于有机粘结胶的技术也适用于它。
l 无机粘结胶和碳纤维、玻璃纤维能很好的协调工作。以单向纤维的方式，碳纤维聚合物能承受650mpa的拉应力、550mp的受弯应力和30mpa的剪应力。相比而言，有机粘结胶粘结的碳纤维聚合物的这些值在一定程度上要低一些，这是由于无机粘结胶的脆性。
l 无机粘结胶能很好地与木材、混凝土或钢材粘结。在外包钢板之间的受剪承载力为15mpa。
l 在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，疲劳性能相当。
迄今为止，所有的研究成果表明，在内部结构修补方面，无机粘结胶有着非常巨大的应用潜力。
有机粘结胶和碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的综述
在世界范围内，已经有许多研究者对用frps板或片材加固的钢筋混凝土梁进行了广泛的研究。梁可以用预先制作的frps板（ritchie et al 1991；saadatmanesh and ehsani 1991a；sharif et al 1994；ross et al 1999）加固，也可以柔软的片材或织物（m'baszaa et al 196；nakamura et al 1996；arduini and nanni 1997）加固。在所有的这些实验中，一种二组份的环氧树脂被作为粘结胶使用。
在最先的研究报告（saadatmanesh and ehsani 1990）中，玻璃纤维增强聚合物（gfrp）板被粘在4根不同的钢筋混凝土梁上，并且用不同的环氧树脂粘结，这些环氧树脂有着从1%到170%的变形能力。由此得出的结论是，这项加固技术中最适用的粘结胶是它必须具有足够的粘性。因此，在后来的研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，使用的是一种橡胶粘性的环氧树脂，它具有超过40%的变形能力。然而，在gfrp板中，记录的最大变形仅仅只有0.8%。在那次研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，最常见的破坏特征是frp板的剥离破坏。
ritchie et al（1991）也得出同样的结论：最适用于结构修补的粘结胶是它具有足够的粘性。他们评价了14根钢筋混凝土梁的性能，这些梁用一种二组份橡胶粘性的环氧树脂粘结碳纤维、玻璃纤维等聚合物板。在这次研究当中，最常见的破坏特征是在钢筋水平位置发生混凝土保护层的受剪破坏。
从这些研究中得出的主要结论如下：
l 外包聚合物板的钢筋混凝土梁的抗弯承载力有明显提高，并且低配筋率梁的效果更加显著。
l 裂缝的数量增多但平均裂缝宽度减小。
l 由于板材的剥离破坏或钢筋螺纹水平位置上的混凝土保护层受剪破坏所引起的失效行为需要进一步的试验和分析研究。这些破坏模式的破坏准则需要建立，以便正确地推测梁的极限承载力。
其它一些论文的作者也得出同样的结论。所有这些研究的一个共同特点是，由于聚合物破裂而引起破坏的情形几乎没有。
研究程序
这次研究的焦点是比较粘结纤维片材加固钢筋混凝土梁时脆性的无机粘结胶和柔软的有机粘结胶的性能。要做的主要比较有：
l 两种破坏模式的区别。
l 相对各自的基准梁，承载力增加的大小。
l 相对各自的基准梁，刚度增加的大小。
l 挠度和延性。
l 裂缝开展特征。
设计的试验程序是模仿sherbrooke大学，quebec，canada（m'bazaa et al 1996）的试验。因此，在比较无机粘结胶和有机粘结胶的性能时减少了试验梁的数量，仅仅浇灌了4根与sherbrooke相似的钢筋混凝土梁并且养护28天。然后，其中三根梁用碳纤维片材和无机粘结胶加固。所有4根梁都是简支梁。
在sherbrooke大学的研究中，有机粘结胶的拉伸强度是这次研究中无机粘结胶的13倍。另外，变形能力是65倍，粘性是1000倍。尽管有这些力学性能上的重要差异，无机粘结胶和有机粘结胶加固的梁仍然具有相当的承载力提高和刚度增加，只是延性要低一些。
试验步骤
如上面提到的，这次试验是模仿m'bazaa et al（1996）的试验。在那次试验中，一共浇注了8根梁，跨度为3000mm，并在三分点进行加载。基本的变量是碳纤维的长度、端部锚固长度和加固量。梁在受拉区表面粘贴了三层单向的碳纤维片材，片材宽为166.7mm，长为2900mm（图1），这根梁对这次试验来说特别重要，因为碳纤维的面积是相当的。面积为0.826cm2。
这次浇注的梁与它具有相同的长度、宽度、高度（3000×200×300mm）和保护层厚度，见图1。梁分别用2层、3层和5层单向碳纤维片材加固，面积分别为0.285cm2、0.427cm2和0.711cm2。
混凝土强度通过实验室配合比控制，组成原料有astm i 水泥、自然砂、最大粒径为19mm的碎石骨料和自来水。通过直径为150mm的圆柱体进行试验得到抗压强度为47.3mpa。而sherbrooke大学试验中的混凝土抗压强度为44.3mpa。
sherbrooke大学试验中，受弯钢筋是2根no 10m 的钢筋，总面积为200mm2，而这次试验中，受弯钢筋是2根no 4 的钢筋，总面积为258mm2。取3根钢筋试件进行轴向拉伸试验，平均屈服强度为447mpa，极限强度为693mpa。sherbrooke大学试验中相应的强度分别为439mpa和703mpa。
图1 试验梁尺寸详图
在两次试验中，梁的抗剪承载力都是设计富余的，因为，试验的目标是使梁发生受弯破坏。sherbrooke大学试验中，no 10m 的箍筋，间距为100mm，受剪承载力为281kn；这次试验中，no 3 的箍筋，间距为95mm，受剪承载力为226kn。在一次试验中可能遇到的最大剪力为55.0kn。因此，受剪性能不是影响因素。
梁的配筋和碳纤维加固情况详见表1。
表1
试验梁汇总
梁的编号
受弯钢筋
碳纤维面积（cm2）
粘结胶类型
oc
2 #10m
无
无
ic
2 #4
无
无
os
2 #10m
0.826
有机粘结胶（环氧树脂）
is1
2 #4
0.285
无机粘结胶
is2
2 #4
0.427
无机粘结胶
is3
2 #4
0.711
无机粘结胶
加固步骤
现在的研究程序
贴碳纤维之前，先用磨轮将表面的浮浆皮去掉和将粗糙突出的骨料磨平。然后，对表面喷砂和用热水洗，最后晾干。
表面用无机粘结胶找平，并自然干燥直到它具有粘性（大约1小时）。同时，碳纤维用树脂浸渍，并自然干燥直到具有粘性。再将作为粘结层的粘结胶刷在找平层上，然后，立即将浸渍好的碳纤维贴上。碳纤维必须滚压以去掉多余的粘结胶。其余各层碳纤维都以同样的步骤粘贴。
碳纤维粘贴好后，修补部位必须包扎以去掉空气和使树脂均匀饱满。修补部位先用teflon 薄膜包裹，在用致密织物，然后用尼龙薄膜包扎。包裹要密封，并用真空泵抽成大约740mmhg的气压。最后，将梁加热到80℃养护24小时。
比较研究（m'bazaa et al 1996）
m'bazaa et al（1996）的试验中，梁的表面处理大致相同。接着用一种低粘性的二组份环氧树脂找平，并在室温下养护24小时。然后，将作为粘结层的二组份环氧树脂刷在找平层上，再立即贴碳纤维片材。然后，用衬纸包裹保护，接着滚压碳纤维片材以使粘结胶浸入碳纤维。然后，去掉衬纸，并用橡胶抹刀将额外的环氧树脂抹进碳纤维片材中。然后，以同样的步骤粘贴其余各层碳纤维。最后，置于室温养护。
仪器布置
试验梁是简支梁，跨度为3000 mm。端部支撑为钢轴，钢轴置于混凝土墩上，混凝土墩固定于实验室反力地板上。实验时，通过手控液压千斤顶加载，千斤顶垂直地安装于梁顶，并固定于实验室反力板上。荷载通过一根置于梁上的钢制分配梁三分点加载（距离每边支座1000mm）。荷载以每次2.24kn的方式典型施加。荷载通过置于千斤顶和分配梁之间的荷载传感器测量。
4个电子电阻应变片置于跨中。2个12mm标距长度的应变片贴于受弯钢筋上。1个应变片贴于梁的上表面，1个应变片贴于碳纤维上，标距长度都为50mm。
将一个机械表（百分表）置于跨中并固定于实验室反力地板上以测量挠度，它必须垂直地安装在梁底。每加一次荷载都读取一个读数。
结果和讨论
在后面部分讨论的主要内容是：破坏模式、裂缝特征、荷载挠度关系、承载力提高和变形。表2列出了结果的汇总。
注意到试验中使用的碳纤维片材具有差异这一点很重要。对有机粘结胶加固体系做的试验，用来加固结构构件的碳纤维经过了完善的发展。碳纤维排列很好，并且有一种特别的衬纸和有机胶料保护。有机粘结胶也经过特别的处理，在粘结碳纤维时能够达到最佳的效果。这个体系发展了很多年，碳纤维排列很好，并且具有尽可能高的强度和刚度。
对无机粘结胶加固体系，使用的是商业上提供的一般纹路的碳纤维。不象有机粘结胶加固体系中的碳纤维有一种特别的衬纸保护，而且，这个体系使用的碳纤维是从生产交叉纹路玻璃纤维的地方生产的。与有机粘结胶体系相比，这种生产程序只能提供劣等排列的碳纤维。另外，在操作时更容易损坏，因为只有较少的有机胶料保护碳纤维。
表2
试验结果汇总
梁的编号
荷 载（kn）
挠 度（mm）
最大变形
破坏模式
钢筋屈服
极限状态
钢筋屈服
极限状态
延 性
混凝土
碳纤维
oc
45.06
63.61
10.77
88.90
8.25
0.00145
—
适筋破坏
ic
57.83
74.51
11.00
93.98
8.55
0.00182
—
适筋破坏
os
67.30
99.64
12.27
28.19
2.30
0.00129
0.00693
剥离破坏
is1
73.40
80.51
12.95
20.14
1.55
0.00075
0.00553
碳纤维破裂
is2
75.62
91.90
12.90
23.32
1.81
0.00131
0.00581
碳纤维破裂
is3
84.52
110.09
13.97
24.05
1.72
0.00142
0.00641
碳纤维破裂
据作者的所知，这是第一次无机粘结胶加固体系的使用。经过特别预先处理进一步提纯的碳纤维一定能提高其性能。
破坏模式和裂缝特征
sherbrooke大学的试验和这次试验中的基准梁（设计编号分别为oc和ic）都是标准的适筋梁破坏：钢筋先屈服，然后混凝土被压碎。ic梁比oc梁有更高的开裂刚度、屈服荷载和极限荷载。两根梁的荷载—挠度关系见图2。
图2 基准梁的荷载—挠度曲线
sherbrooke大学试验中的加固梁编号为os，这次试验中的加固梁编号为is1，is2，is3。os梁是碳纤维片材的剥离破坏，而is1，is2，is3梁是碳纤维的破裂破坏。这是一个重要的结论，因为聚合物板材的破裂在文献中几乎没有报道，而片材的分层破坏已经有比较普遍的报道了。
已经有了论述的是：os梁的裂缝特征是它的裂缝间距比基准梁的要小，而且裂缝分两个阶段开展。在第一阶段出现的是垂直的受弯裂缝，而在钢筋屈服后的第二阶段出现的是斜裂缝；并且斜裂缝延伸不及梁高的1/6。
为了作裂缝特征的对比，采用了ritchie et al（1991）的结果。因为梁的跨度、高度和配筋量是相同的，并且ritchie et al提供了更加详细的描述。使用的粘结胶是一种橡胶粘性的环氧树脂。典型的ritchie et al（1991）的裂缝特征见图3。
对两根基准梁，裂缝特征是典型的适筋梁破坏，见图3。基准梁底部ritchie et al（1991）有21条裂缝，见图3(a)，而这次研究的ic梁底部有19条裂缝, 见图3(c)。
加固后的os梁底部有52条裂缝, 见图3(b)；而is3梁底部仅仅有25条裂缝，见图3(d)。因此，裂缝数量的增加对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系分别为148%和32%。裂缝的这些参数表明，有机粘结胶体系比无机粘结胶体系产生了更多的裂缝。作者认为，这是因为无机粘结胶在裂缝的位置没有足够的粘性保持碳纤维和混凝土的粘结，抑制了应力向邻近的混凝土传递，而这一点是产生更多裂缝的必要条件。另外，混凝土中的裂缝贯穿了碳纤维聚合物，这又促使应力向碳纤维传递。相比而言，粘性的有机粘结胶能保持碳纤维和混凝土在每条裂缝附近的粘结，致使应力向邻近的混凝土传递，这样就产生了更多的裂缝。
图3 极限荷载时裂缝的比较：
（a）有机粘结胶基准梁（ritchie et al 1991）；（b）有机粘结胶加固梁（ritchie et al 1991）；
（c）无机粘结胶基准梁（ic）；（d）无机粘结胶加固梁（is3）。
延性和荷载—挠度关系
有机粘结胶加固梁的荷载—挠度曲线见图4。正如所料，增加碳纤维面积导致了开裂刚度、屈服刚度和极限荷载的提高。为了和以前研究的荷载—挠度曲线作比较，并考虑到基准梁的差异，将荷载—挠度曲线作标准化。标准化即是将ic、is1、is2、is3梁的荷载乘以一个系数：
oc梁的屈服荷载 / ic梁的屈服荷载
大量的挠度点进行了调整以保证曲线的连续。所有梁的标准化荷载—挠度曲线见图5。从图5中可以看出，无机粘结胶加固的梁和有机粘结胶加固的梁的荷载—挠度曲线的特征相似。用大致相同的碳纤维面积加固的is3梁和os梁具有相当的强度、刚度和延性。
图4 有机粘结胶加固梁的荷载挠度曲线 图5 所有梁的标准化荷载挠度曲线
对有机粘结胶加固体系和无机粘结胶加固体系，加固梁与基准梁相比，延性都有降低。对前者，挠度延性从8.25减到2.30；对后者，挠度延性从8.55减到1.55和1.81之间。比较用相同碳纤维面积加固的is3梁和os梁，is3梁的延性仅有os梁的75%。
承载力提高的比较
承载力的提高通过加固梁和基准梁最大弯矩的差值来量化。为了考虑碳纤维用量的差异，用单位碳纤维面积上弯矩的增加来计算，如下方程：
单位碳纤维面积上弯矩的增加 = m / acar （1）
其中 m表示相对基准梁弯矩的增加（kn-m）； acar 表示碳纤维的面积（m2）。
表3 承载力提高的比较
梁的编号
极限弯矩（kn-m）
弯矩的增加（kn-m）
单位碳纤维面积上
弯矩的增加
oc
31.805
—
—
ic
37.255
—
—
os
49.820
18.015
218.2
is1
40.225
3.000
105.4
is2
45.950
8.695
203.9
is3
55.045
17.790
250.2
承载力提高的比较见表3。对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：
l 无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系提供了相当的加固效果。单位碳纤维面积上弯矩的增加，is2梁和os梁非常接近，is3梁比os梁高，而is1梁比os梁低。
l 无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上弯矩的增加随着碳纤维面积的增加而增加，这意味着使用更厚的碳纤维板将达到更佳的加固效率。在以前，这种趋势还没有被观察到，这一定程度上是因为加固面积引起的效率问题还没有被系统的研究。
刚度提高的比较
每根梁在开裂阶段和屈服阶段的抗弯刚度（ei）都用下式计算：
（2）
其中 p=总荷载（kn），等于两点荷载的和；
=跨中挠度（m），用荷载p和跨度 （m）表示。
方程（2）是基于所有的材料是弹性，并且ei是常量的假设。由于挠度随位置的改变而改变，抗弯刚度应该考虑为有效刚度的平均值。
对于开裂刚度，先在荷载—挠度曲线上找出开裂点和屈服点，然后在它们之间拟合一条二次退化曲线，这样来确定（p/）项。对于屈服刚度，先在荷载—挠度曲线上的屈服段找出直线部分，然后在这些点之间拟合一条最佳的曲线，这样来确定（p/）项。
刚度的提高通过加固梁的抗弯刚度减去基准梁的抗弯刚度来量化。与承载力的提高一样，考虑碳纤维面积的影响，用单位碳纤维面积上刚度的增加来计算：
单位碳纤维面积上刚度的增加 = ei / acar （3）
其中 ei 表示相对基准梁刚度的增加（kn-m2）；
acar 表示碳纤维的面积（m2）。
刚度提高的比较见表4。
表4
刚度提高的比较
梁的编号
开裂阶段
屈服阶段
抗弯刚度（kn-m2）
抗弯刚度的增加（kn-m2）
单位碳纤维面积抗弯刚度的增加
抗弯刚度（kn-m2）
抗弯刚度的增加（kn-m2）
单位碳纤维面积抗弯刚度的增加
oc
2310
—
—
276
—
—
ic
3544
—
—
261
—
—
os
3889
1579
19121
2015
1739
21058
is1
3972
428
15044
1093
832
29244
is2
4379
835
19578
1449
1188
27855
is3
4864
1320
18565
2322
2061
28987
对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：
l is梁和os梁开裂刚度的增加相当。在单位碳纤维面积上开裂刚度的增加，无机粘结胶加固的3根梁中有1根梁的比os梁大，但是，所有的差异都非常小。
l 至于单位碳纤维面积上屈服刚度的增加，is梁都比os梁的大。这一点特别有意义，因为无机粘结胶聚合物本身的刚度比有机粘结胶聚合物小。无机粘结胶聚合物只有200gpa的拉伸模量（foden 1999），而有机粘结胶聚合物有240gpa的拉伸模量（厂家提供的资料，作者注）。有机粘结胶加固梁屈服刚度较小可以这样解释，在高变形下混凝土和粘结胶之间有较软的交接面。这一点可以由os梁的挠度—荷载曲线比is梁的更具有非线性而得到进一步的证实。
应力和应变的比较
试验中，梁os、is1、is2和is3的碳纤维的极限应变分别为0.00693、0.00553、0.00581和0.00641。假定os梁中聚合物的拉伸模量为240gpa（forca 1996，作者注），is梁中聚合物的拉伸模量为200gpa（foden 1996）。碳纤维的极限应力计算见表5。在此，os梁在碳纤维应力大约为1663mpa时发生剥离破坏；而is梁在碳纤维平均应力大约为1184mpa时发生破裂破坏。注意到下面这一点：在无机粘结胶加固体系中，当粘结胶出现裂缝时关键的应力出现在碳纤维中，而在无机粘结胶加固体系中，碳纤维板和粘结胶像一块聚合物板一样工作；这是因为粘性的有机粘结胶有比无机粘结胶更高的变形能力。
表5
碳纤维和交接面中最大的应力
梁的编号
碳纤维
交接面
极限应力（mpa）
承载力提高百分比（%）
极限荷载（kn）
极限平均剪应力（mpa）
os
1663
39
137.33
867.2*
is1
1107*
79
31.49
217.5
is2
1161*
83
49.52
342.0
is3
1283*
92
91.22
630.1
注：* 表示破坏
表5计算出了在极限荷载时碳纤维和混凝土交接面上的平均剪应力。计算方法是用碳纤维承受的最大力除以剪跨范围内的粘结面积。根据这个计算，os梁中平均极限剪应力为867mpa。作为比较，ritchie et al（1991）推测平均极限剪应力在758mpa和827mpa之间。但是，is梁的平均极限剪应力却不能估计出，因为碳纤维没有发生剥离破坏。然而，is3梁承受了630mpa的平均剪应力还没有发生分层破坏，意味着平均极限剪应力至少为630mpa。
对于给出的力学性能的差异，无机粘结胶的平均极限剪应力至少是有机粘结胶的70%这一点非常有意义。无机粘结胶的剪力承载力足够使碳纤维破裂这一点也很重要。
其它的结果
所有的is梁都是因为碳纤维的破裂而失效。 从is3梁上剥下的碳纤维片材的图片见图6。多数的碳纤维片材都粘有混凝土碎片。在恒弯区段，碳纤维片材不能被剥下。
图6 无机粘结胶体系—碳纤维破裂 图7 有机粘结胶体系—碳纤维剥离
作为比较，图7显示了用一种粘性的环氧树脂和碳纤维加固钢筋混凝土梁时碳纤维发生剥离破坏的情况（作者在一个相关研究中做的试验）。这个加固体系与os梁很相似，都包括环氧树脂找平层、环氧树脂粘结胶和碳纤维片材。其中的碳纤维和sherbrooke大学试验用的一样；环氧树脂也一样，变形能力为2.0%，拉伸强度为45mpa，拉伸模量为3gpa。图6中的剥离是断断续续，而图7中是连续均匀的。图7中，粘在粘结胶上的砂粒也具有一致的现象，没有局部失效的迹象，而局部失效的迹象意味着有粘结滑移。图7中也没有裸露的碳纤维，这表明碳纤维和混凝土之间的粘结没有破坏。拍摄图片之前，碳纤维上也有一层疏松的骨料，这意味着剥离破坏是由于集合体从混凝土浆中脱出。
传力机理的比较
如前面叙述的，有机粘结胶的粘性比无机粘结胶大1000倍；变形能力大65倍；尽管存在这些力学性能上的差异，无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系的性能仍然是相当。这些令人惊讶的结果意味着在传力机理上存在着重要的差异。
为了阐明传力机理上的差异， 一个关于混凝土块粘结碳纤维片材然后受拉的示意图见图8。最初，混凝土和碳纤维片材粘在一起没有受拉，见图8（a）。为了比较无机粘结胶和有机粘结胶，对粘在一起的混凝土和碳纤维片材施加拉力，分别见图8（b）和图8（c）。
图8（b）部分地基于作者在另一个相关试验研究上得出的结论，那个试验是使用同样的有机粘结胶。当有机粘结胶加固体系受拉，可以观察到极细的裂缝出现在交接面上，但基本上不连续延伸。这些极细的裂缝出现的原因有下面几点 ：
l 有机粘结胶的粘性要比波特兰水泥浆大得多。因此，混凝土破裂所需的能量比粘结胶和骨料交接面之间破裂所需的能量要少。所以，尽管在高应变下粘结胶和骨料之间的粘结也不会破坏。
l 典型水泥浆的受拉变形能力大约是0.0003mm/mm，在os梁中，碳纤维的这个值要超过它20倍以上。
因此，为了变形的协调，在很强的粘结胶—骨料交接面和较低变形能力的水泥浆之间必须产生交接裂缝。假如将骨料看作刚性体并且粘结是完好的，那么交接裂缝达到骨料尺寸的大小将导致水泥浆和骨料粘结的瓦解。
从图8（c）中可以发现，当使用无机粘结胶时没有产生微小的交接裂缝。原因有下面几点 ：
l 有机粘结胶的粘性和水泥浆的相当。它不足以保持和骨料的粘结，而这一点是水泥浆和骨料之间产生交接裂缝的必要条件。因此，在高应变下是粘结胶失效而不是水泥浆。
l 在粘结胶裂缝变形为0.0007 mm/mm时，混凝土出现裂缝并且贯穿粘结胶聚合物，这导致了碳纤维应力的增加和聚合物刚度的减少。
在传力机理上的主要差异是，粘性的有机粘结胶使水泥浆和骨料的粘结瓦解，而脆性的无机粘结胶导致不连续的粘结失效和碳纤维上应力的局部集中。
图8 荷载传力机制的比较：（a）碳纤维粘在混凝土上；
（b）粘性粘结胶粘结的碳纤维受拉；（c）脆性粘结胶粘结的碳纤维受拉；
脆性无机粘结胶的性能与混凝土中钢筋的粘结行为相似。图9中阐明了众所周知的混凝土中的钢筋螺纹的粘结行为。图9（b）中表明了在钢筋上施加拉力和达到平衡的裂缝间距后环带的滑移是它的粘结特征。在高应变的情况下，钢筋在裂缝附近的粘结实际上已经失效。
图9 钢筋：（a）钢筋在混凝土中；(b) 受拉后荷载的传递
总之，作者认为无机粘结胶在高应变的情形下通过局部剥离来保持和碳纤维的粘结。碳纤维仅仅在不连续的间隔上保持和混凝土的粘结。这个机理使混凝土交接面没有承受很高的拉伸应变。因此，混凝土保持着较高的受剪承载力，能够承担所受的剪应力而不发生失效。而粘性的粘结胶不允许有局部的粘结失效。为了保持碳纤维和交接面上变形的协调，混凝土承受了很高的拉伸变形，而很高的拉伸变形使骨料和水泥浆之间的粘结变得松散，从而降低交接面的受剪承载力。
结论
基于本文提供的试验结果和与其它文献中试验结果的比较，得出下面的结论：
l 无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系在提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力方面相当。
l 对无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上梁承载力的提高随碳纤维层数的增多而更加显著。
l 在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，梁开裂刚度的增加相等。而且发现，单位碳纤维面积上梁开裂刚度的增加也大致相等。
l 无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要比有机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要显著。而且发现，单位碳纤维面积上无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加也要多一些。
l 无机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度比有机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度要少25%。
l 无机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的破裂破坏而失效。相比而言，有机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的剥离破坏而失效。这一点是由于聚合物和混凝土母体之间的传力机理不同而引起的。
l 作者认为无机粘结胶加固体系中粘结胶的粘结行为和混凝土中的粘结行为相似。裂缝附近的粘结失效使碳纤维中的粘结发生局部滑移，从而粘结是间断的。这个机理降低了在混凝土中交接面的拉伸变形。当应变不是很高时，完全的剥离是不会出现的，这是因为交接面上的受剪承载力很强。这个观念值得进一步的观察研究，因为它对外包加固混凝土梁中粘结失效行为的进一步研究具有重要的意义。
致谢
作者非常感谢国家科学基金（cms 9909830；vijaya gopu，program manager）的大力支持。还要感谢熟练的施工人员和geopolymer的dr, joseph davidovits与the ffa技术中心的dr. richard lyon of提供的技术建议。
附录 i 参考文献 （略）
附录 ii 注释
本文应用的符号如下：
acar = 碳纤维面积 fy = 钢筋的屈服强度
