時間：2022-12-19 11:28:04
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇土木工程論文論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：土木工程概論 教學 工程美學教育
前言
為了配合教育部對本科土木工程專業課程設置的要求，土木工程專業在第一學期開設《土木工程（專業）概論》課，旨在對土木工程專業的新生進行專業啟蒙教育。幾年來，土木工程專業由單一的建筑工程正向著更廣泛的“大土木”工程方向發展，如何適應更高層次上的“大土木”工程的教學要求，需要進一步整合與擴展《土木工程概論》課程的教學內容，并積極改進教學方法與手段來提高教學效果，我們進行了不斷地探索與實踐。
1.在“大土木”工程基礎上構建合理的教學體系與教學內容
土木工程是建造各類工程設施的科學、技術和工程的總稱，包涵的范圍非常廣泛，如建筑工程、鐵路工程、道路工程、橋梁工程、地下工程、海洋工程、水利工程、港口、碼頭工程、環境工程等。在這一“大土木”工程范疇內，應構建更寬泛的知識結構體系。經過精心篩選，結合本校土木工程專業的特點，對教學內容進行了適當整合與擴展，形成了簡明、實用、合理的教學內容。主要有：土木工程專業概述、土木工程的內涵與發展歷史、土木工程中的材料、土木工程的力學與結構概念、各類土木工程概述、土木工程中的災害、木工程的展望、土木工程專業的教學安排與學習方法。這些教學內容安排由淺入深，逐步引導學生全面了解土木工程的類型及其各類工程領域的基本內容和發展情況，初步具備土木工程建設的基本知識；使學生清楚自己所學專業的人才培養目標、課程設置與進程安排，明確教學要求與努力方向，建立理論與實踐相結合的學習理念，為學生今后積極主動地學好本專業課程打下良好的基礎。
2.注重對學生工程意識與專業素質的培養
土木工程的綜合性、實踐性比較強，要求工程技術人員要具有很強的工程意識和專業技能。專業技能有待于日后不斷學習與實踐訓練得到充實，而工程意識的養成非一朝一夕之功，它是集專業知識、技能、經驗、甚至是教訓的不斷積累而逐漸形成的綜合素質。在現階段，學生還沒有積累足夠的專業知識與技能，主要是使學生建立完整的工程概念并從專業角度理性分析問題的意識。例如：在討論房屋工程的建設過程時，介紹它包括規劃、審批、勘察、設計（建筑、結構和設備）、施工、驗收、交付使用等階段，使學生清楚工程建設的過程是各部門、多工種全面協調合作的過程，牽一發而動全身，從而建立統籌整體、協同工作的大局意識。工程意識的培養關鍵在于教學過程中不能照本宣科，而要理論聯系實際，灌輸實際工程具有系統性和完整性的思想，使學生對土木工程有一個感性認識，形成一個完整的工程概念，樹立專業的思維方式，為工程意識逐漸形成日后的自覺行為打下堅實的基礎。
3.適當引入工程美學教育，突出“美學育人”的功能
當今中國理工科高等教育中美學教育缺失現象比較嚴重，人們一提到土木工程，就認為是“土”和“木”的簡單結合，仿佛我們培養的就是“又土又木”的工匠；土木工程冰冷、死板的外表使人們似乎處于鋼筋水泥的“叢林”中，缺少藝術氣息。其實，土木工程既是物質產品也是藝術品；工程技術的實踐過程也是藝術的創作過程，所以，在授課過程中應適當引入工程的美學教育。通過史詩般的土木工程發展史、大量豐富的世界著名建筑典范、千姿百態的橋梁工程、功績卓越的建筑大師與橋梁專家的不凡人生來激蕩學生的心靈，激發學生對本專業的熱愛及對美好未來的憧憬；這些靜止的建筑與橋梁工程猶如凝固的音樂，與人文歷史相結合，增加工程教育的“文化”內涵，突出“美學育人”的功能，學生從中既領略了工程博大精深的藝術內涵，又樹立了實用與審美、技術與藝術結合的工程設計理念。
4.改進教學方法與手段是提高教學效果的關鍵
《土木工程概論》課的內容繁雜，涉及面廣，圖片豐富，敘述性強，如果以課堂灌輸的方式教學，不僅教師講的口干舌燥，而且學生聽得枯燥乏味，為了提高教學效果，關鍵是要采取靈活多樣的教學方法與手段。
4.1 利用多媒體教學
以多媒體為載體，通過豐富的圖片、視頻和動畫等素材實現理論知識與工程實際的結合，使學生對土木工程的知識結構、應用領域和發展動態能夠有比較清晰的了解和感知。制作與教學內容相符的教學課件，通過大量直觀明了的圖像配合抽象內容的敘述，并結合參觀進行現場教學，如充分利用校內實踐教學基地（如土木工程模型室、材料樣品室、施工工藝操作實踐教學基地等）；或者通過參觀校園內的現有建筑及建筑工地現場等進行現場教學，使學生的工程意識得到極大提高。其次，可觀看與土木工程有關的DVD錄像片，欣賞優雅聞名的悉尼歌劇院、令人驚嘆的埃及金字塔、氣勢恢宏的故宮建筑群、雄偉壯觀的萬里長城、融合最前沿技術的奧運場館（鳥巢、水立方）等，這些古今中外優秀的工程范例深深吸引著學生，激勵學生為之奮斗，既對學生進行了工程美學教育，也增強了學生的學習動力與社會責任感。
4.2 結合問題式教學，使學生養成查閱文獻的學習習慣
“填鴨式”的課堂教學使師生間缺少必要的互動與學生的獨立思考，況且學時有限，學習知識光靠老師課堂傳授是遠遠不夠的，采用問題式教學可啟發學生深入思考。如古代土木工程離我們較遠，講起來比較抽象、乏味，若提問：山西應縣木塔為何歷經多次大地震仍完好無損？埃及金字塔在歷史上有什么作用？古人是怎樣開采如此巨型石材的？又如何建造高程如此精確的工程的？這些問題既活躍了課堂氣氛，又能激發學生的學習興趣。教師也可留些問題讓學生課后解決，如在“土木工程中的災害”之“地震”一節中，在講解地震發生的原因、危害及抗震防震的方針及措施等問題后，聯系1906年美國舊金山大地震，1923年日本關東大地震，1976年唐山大地震，再讓學生回去查閱5.12四川汶川地震的發生原因、強度等級、危害范圍、社會影響（包括心理方面）等文獻，并思考今后如何防震減災，作為工程技術人員應肩負起哪些社會責任等。學生通過查閱資料將課本知識融會貫通，學會汲取前人或他人的知識，提升理性的思維能力；并通過撰寫讀書報告或總結報告，訓練學生寫作的能力，為今后書寫摘要、論文、報告等文章奠定寫作基礎，養成遇到問題查閱文獻的學習習慣。
5.結語
總之，《土木工程概論》課的內容十分龐雜，而實踐性、綜合性又強，需要在“大土木”工程要求的基礎上建立合理的教學體系和教學內容，引入工程美學教育，通過現場教學和參觀等實踐環節，采取靈活多樣的教學方法與手段，激發學生濃厚的學習興趣，使學生形成完整的工程脈絡，具備初步的專業知識，引導學生順利邁進專業的大門。
注：本文作者宿曉萍為在讀博士。
課題項目：本譚題得到吉林省重點學科建設項目支持，吉林省重點實驗室建設項目支持。
參考文獻：
3年半的留學生活簡單而又充實，通過導師的指導和自己的不懈努力，在博士留學期間，所獲得的成果已形成英文論文十數篇發表于國際知名雜志及國際會議，成果得到了領域內專家學者的一致認可。
因為我的導師三田彰教授在到慶應義塾大學工作之前曾在日本的清水建設株式會社作為研究人員工作了很長的時間，所以我們研究室跟清水建設一直有著很多的合作，這樣也就使我有機會到清水建設的研究部門進行一些相關研究。
在接觸他們的研究之前，我的觀念還一直停留在土木工程師的主要責任是保證結構的安全，但是他們在做的已經從簡單地追求結構的安全可靠發展到了追求建筑與人融為一體的體驗。比如智能建筑，所有的建筑功能都由傳感器和機器人通過物聯網實現互聯，例如哪個位置有人活動，哪個位置就自動提供照明和空調。如果要開會，你只要到達指定的會議區域，相應的桌椅等會議設施會自動展開，會議結束之后所有的物品自動收起。所有的這一切都不是通過人的指令來完成，而完全是通過智能的傳感器和機器人自動來實現的。
他們另外一個研究重點就是綠色建筑。建筑的能耗在與人相關的所有能耗中是最大的，所以建造綠色建筑就成了最切合實際的選擇。近些年，包括美國、日本在內的很多國家都在著力發展綠色建筑，而我的研究方向恰恰是綠色建筑和智能建筑的結合點，即結構的實時智能監測技術。該項技術如果能在實際建筑中得到應用，現在大家普遍擔心的結構安全問題就都可以由某一個大型的技術服務中心提供智能、及時的監控與預警，配合智能建筑中的傳感器及機器人技術，在平時可以為建筑的節能減排提供一個神經中樞一樣的支持，而在災害來臨之時可以通過智能引導人們疏散，以及實時評估結構狀態而極大地減少人員及財產損失。
2012年底，我開始思考未來的就業方向。留在日本，清水建設株式會社提供了與智能建筑和綠色建筑相關的研究崗位，年收入起薪也達到800-1000萬日元左右。如果選擇回國，由于兩地不同的薪酬制度，收入下降是確定無疑的。但是我是一個中國人，有一顆中國心，雖然選擇留學日本是我一直以來的追求，但絕不是因為這里舒適的生活環境和優厚的待遇，而是因為我在國內的研究領域是結構工程的防災與減災，在同濟大學讀研期間主要從事的是結構工程的振動控制等，而日本是地震多發國家，其工程抗震學科的發展在世界上處于領先地位。出國前的理想就是能學成歸國，用我所學報效我的祖國。而智能建筑與綠色建筑的研究作為新興的研究領域，在我國才剛剛興起，距離國際領先水平還有很大的距離。能為中國在這兩個領域的研究中貢獻一點自己的力量也是我所期待的。
恰在此時，在參觀大型展覽《復興之路》時的講話更加堅定了我回國的想法，也讓我迅速地投入到回國的準備當中，當時的想法就是回到祖國，報效祖國，為實現中國夢貢獻自己的一份微薄的力量。
雖然回國的想法已經定下來了，但是落實到找工作卻是一項繁瑣而又具體的事情，陸陸續續向國內的一些單位投出了自己的簡歷，也參加了幾家單位的面試，但是并沒有找到一個真正稱心如意的。一方面作為一個剛剛興起的研究領域，智能建筑和綠色建筑在國內的研究開展范圍還較小，絕大多數科研院所并沒有對這兩個領域進行研發的意識和動作。另外作為一名土木工程專業的博士生，我始終擺脫不了的是工程情節，時刻想著能和自己將來的同事們一起解決工程中實際遇到的問題，能將自己的研究成果應用到實際工程中去。
在尋找工作的過程中，上海建工集團走進了我的視野。我了解到，上海建工集團正在原國家級企業技術中心的基礎上籌備成立工程研究總院，特別是上海建工已經意識到綠色建筑的重要性，于2012年6月成立了專門的研究機構——綠色建造研究所，專門從事綠色建造相關研究工作。
我聯系了上海建工集團，集團的總工程師、工程研究總院院長龔劍教授親自面試了我，詳細地向我說明了工程研究總院的目標、職能以及架構等問題，同時也表示工程研究總院非常歡迎留學歸國人員的加入。
龔總務實的工作態度和對工程技術的創新理念給我留下了深刻的印象，經過慎重考慮，我決定加入上海建工集團工程研究總院，來實現我的事業規劃和職業理想。就在這時，我接到了國家留學基金委關于我獲得2012年度“國家優秀自費留學生獎學金”的通知，祖國的關心與認可讓我更加堅信我的選擇是正確的。
確定了工作單位，關于未來具體的研究方向，我也進行了慎重的思考，原有的工程技術創新主要還是集中于在工程建造的過程中對施工技術方式方法的創新，但是建筑作為一個與人們的生活息息相關的主體，其本身也是有生命力的。我們的關注點不應該僅僅局限在建筑的某一個階段，而應該將建筑的整個使用周期看作是一個完整而有生命力的整體，建筑在整個生命周期中的可持續發展才是我們所要追求的。
具體來說，在建筑的規劃、設計、建造及后期使用和管理中我們都要遵循以人為本的原則，這個“人”不但包括建筑現階段的使用者，也包括我們的子孫后代。現有建筑要在整個生命周期中為我們現階段的使用者提供安全舒適的生活、工作空間，也要通過建筑生命周期各階段的節能措施為后來人留下足夠的可持續發展的空間和資源。
關鍵詞城市設計碩士；專業學位；必要性；可行性
1概述
為適應我國新時期國家建設對于城市設計專業人才的迫切需求，完善人才培養體系，豐富人才培養類型，提高人才培養質量，建議依托建筑學一級學科，針對已經獲得建筑學學士或建筑學碩士專業學位的建筑從業人員，設置城市設計碩士專業學位。
2必要性
首先，設置城市設計碩士專業學位是積極響應國家建設亟須和研究生教育改革精神的具體體現。2012年，黨的十提出建設“美麗中國”的發展目標。2015年12月，時隔37年的中央城市工作會議在北京舉行。會議報告中提出，要加強城市設計，提倡城市修補，加強控制性詳細規劃的公開性和強制性。要加強對城市的空間立體性、平面協調性、風貌整體性、文脈延續性等方面的規劃和管控，留住城市特有的地域環境、文化特色、建筑風格等“基因”。會議報告中還提出，要全面開展城市設計，完善新時期建筑方針，科學謀劃城市“成長坐標”。目前，我國共有39種碩士專業學位，其中包括建筑學碩士（1993年設置）、風景園林碩士（2008年設置）、城市規劃碩士（2010年設置）3個人居環境科學領域的碩士專業學位。設置城市設計碩士專業學位可以依托建筑學一級學科下的“城市設計及其理論”二級方向。這已經成為國家建設中刻不容緩的需求。其次，設置城市設計碩士專業學位有助于大力培養具有城市設計意識和水平的專業人才。今天，中國的城鄉建設對城市設計人才的需求越來越大。設置城市設計碩士專業學位（非全日制和全日制）已成為當務之急。這樣的專業學位設置方式也與世界上大部分建筑院校建筑系中設置的、作為非評估類第二碩士學位的城市設計碩士專業學位接軌。目前，在職職業建筑師獲得碩士學位大多以建筑與土木工程領域的工程碩士專業學位（非全日制）為途徑。這樣的方式部分滿足了行業需求。但是，由于工程碩士學位設置的專業針對性不強，無法滿足培養城市設計專業人才的需求。設置城市設計碩士專業學位可以通過授予非全日制城市設計碩士專業學位的方式，大幅度提升獲得建筑學學士專業學位在職建筑師的學位層次，在較短時間內輸送國家建設所急需的城市設計專業人才。而針對已獲得建筑學碩士專業學位的職業建筑師，也可以將城市設計碩士專業學位（非全日制）作為其第二專業碩士學位。事實上，不少已獲得國內建筑學碩士專業學位的畢業生選擇了去國外攻讀城市設計碩士專業學位。針對獲得建筑學學士專業學位的應屆畢業生，可以通過設置城市設計碩士專業學位（全日制），系統地培養應屆畢業生成為職業建筑師中的城市設計專業人才。最后，設置城市設計碩士專業學位可以徹底解決我國建筑學專業學位重復頒發的問題。我國在學士層次上設置的專業學位僅有一個，即建筑學學士。大部分立志成為職業建筑師的建筑學專業學生在獲得建筑學學士學位后，如果希望獲得更高層次的學位，只能選擇繼續攻讀建筑學碩士專業學位。隨著建筑學專業教育評估工作的持續開展，越來越多的建筑院校獲得了建筑學本科和建筑學碩士的專業學位授予資格。這意味著，越來越多的畢業生同時獲得建筑學學士和建筑學碩士兩個專業學位。這部分畢業生既包括連續攻讀本科和碩士的學生，也包括在本科畢業一段時間后再攻讀碩士學位的學生。這是學位資源浪費的一種表現。近年來，部分建筑院校免試推薦碩士研究生的名額增加，使得畢業生在同一所建筑院校獲得建筑學學士和建筑學碩士兩個專業學位的現象越來越普遍，專業學位重復頒發，造成學位資源浪費的狀況日趨嚴重。因此，設置城市設計碩士專業學位，可以豐富碩士學位類型設置，徹底解決建筑學專業學位重復頒發問題。
3可行性
首先，我國建筑院校已擁有充足的師資力量，可以開展城市設計碩士專業學位的人才培養工作。目前，我國建筑院校從事城市設計課程教學的教師呈逐年增長的態勢。他們在城市設計教學、研究以及設計實踐等方面取得了豐碩成果，積累了指導建筑學碩士研究生進行城市設計理論和設計方法研究的豐富經驗。在通過建筑學碩士專業教育評估的38所建筑院校中，特別在具有博士學位授予權的建筑院校中，相當一部分建筑學專業碩士研究生導師的研究領域屬于城市設計范疇或與城市設計相關聯。這為設置城市設計碩士專業學位提供了充足的師資保障。其次，我國建筑院校已開設大量城市設計相關專業課程。今天，我國大部分建筑院校特別是通過評估的建筑院校已將城市設計課程作為碩士研究生的必修課程。城市設計引論、城市設計理論與方法等課程成為建筑學碩士培養方案中不可缺少的必修環節。2009年全日制專業型碩士研究生培養模式推行以來，在貫穿整個培養過程的設計課程中，城市設計課程更是其中的必要環節。可以認為，已開設的大量城市設計專業課程，為設置城市設計碩士專業學位奠定了基礎。最后，我國建筑設計行業已擁有成熟的實踐基地，可以提供城市設計碩士專業學位人才培養所要求的實習培養環節。我國的專業學位設置對實踐基地有著明確要求。在過去的幾十年中，越來越多的建筑設計領域的設計院、境內外建筑事務所等設計機構將學生的設計實踐作為其發展的重要平臺，形成了一大批既具有豐富工程設計經驗，又掌握教學規律的高水平建筑師。特別是2009年全日制專業型碩士研究生培養模式推行以來，體制化的設計實踐基地快速成長。這為設置城市設計碩士專業學位搭建了實踐平臺。在新時期，設置城市設計碩士專業學位，既是積極響應國家建設亟須和研究生教育改革精神的直接體現，又具備很強的可操作性。通過這一專業學位的設立，建筑院校可以和行業共同協作，大力培養城市設計專業人才，為提升我國城市設計專業水平奠定堅實的基礎。
4附錄
4.1城市設計碩士專業學位設置方案（草案）
（1）為適應我國新時期國家建設對于城市設計專業人才的迫切需求，完善人才培養體系，創新人才培養類型，提高人才培養質量，依托建筑學一級學科，針對已經獲得建筑學學士或建筑學碩士專業學位的建筑從業人員，設置城市設計碩士專業學位。（2）城市設計碩士專業學位英文名稱為MasterofUrbanDesigninArchitecture，簡稱MUDA。（3）城市設計碩士專業學位的培養目標是：培養具備良好的政治思想素質和職業道德素養，掌握城市設計的理論、方法和技術，熟悉相關學科的理論和知識，能夠勝任城市設計相關行業工作的高層次、應用型專門人才。（4）城市設計碩士專業學位的招生對象，一般為建筑學學士學位獲得者，或已獲得建筑學碩士專業學位的職業建筑師。城市設計碩士專業學位學制為2年，分為全日制和非全日制兩種培養模式。（5）城市設計碩士的課程設置要充分反映城市設計實踐領域對專門人才知識與素質的要求，注重以城市設計的思路、理論和方法創造性地解決實際問題能力的培養。課程體系應體現整體性、綜合性、實用性和一定的前瞻性，應以設計課程為重點，貫穿整個培養過程。（6）城市設計碩士的培養過程須突出城市設計實踐導向，增加實踐教學。研究生進行城市設計實習的時間不少于半年。（7）城市設計碩士專任教師須具有較強的專業實踐能力和教育教學水平。重視吸收來自城市設計實踐領域的專業人員承擔專業課程教學，構建多樣化的師資結構。城市設計碩士專業學位指導教師宜由建筑院校教師和設計機構實踐基地的建筑師擔任。（8）城市設計碩士專業學位論文（設計）選題應與城市設計實踐緊密結合。學位論文（設計）應有一定前瞻性、難度及必要的工作量，其形式可以為城市設計理論研究或城市設計專題。學位論文（設計）必須由攻讀城市設計碩士專業學位者獨立完成，能體現其綜合應用城市設計理論和方法解決實際問題的能力。（9）城市設計碩士專業學位論文（設計）評閱人和答辯委員會成員中，均需有城市設計實踐領域具有高級專業技術職務的專家。（10）修滿規定學分、完成城市設計實習并通過論文（設計）答辯者，由國家批準的研究生培養單位授予城市設計碩士專業學位。（11）根據2015年7月國務院學位委員會、教育部印發關于《學位證書和學位授予信息管理辦法》的通知，城市設計碩士專業學位證書由學位授予單位自行印制。
4.2城市設計碩士專業學位簡介（草案）
（1）城市設計碩士專業學位教育的性質與特點。城市設計碩士專業學位是為適應我國新時期國家建設對于城市設計專業人才的迫切需求，完善人才培養體系，創新人才培養模式，提高人才培養質量而設置的。城市設計碩士專業學位的目的是培養具有扎實理論基礎、適應城市設計行業和職業實際工作需要的應用型高層次專門人才。專業學位與工學學位處于同一層次，培養規格各有側重，在培養目標上有明顯差異。工學學位按學科設立，以學術研究為導向，偏重理論和研究，培養學術研究人才；而專業學位以專業實踐為導向，重視實踐和應用，培養在專業和專門技術上受到正規的、高水平訓練的高層次人才。城市設計碩士專業學位教育的特點在于突出城市設計實踐導向，課程設置充分反映城市設計實踐領域對專門人才的知識與素質要求；加強實踐教學，注重分析能力和創造性解決實際問題能力的培養；課程體系應體現整體性、綜合性、實用性和一定的前瞻性。（2）城市設計碩士專業學位教育的培養目標。培養具備良好的政治思想素質和職業道德素養，系統掌握城市設計與設計的理論、方法和技術，熟悉相關學科的理論和知識，能夠勝任城市設計工作和城市設計管理工作的高層次、應用型城市設計專門人才。（3）城市設計碩士專業學位教育的培養方式。城市設計碩士專業學位教育采用全日制和非全日制兩種學習方式；學制一般為2年；采用課程學習、設計實習和學位論文（設計）并重的培養方式。城市設計碩士專業學位教育采用學校導師和實踐基地導師“雙導師”培養，或學校導師負責的指導方式。“雙導師”培養模式中，城市設計碩士專業學位研究生導師由本單位相關學科具有高級職稱的教師擔任，并聘請設計機構實踐基地中具有高級職稱的專業人員擔任聯合導師。（4）城市設計碩士專業學位教育的培養特色。城市設計碩士專業學位教育的培養特色主要體現在以下兩個方面。第一，在培養目標上，培養城市設計領域中具有堅實的基礎理論和寬廣的專業知識，具有較強的解決實際問題的能力，能夠承擔專業技術或管理工作，具有良好職業素養的高層次應用型專門人才。第二，在培養方式上，專業學位課程設置以設計實踐為導向，以職業需求為目標，以綜合素養和設計能力的提高為核心。教學內容強調理論性與實踐性課程的有機結合，突出設計實踐課程；教學過程重視運用設計專題教學方法；注重培養學生分析和解決實踐問題的意識和能力。在整個培養過程中，要求有為期至少半年的實踐環節。（5）專業碩士研究生教育的培養方式。學位培養計劃包括3個主要環節：第一，專業課程學習1年，以城市設計專題為主干課程；各專業課程重視和加強與城市設計實踐的關聯性，培養學生的城市設計能力和城市設計管理能力。第二，專業實習0.5年，確保每位學生都能夠在城市設計機構進行至少為期6個月的專業實習，并由相關單位出具專業實習證明。第三，學位論文（設計）工作0.5年，學位論文（設計）應當針對城市設計實踐中的理論問題和設計問題開展研究，或與較為重要的城市設計項目相結合。學位論文（設計）應有一定前瞻性、難度及必要的工作量，其形式可以為城市設計理論研究或城市設計專題。學位論文（設計）由兩位具有高級專業技術職稱的專家評閱，其中必須有一位來自校外的設計機構或管理部門中具有高級專業技術職務的專家。學位論文的答辯委員會由至少3位具有高級專業技術職稱的專家組成，其中至少包含一位來自校外的設計機構或管理部門中具有高級專業技術職務的專家。（6）城市設計碩士專業學位教育的招生。招生對象主要為獲得建筑學學士專業學位的應屆畢業生和已獲得建筑學碩士專業學位的職業建筑師。城市設計碩士專業學位研究生需參加碩士生全國統一入學考試，擇優錄取。考試科目為：政治理論，全國統考。英語一，全國統考。城市設計基礎，由招生院校組織命題和考試。考試內容包括：城市設計理論、建筑學基礎知識、中外建筑史、中外城市規劃史等。以簡答題、論述題為主要題型，考卷滿分為150分。城市設計考試內容：以快題設計形式完成2~5公頃范圍地段的城市設計。考試時間為3小時，考卷滿分為150分。（7）城市設計碩士專業學位教育的就業與未來職業發展方向。城市設計是一門實踐性很強的學科，城市設計碩士研究生畢業后選擇的主要用人單位是從事建筑設計、城市設計、城市規劃等領域的相關機構和管理部門。今天，中國城市發展的重點已經由規模和數量的增加轉變為品質和質量的提升。城市設計關注空間的形式與風格，其目標在于創造美好的城市風貌。從國際上看，幾乎所有的境外建筑事務所，包括著名的建筑師事務所都把城市設計作為其主要的設計領域。也就是說，建筑師是建筑行業中城市設計領域的主力軍。目前，中國越來越多的建筑設計研究院設立了城市設計所、城市設計中心等專業部門，在城市設計的理論研究和實踐創作方面取得了大量優秀成果。不少建筑院校已經設置了城市設計研究所等教學和科研機構，并為國家培養了一大批優秀的、在本地區和本行業中有影響力的城市設計人才。同時，很多高校的建筑設計研究院在城市設計實踐中同樣取得了豐碩成果。新時期建設“美麗中國”的發展目標，意味著中國未來的城鄉建設對城市設計人才的需求將越來越大。
4.3城市設計碩士專業學位授權點申請基本條件（草案）
翻譯：成正華3， 審核：林文修4
摘要：對用于碳纖維外包加固鋼筋混凝土梁的有機粘結膠和無機粘結膠的性能作了比較研究。試驗內容是測定用無機粘結膠粘結碳纖維加固鋼筋混凝土梁的各項性能。試驗是模仿一個早先的試驗，在那個試驗中，鋼筋混凝土梁以同樣的方式用有機粘結膠加固。對兩種粘結膠加固后梁的強度、剛度、延性、破壞特征和裂縫開展狀況等作了比較。結果表明，用無機粘結膠加固后梁強度和剛度的提高與用有機粘結膠加固后的情形同樣有效，只是在延性上降低一點。破壞機理也從有機粘結膠加固情形的片材剝離破壞變為無機粘結膠加固情形的片材破裂破壞。破壞機理的改變是由于無機粘結膠的脆性導致了聚合物中裂縫的形成和聚合物與混凝土交界面上變形積累最小。
引言
眾所周知，對內部結構的修補和修復存在著廣泛的需求。許多的修補和修復技術正在被應用。20世紀60年展起來的外包粘鋼法加固鋼筋混凝土梁就是其中之一。最近，高強度的碳纖維、玻璃纖維等聚合物材料作為鋼板的替代物正在被發展和應用 [aci440-r-57（“美國”1996）]。這些被稱作纖維增強聚合物（frps）的系列具有許多重要的優點：自重輕、耐腐蝕和應用便捷等。自重輕可以減少施工時間和工程造價，因為不需要重型機械。應用時， frps不僅可以一層一層的粘貼使用，還可以以薄板的形式使用。
有機粘結膠聚合物的一個缺點是耐火性差。一些聚合物還容易在紫外線下變性老化，導致長期的耐久性問題。由于碳纖維、 玻璃纖維不但能夠堅持于正常地暴露于火中，而且能夠忍受紫外線的照射。因此，將這些纖維織物與混凝土粘結在一起的有機粘結膠就成了一個薄弱環節。本文論述的無機粘結膠不易燃，而且在紫外線下不會發生變性老化。用無機粘結膠粘結碳纖維聚合物做的溫度暴露試驗表明：暴露于80℃中1小時后，僅僅37%的碳纖維聚合物開始喪失抗彎承載力（foden et al 1996）。
無機粘結膠是一種低粘性樹脂，適用于粘結碳纖維、玻璃纖維等片材或織物。它的預先配制是混合一種鋁矽酸鹽粉末和一種以水為基礎的催化劑。在室溫情況下，大約可以存放3個小時。
無機粘結膠已經被應用于粘結碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁中。下面的部分分別講述了這些內容：有關無機粘結膠聚合物的背景資料；有機粘結膠加固鋼筋混凝土梁性能的綜述；無機粘結膠和碳纖維加固鋼筋混凝土梁的性能；用兩種粘結膠加固后，梁在強度、剛度、延性、破壞特征和裂縫開展狀況等方面的比較。
無機粘結膠的特性—高強度纖維聚合物
由無機粘結膠混合碳纖維、玻璃纖維和鋼筋纖維或片材制成的聚合板的力學性能在下面這些參考文獻中已經有了論述（國際專利應用文摘 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連續或不連續纖維織物加固的混凝土棱柱的耐久性也已有研究。主要的結論如下：
l 無機粘結膠系列應用非常方便，所有用于有機粘結膠的技術也適用于它。
l 無機粘結膠和碳纖維、玻璃纖維能很好的協調工作。以單向纖維的方式，碳纖維聚合物能承受650mpa的拉應力、550mp的受彎應力和30mpa的剪應力。相比而言，有機粘結膠粘結的碳纖維聚合物的這些值在一定程度上要低一些，這是由于無機粘結膠的脆性。
l 無機粘結膠能很好地與木材、混凝土或鋼材粘結。在外包鋼板之間的受剪承載力為15mpa。
l 在無機粘結膠加固體系和有機粘結膠加固體系中，疲勞性能相當。
迄今為止，所有的研究成果表明，在內部結構修補方面，無機粘結膠有著非常巨大的應用潛力。
有機粘結膠和碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的綜述
在世界范圍內，已經有許多研究者對用frps板或片材加固的鋼筋混凝土梁進行了廣泛的研究。梁可以用預先制作的frps板（ritchie et al 1991；saadatmanesh and ehsani 1991a；sharif et al 1994；ross et al 1999）加固，也可以柔軟的片材或織物（m'baszaa et al 196；nakamura et al 1996；arduini and nanni 1997）加固。在所有的這些實驗中，一種二組份的環氧樹脂被作為粘結膠使用。
在最先的研究報告（saadatmanesh and ehsani 1990）中，玻璃纖維增強聚合物（gfrp）板被粘在4根不同的鋼筋混凝土梁上，并且用不同的環氧樹脂粘結，這些環氧樹脂有著從1%到170%的變形能力。由此得出的結論是，這項加固技術中最適用的粘結膠是它必須具有足夠的粘性。因此，在后來的研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，使用的是一種橡膠粘性的環氧樹脂，它具有超過40%的變形能力。然而，在gfrp板中，記錄的最大變形僅僅只有0.8%。在那次研究（saadatmanesh and ehsani 1991a）中，最常見的破壞特征是frp板的剝離破壞。
ritchie et al（1991）也得出同樣的結論：最適用于結構修補的粘結膠是它具有足夠的粘性。他們評價了14根鋼筋混凝土梁的性能，這些梁用一種二組份橡膠粘性的環氧樹脂粘結碳纖維、玻璃纖維等聚合物板。在這次研究當中，最常見的破壞特征是在鋼筋水平位置發生混凝土保護層的受剪破壞。
從這些研究中得出的主要結論如下：
l 外包聚合物板的鋼筋混凝土梁的抗彎承載力有明顯提高，并且低配筋率梁的效果更加顯著。
l 裂縫的數量增多但平均裂縫寬度減小。
l 由于板材的剝離破壞或鋼筋螺紋水平位置上的混凝土保護層受剪破壞所引起的失效行為需要進一步的試驗和分析研究。這些破壞模式的破壞準則需要建立，以便正確地推測梁的極限承載力。
其它一些論文的作者也得出同樣的結論。所有這些研究的一個共同特點是，由于聚合物破裂而引起破壞的情形幾乎沒有。
研究程序
這次研究的焦點是比較粘結纖維片材加固鋼筋混凝土梁時脆性的無機粘結膠和柔軟的有機粘結膠的性能。要做的主要比較有：
l 兩種破壞模式的區別。
l 相對各自的基準梁，承載力增加的大小。
l 相對各自的基準梁，剛度增加的大小。
l 撓度和延性。
l 裂縫開展特征。
設計的試驗程序是模仿sherbrooke大學，quebec，canada（m'bazaa et al 1996）的試驗。因此，在比較無機粘結膠和有機粘結膠的性能時減少了試驗梁的數量，僅僅澆灌了4根與sherbrooke相似的鋼筋混凝土梁并且養護28天。然后，其中三根梁用碳纖維片材和無機粘結膠加固。所有4根梁都是簡支梁。
在sherbrooke大學的研究中，有機粘結膠的拉伸強度是這次研究中無機粘結膠的13倍。另外，變形能力是65倍，粘性是1000倍。盡管有這些力學性能上的重要差異，無機粘結膠和有機粘結膠加固的梁仍然具有相當的承載力提高和剛度增加，只是延性要低一些。
試驗步驟
如上面提到的，這次試驗是模仿m'bazaa et al（1996）的試驗。在那次試驗中，一共澆注了8根梁，跨度為3000mm，并在三分點進行加載。基本的變量是碳纖維的長度、端部錨固長度和加固量。梁在受拉區表面粘貼了三層單向的碳纖維片材，片材寬為166.7mm，長為2900mm（圖1），這根梁對這次試驗來說特別重要，因為碳纖維的面積是相當的。面積為0.826cm2。
這次澆注的梁與它具有相同的長度、寬度、高度（3000×200×300mm）和保護層厚度，見圖1。梁分別用2層、3層和5層單向碳纖維片材加固，面積分別為0.285cm2、0.427cm2和0.711cm2。
混凝土強度通過實驗室配合比控制，組成原料有astm i 水泥、自然砂、最大粒徑為19mm的碎石骨料和自來水。通過直徑為150mm的圓柱體進行試驗得到抗壓強度為47.3mpa。而sherbrooke大學試驗中的混凝土抗壓強度為44.3mpa。
sherbrooke大學試驗中，受彎鋼筋是2根no 10m 的鋼筋，總面積為200mm2，而這次試驗中，受彎鋼筋是2根no 4 的鋼筋，總面積為258mm2。取3根鋼筋試件進行軸向拉伸試驗，平均屈服強度為447mpa，極限強度為693mpa。sherbrooke大學試驗中相應的強度分別為439mpa和703mpa。
圖1 試驗梁尺寸詳圖
在兩次試驗中，梁的抗剪承載力都是設計富余的，因為，試驗的目標是使梁發生受彎破壞。sherbrooke大學試驗中，no 10m 的箍筋，間距為100mm，受剪承載力為281kn；這次試驗中，no 3 的箍筋，間距為95mm，受剪承載力為226kn。在一次試驗中可能遇到的最大剪力為55.0kn。因此，受剪性能不是影響因素。
梁的配筋和碳纖維加固情況詳見表1。
表1
試驗梁匯總
梁的編號
受彎鋼筋
碳纖維面積（cm2）
粘結膠類型
oc
2 #10m
無
無
ic
2 #4
無
無
os
2 #10m
0.826
有機粘結膠（環氧樹脂）
is1
2 #4
0.285
無機粘結膠
is2
2 #4
0.427
無機粘結膠
is3
2 #4
0.711
無機粘結膠
加固步驟
現在的研究程序
貼碳纖維之前，先用磨輪將表面的浮漿皮去掉和將粗糙突出的骨料磨平。然后，對表面噴砂和用熱水洗，最后晾干。
表面用無機粘結膠找平，并自然干燥直到它具有粘性（大約1小時）。同時，碳纖維用樹脂浸漬，并自然干燥直到具有粘性。再將作為粘結層的粘結膠刷在找平層上，然后，立即將浸漬好的碳纖維貼上。碳纖維必須滾壓以去掉多余的粘結膠。其余各層碳纖維都以同樣的步驟粘貼。
碳纖維粘貼好后，修補部位必須包扎以去掉空氣和使樹脂均勻飽滿。修補部位先用teflon 薄膜包裹，在用致密織物，然后用尼龍薄膜包扎。包裹要密封，并用真空泵抽成大約740mmhg的氣壓。最后，將梁加熱到80℃養護24小時。
比較研究（m'bazaa et al 1996）
m'bazaa et al（1996）的試驗中，梁的表面處理大致相同。接著用一種低粘性的二組份環氧樹脂找平，并在室溫下養護24小時。然后，將作為粘結層的二組份環氧樹脂刷在找平層上，再立即貼碳纖維片材。然后，用襯紙包裹保護，接著滾壓碳纖維片材以使粘結膠浸入碳纖維。然后，去掉襯紙，并用橡膠抹刀將額外的環氧樹脂抹進碳纖維片材中。然后，以同樣的步驟粘貼其余各層碳纖維。最后，置于室溫養護。
儀器布置
試驗梁是簡支梁，跨度為3000 mm。端部支撐為鋼軸，鋼軸置于混凝土墩上，混凝土墩固定于實驗室反力地板上。實驗時，通過手控液壓千斤頂加載，千斤頂垂直地安裝于梁頂，并固定于實驗室反力板上。荷載通過一根置于梁上的鋼制分配梁三分點加載（距離每邊支座1000mm）。荷載以每次2.24kn的方式典型施加。荷載通過置于千斤頂和分配梁之間的荷載傳感器測量。
4個電子電阻應變片置于跨中。2個12mm標距長度的應變片貼于受彎鋼筋上。1個應變片貼于梁的上表面，1個應變片貼于碳纖維上，標距長度都為50mm。
將一個機械表（百分表）置于跨中并固定于實驗室反力地板上以測量撓度，它必須垂直地安裝在梁底。每加一次荷載都讀取一個讀數。
結果和討論
在后面部分討論的主要內容是：破壞模式、裂縫特征、荷載撓度關系、承載力提高和變形。表2列出了結果的匯總。
注意到試驗中使用的碳纖維片材具有差異這一點很重要。對有機粘結膠加固體系做的試驗，用來加固結構構件的碳纖維經過了完善的發展。碳纖維排列很好，并且有一種特別的襯紙和有機膠料保護。有機粘結膠也經過特別的處理，在粘結碳纖維時能夠達到最佳的效果。這個體系發展了很多年，碳纖維排列很好，并且具有盡可能高的強度和剛度。
對無機粘結膠加固體系，使用的是商業上提供的一般紋路的碳纖維。不象有機粘結膠加固體系中的碳纖維有一種特別的襯紙保護，而且，這個體系使用的碳纖維是從生產交叉紋路玻璃纖維的地方生產的。與有機粘結膠體系相比，這種生產程序只能提供劣等排列的碳纖維。另外，在操作時更容易損壞，因為只有較少的有機膠料保護碳纖維。
表2
試驗結果匯總
梁的編號
荷 載（kn）
撓 度（mm）
最大變形
破壞模式
鋼筋屈服
極限狀態
鋼筋屈服
極限狀態
延 性
混凝土
碳纖維
oc
45.06
63.61
10.77
88.90
8.25
0.00145
—
適筋破壞
ic
57.83
74.51
11.00
93.98
8.55
0.00182
—
適筋破壞
os
67.30
99.64
12.27
28.19
2.30
0.00129
0.00693
剝離破壞
is1
73.40
80.51
12.95
20.14
1.55
0.00075
0.00553
碳纖維破裂
is2
75.62
91.90
12.90
23.32
1.81
0.00131
0.00581
碳纖維破裂
is3
84.52
110.09
13.97
24.05
1.72
0.00142
0.00641
碳纖維破裂
據作者的所知，這是第一次無機粘結膠加固體系的使用。經過特別預先處理進一步提純的碳纖維一定能提高其性能。
破壞模式和裂縫特征
sherbrooke大學的試驗和這次試驗中的基準梁（設計編號分別為oc和ic）都是標準的適筋梁破壞：鋼筋先屈服，然后混凝土被壓碎。ic梁比oc梁有更高的開裂剛度、屈服荷載和極限荷載。兩根梁的荷載—撓度關系見圖2。
圖2 基準梁的荷載—撓度曲線
sherbrooke大學試驗中的加固梁編號為os，這次試驗中的加固梁編號為is1，is2，is3。os梁是碳纖維片材的剝離破壞，而is1，is2，is3梁是碳纖維的破裂破壞。這是一個重要的結論，因為聚合物板材的破裂在文獻中幾乎沒有報道，而片材的分層破壞已經有比較普遍的報道了。
已經有了論述的是：os梁的裂縫特征是它的裂縫間距比基準梁的要小，而且裂縫分兩個階段開展。在第一階段出現的是垂直的受彎裂縫，而在鋼筋屈服后的第二階段出現的是斜裂縫；并且斜裂縫延伸不及梁高的1/6。
為了作裂縫特征的對比，采用了ritchie et al（1991）的結果。因為梁的跨度、高度和配筋量是相同的，并且ritchie et al提供了更加詳細的描述。使用的粘結膠是一種橡膠粘性的環氧樹脂。典型的ritchie et al（1991）的裂縫特征見圖3。
對兩根基準梁，裂縫特征是典型的適筋梁破壞，見圖3。基準梁底部ritchie et al（1991）有21條裂縫，見圖3(a)，而這次研究的ic梁底部有19條裂縫, 見圖3(c)。
加固后的os梁底部有52條裂縫, 見圖3(b)；而is3梁底部僅僅有25條裂縫，見圖3(d)。因此，裂縫數量的增加對有機粘結膠加固體系和無機粘結膠加固體系分別為148%和32%。裂縫的這些參數表明，有機粘結膠體系比無機粘結膠體系產生了更多的裂縫。作者認為，這是因為無機粘結膠在裂縫的位置沒有足夠的粘性保持碳纖維和混凝土的粘結，抑制了應力向鄰近的混凝土傳遞，而這一點是產生更多裂縫的必要條件。另外，混凝土中的裂縫貫穿了碳纖維聚合物，這又促使應力向碳纖維傳遞。相比而言，粘性的有機粘結膠能保持碳纖維和混凝土在每條裂縫附近的粘結，致使應力向鄰近的混凝土傳遞，這樣就產生了更多的裂縫。
圖3 極限荷載時裂縫的比較：
（a）有機粘結膠基準梁（ritchie et al 1991）；（b）有機粘結膠加固梁（ritchie et al 1991）；
（c）無機粘結膠基準梁（ic）；（d）無機粘結膠加固梁（is3）。
延性和荷載—撓度關系
有機粘結膠加固梁的荷載—撓度曲線見圖4。正如所料，增加碳纖維面積導致了開裂剛度、屈服剛度和極限荷載的提高。為了和以前研究的荷載—撓度曲線作比較，并考慮到基準梁的差異，將荷載—撓度曲線作標準化。標準化即是將ic、is1、is2、is3梁的荷載乘以一個系數：
oc梁的屈服荷載 / ic梁的屈服荷載
大量的撓度點進行了調整以保證曲線的連續。所有梁的標準化荷載—撓度曲線見圖5。從圖5中可以看出，無機粘結膠加固的梁和有機粘結膠加固的梁的荷載—撓度曲線的特征相似。用大致相同的碳纖維面積加固的is3梁和os梁具有相當的強度、剛度和延性。
圖4 有機粘結膠加固梁的荷載撓度曲線 圖5 所有梁的標準化荷載撓度曲線
對有機粘結膠加固體系和無機粘結膠加固體系，加固梁與基準梁相比，延性都有降低。對前者，撓度延性從8.25減到2.30；對后者，撓度延性從8.55減到1.55和1.81之間。比較用相同碳纖維面積加固的is3梁和os梁，is3梁的延性僅有os梁的75%。
承載力提高的比較
承載力的提高通過加固梁和基準梁最大彎矩的差值來量化。為了考慮碳纖維用量的差異，用單位碳纖維面積上彎矩的增加來計算，如下方程：
單位碳纖維面積上彎矩的增加 = m / acar （1）
其中 m表示相對基準梁彎矩的增加（kn-m）； acar 表示碳纖維的面積（m2）。
表3 承載力提高的比較
梁的編號
極限彎矩（kn-m）
彎矩的增加（kn-m）
單位碳纖維面積上
彎矩的增加
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
承載力提高的比較見表3。對這些結果進行仔細觀察得到下面的結論：
l 無機粘結膠加固體系和有機粘結膠加固體系提供了相當的加固效果。單位碳纖維面積上彎矩的增加，is2梁和os梁非常接近，is3梁比os梁高，而is1梁比os梁低。
l 無機粘結膠加固體系，單位碳纖維面積上彎矩的增加隨著碳纖維面積的增加而增加，這意味著使用更厚的碳纖維板將達到更佳的加固效率。在以前，這種趨勢還沒有被觀察到，這一定程度上是因為加固面積引起的效率問題還沒有被系統的研究。
剛度提高的比較
每根梁在開裂階段和屈服階段的抗彎剛度（ei）都用下式計算：
（2）
其中 p=總荷載（kn），等于兩點荷載的和；
=跨中撓度（m），用荷載p和跨度 （m）表示。
方程（2）是基于所有的材料是彈性，并且ei是常量的假設。由于撓度隨位置的改變而改變，抗彎剛度應該考慮為有效剛度的平均值。
對于開裂剛度，先在荷載—撓度曲線上找出開裂點和屈服點，然后在它們之間擬合一條二次退化曲線，這樣來確定（p/）項。對于屈服剛度，先在荷載—撓度曲線上的屈服段找出直線部分，然后在這些點之間擬合一條最佳的曲線，這樣來確定（p/）項。
剛度的提高通過加固梁的抗彎剛度減去基準梁的抗彎剛度來量化。與承載力的提高一樣，考慮碳纖維面積的影響，用單位碳纖維面積上剛度的增加來計算：
單位碳纖維面積上剛度的增加 = ei / acar （3）
其中 ei 表示相對基準梁剛度的增加（kn-m2）；
acar 表示碳纖維的面積（m2）。
剛度提高的比較見表4。
表4
剛度提高的比較
梁的編號
開裂階段
屈服階段
抗彎剛度（kn-m2）
抗彎剛度的增加（kn-m2）
單位碳纖維面積抗彎剛度的增加
抗彎剛度（kn-m2）
抗彎剛度的增加（kn-m2）
單位碳纖維面積抗彎剛度的增加
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
對這些結果進行仔細觀察得到下面的結論：
l is梁和os梁開裂剛度的增加相當。在單位碳纖維面積上開裂剛度的增加，無機粘結膠加固的3根梁中有1根梁的比os梁大，但是，所有的差異都非常小。
l 至于單位碳纖維面積上屈服剛度的增加，is梁都比os梁的大。這一點特別有意義，因為無機粘結膠聚合物本身的剛度比有機粘結膠聚合物小。無機粘結膠聚合物只有200gpa的拉伸模量（foden 1999），而有機粘結膠聚合物有240gpa的拉伸模量（廠家提供的資料，作者注）。有機粘結膠加固梁屈服剛度較小可以這樣解釋，在高變形下混凝土和粘結膠之間有較軟的交接面。這一點可以由os梁的撓度—荷載曲線比is梁的更具有非線性而得到進一步的證實。
應力和應變的比較
試驗中，梁os、is1、is2和is3的碳纖維的極限應變分別為0.00693、0.00553、0.00581和0.00641。假定os梁中聚合物的拉伸模量為240gpa（forca 1996，作者注），is梁中聚合物的拉伸模量為200gpa（foden 1996）。碳纖維的極限應力計算見表5。在此，os梁在碳纖維應力大約為1663mpa時發生剝離破壞；而is梁在碳纖維平均應力大約為1184mpa時發生破裂破壞。注意到下面這一點：在無機粘結膠加固體系中，當粘結膠出現裂縫時關鍵的應力出現在碳纖維中，而在無機粘結膠加固體系中，碳纖維板和粘結膠像一塊聚合物板一樣工作；這是因為粘性的有機粘結膠有比無機粘結膠更高的變形能力。
表5
碳纖維和交接面中最大的應力
梁的編號
碳纖維
交接面
極限應力（mpa）
承載力提高百分比（%）
極限荷載（kn）
極限平均剪應力（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：* 表示破壞
表5計算出了在極限荷載時碳纖維和混凝土交接面上的平均剪應力。計算方法是用碳纖維承受的最大力除以剪跨范圍內的粘結面積。根據這個計算，os梁中平均極限剪應力為867mpa。作為比較，ritchie et al（1991）推測平均極限剪應力在758mpa和827mpa之間。但是，is梁的平均極限剪應力卻不能估計出，因為碳纖維沒有發生剝離破壞。然而，is3梁承受了630mpa的平均剪應力還沒有發生分層破壞，意味著平均極限剪應力至少為630mpa。
對于給出的力學性能的差異，無機粘結膠的平均極限剪應力至少是有機粘結膠的70%這一點非常有意義。無機粘結膠的剪力承載力足夠使碳纖維破裂這一點也很重要。
其它的結果
所有的is梁都是因為碳纖維的破裂而失效。 從is3梁上剝下的碳纖維片材的圖片見圖6。多數的碳纖維片材都粘有混凝土碎片。在恒彎區段，碳纖維片材不能被剝下。
圖6 無機粘結膠體系—碳纖維破裂 圖7 有機粘結膠體系—碳纖維剝離
作為比較，圖7顯示了用一種粘性的環氧樹脂和碳纖維加固鋼筋混凝土梁時碳纖維發生剝離破壞的情況（作者在一個相關研究中做的試驗）。這個加固體系與os梁很相似，都包括環氧樹脂找平層、環氧樹脂粘結膠和碳纖維片材。其中的碳纖維和sherbrooke大學試驗用的一樣；環氧樹脂也一樣，變形能力為2.0%，拉伸強度為45mpa，拉伸模量為3gpa。圖6中的剝離是斷斷續續，而圖7中是連續均勻的。圖7中，粘在粘結膠上的砂粒也具有一致的現象，沒有局部失效的跡象，而局部失效的跡象意味著有粘結滑移。圖7中也沒有裸露的碳纖維，這表明碳纖維和混凝土之間的粘結沒有破壞。拍攝圖片之前，碳纖維上也有一層疏松的骨料，這意味著剝離破壞是由于集合體從混凝土漿中脫出。
傳力機理的比較
如前面敘述的，有機粘結膠的粘性比無機粘結膠大1000倍；變形能力大65倍；盡管存在這些力學性能上的差異，無機粘結膠加固體系和有機粘結膠加固體系的性能仍然是相當。這些令人驚訝的結果意味著在傳力機理上存在著重要的差異。
為了闡明傳力機理上的差異， 一個關于混凝土塊粘結碳纖維片材然后受拉的示意圖見圖8。最初，混凝土和碳纖維片材粘在一起沒有受拉，見圖8（a）。為了比較無機粘結膠和有機粘結膠，對粘在一起的混凝土和碳纖維片材施加拉力，分別見圖8（b）和圖8（c）。
圖8（b）部分地基于作者在另一個相關試驗研究上得出的結論，那個試驗是使用同樣的有機粘結膠。當有機粘結膠加固體系受拉，可以觀察到極細的裂縫出現在交接面上，但基本上不連續延伸。這些極細的裂縫出現的原因有下面幾點 ：
l 有機粘結膠的粘性要比波特蘭水泥漿大得多。因此，混凝土破裂所需的能量比粘結膠和骨料交接面之間破裂所需的能量要少。所以，盡管在高應變下粘結膠和骨料之間的粘結也不會破壞。
l 典型水泥漿的受拉變形能力大約是0.0003mm/mm，在os梁中，碳纖維的這個值要超過它20倍以上。
因此，為了變形的協調，在很強的粘結膠—骨料交接面和較低變形能力的水泥漿之間必須產生交接裂縫。假如將骨料看作剛性體并且粘結是完好的，那么交接裂縫達到骨料尺寸的大小將導致水泥漿和骨料粘結的瓦解。
從圖8（c）中可以發現，當使用無機粘結膠時沒有產生微小的交接裂縫。原因有下面幾點 ：
l 有機粘結膠的粘性和水泥漿的相當。它不足以保持和骨料的粘結，而這一點是水泥漿和骨料之間產生交接裂縫的必要條件。因此，在高應變下是粘結膠失效而不是水泥漿。
l 在粘結膠裂縫變形為0.0007 mm/mm時，混凝土出現裂縫并且貫穿粘結膠聚合物，這導致了碳纖維應力的增加和聚合物剛度的減少。
在傳力機理上的主要差異是，粘性的有機粘結膠使水泥漿和骨料的粘結瓦解，而脆性的無機粘結膠導致不連續的粘結失效和碳纖維上應力的局部集中。
圖8 荷載傳力機制的比較：（a）碳纖維粘在混凝土上；
（b）粘性粘結膠粘結的碳纖維受拉；（c）脆性粘結膠粘結的碳纖維受拉；
脆性無機粘結膠的性能與混凝土中鋼筋的粘結行為相似。圖9中闡明了眾所周知的混凝土中的鋼筋螺紋的粘結行為。圖9（b）中表明了在鋼筋上施加拉力和達到平衡的裂縫間距后環帶的滑移是它的粘結特征。在高應變的情況下，鋼筋在裂縫附近的粘結實際上已經失效。
圖9 鋼筋：（a）鋼筋在混凝土中；(b) 受拉后荷載的傳遞
總之，作者認為無機粘結膠在高應變的情形下通過局部剝離來保持和碳纖維的粘結。碳纖維僅僅在不連續的間隔上保持和混凝土的粘結。這個機理使混凝土交接面沒有承受很高的拉伸應變。因此，混凝土保持著較高的受剪承載力，能夠承擔所受的剪應力而不發生失效。而粘性的粘結膠不允許有局部的粘結失效。為了保持碳纖維和交接面上變形的協調，混凝土承受了很高的拉伸變形，而很高的拉伸變形使骨料和水泥漿之間的粘結變得松散，從而降低交接面的受剪承載力。
結論
基于本文提供的試驗結果和與其它文獻中試驗結果的比較，得出下面的結論：
l 無機粘結膠加固體系和有機粘結膠加固體系在提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載力方面相當。
l 對無機粘結膠加固體系，單位碳纖維面積上梁承載力的提高隨碳纖維層數的增多而更加顯著。
l 在無機粘結膠加固體系和有機粘結膠加固體系中，梁開裂剛度的增加相等。而且發現，單位碳纖維面積上梁開裂剛度的增加也大致相等。
l 無機粘結膠加固體系中梁屈服剛度的增加要比有機粘結膠加固體系中梁屈服剛度的增加要顯著。而且發現，單位碳纖維面積上無機粘結膠加固體系中梁屈服剛度的增加也要多一些。
l 無機粘結膠加固體系中梁破壞時的撓度比有機粘結膠加固體系中梁破壞時的撓度要少25%。
l 無機粘結膠加固體系中梁都以碳纖維的破裂破壞而失效。相比而言，有機粘結膠加固體系中梁都以碳纖維的剝離破壞而失效。這一點是由于聚合物和混凝土母體之間的傳力機理不同而引起的。
l 作者認為無機粘結膠加固體系中粘結膠的粘結行為和混凝土中的粘結行為相似。裂縫附近的粘結失效使碳纖維中的粘結發生局部滑移，從而粘結是間斷的。這個機理降低了在混凝土中交接面的拉伸變形。當應變不是很高時，完全的剝離是不會出現的，這是因為交接面上的受剪承載力很強。這個觀念值得進一步的觀察研究，因為它對外包加固混凝土梁中粘結失效行為的進一步研究具有重要的意義。
致謝
作者非常感謝國家科學基金（cms 9909830；vijaya gopu，program manager）的大力支持。還要感謝熟練的施工人員和geopolymer的dr, joseph davidovits與the ffa技術中心的dr. richard lyon of提供的技術建議。
附錄 i 參考文獻 （略）
附錄 ii 注釋
本文應用的符號如下：
acar = 碳纖維面積 fy = 鋼筋的屈服強度
