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碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責任編輯:管理員人氣:發(fā)表時間:2015-09-01【

1.很多建筑物由于受到建造年代、結(jié)構(gòu)使用功能改變、技術(shù)條件或自然災害等因素的影響,出現(xiàn)承載力不足、變形能力變差、抗震能力降低或抗疲勞能力下降等現(xiàn)象,不能滿足現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的要求,因此,需要對其進行加固、補強。我國在結(jié)構(gòu)加固和補強方面做了大量的研究和實踐,工程中常用的結(jié)構(gòu)加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復合材料加固法等。傳統(tǒng)的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復雜,對結(jié)構(gòu)的自重和使用面積有一定的影響,而粘貼碳纖維復合材料加固法具有高強高效、耐腐蝕、施工便捷、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點,在工程中得到了廣泛的應用[1]。   
2. 碳纖維復合材料的優(yōu)良性能   碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型、高效的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。工程中采用的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用樹脂膠結(jié)材料,將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面,以達到結(jié)構(gòu)加固補強及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。   與傳統(tǒng)的加固方法相比,碳纖維加固技術(shù)具有以下的優(yōu)良性能[1]。  ?。?)高強度高彈性模量。碳纖維的強度高,極限抗拉強度約為鋼材的10 倍,彈性模量和鋼材相近。因此,在加固修補混凝土結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善其受力性能,達到加固修補的目的。  ?。?)抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學性質(zhì)穩(wěn)定,不與酸、堿、鹽等化學物質(zhì)發(fā)生反應,因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性和耐久性,解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題;同時也免去了粘鋼加固所需的定期防銹維護,節(jié)省維護費用。   (3)熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小,其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零,這一特性是目前其他任何材料無可比擬的,垂直于纖維方向的熱膨脹系數(shù)雖然比較大,但各向同性制品與其它材料相比又最小。  ?。?)施工簡便,工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設(shè)備,施工占用場地少,無濕作業(yè),碳纖維布柔性好,可以根據(jù)設(shè)計尺寸用剪刀或刀片將其任意裁剪,操作簡單,施工速度快。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼板加固工效的4~8 倍。   (5)施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料,即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整,經(jīng)過修補后,有效粘貼率可達到95%以上。   (6)對結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕,厚度薄,經(jīng)加固修補后的構(gòu)件,基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸,不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。  ?。?)適用范圍廣??捎糜诓煌Y(jié)構(gòu)類型(如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道、涵洞等)、不同結(jié)構(gòu)形狀(如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等)、不同材料的構(gòu)件(如混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等)加固,也可用于構(gòu)件的不同部位(如梁、板、柱、節(jié)點、拱、殼、墩等)及不同薄弱因素的加固。尤其重要的是,對于一些大型土木工程結(jié)構(gòu),如大型橋梁的橋墩、梁及橋面板,隧道等,采用舊的加固手段幾乎不能實施,而采用該項加固技術(shù)卻能順利的解決。   除此之外,碳纖維材料還有其他的一些優(yōu)勢,如透電磁波、絕緣、隔熱等,這就使得碳纖維加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固方面產(chǎn)生良好的綜合效益。   內(nèi)容來自123456
 3. 碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究   在實際工程中,用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用已較成熟,主要集中在以下幾個方面。   (1)提高受剪承載力   碳纖維布對構(gòu)件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用,與混凝土共同承受剪力。另外,碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用,并能承擔拉應力,防止主筋過早屈服,抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此,碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力,增強構(gòu)件的變形能力。影響受剪加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數(shù)、粘結(jié)劑質(zhì)量、粘貼質(zhì)量、剪跨比、加固前構(gòu)件的受荷情況、錨固方式等[2、3]。  ?。?)提高受彎承載力   由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性,可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層,使之與混凝土共同承擔拉應力,以提高構(gòu)件的受彎承載力,達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后,受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高,有效的抑制了裂縫的開展,構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善[4]。影響受彎加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數(shù)、粘結(jié)劑質(zhì)量、粘貼質(zhì)量、加固前構(gòu)件的受荷情況、縱筋配筋率、構(gòu)件截面尺寸等[4、5]。  ?。?)提高抗震能力   由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開裂,提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力,當需要提高構(gòu)件的抗震能力時,亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱,往往要求進行構(gòu)件的抗震設(shè)計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點范圍,或?qū)︿摻罨炷林M行包裹,可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性,增加耗能能力,具有良好的抗震加固效果[6]。此時,應考慮軸壓比、碳纖維布用量、配箍率、長細比等因素對碳纖維布加固構(gòu)件的變形能力和抗震性能的影響。   (4)提高抗疲勞能力   對于承受動力荷載或重復荷載的構(gòu)件,設(shè)計時要求具有足夠的抗疲勞性能,抗疲勞能力的大小與其截面尺寸、配筋率、縱筋類型和荷載級別等有關(guān)。用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁的加固,經(jīng)200 萬次重復荷載作用后,加固構(gòu)件的強度和剛度不會降低,也不會發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象[7]。如果采用預應力碳纖維布加固的形式,預應力碳纖維布的存在,使構(gòu)件中縱筋的應力幅值有所降低,減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高,疲勞變形有所減小,構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大提高,從而延長構(gòu)件的使用壽命。   本文來自123
   4. 結(jié) 論   碳纖維復合材料的耐久性好,抵抗酸、堿腐蝕的能力強,對原結(jié)構(gòu)的影響較小,施工方便,具有其他加固手段所不具備的優(yōu)點。用碳纖維復合材料進行混凝土結(jié)構(gòu)的加固,可以有效的提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力,改善結(jié)構(gòu)的變形性能,增強結(jié)構(gòu)的抗震能力,提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能,綜合加固效果顯著。但是,碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)仍存在一些不足之處。   (1)碳纖維是一種線彈性脆性材料,只有當構(gòu)件發(fā)生較大變形時,才能充分發(fā)揮其高強高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對變形有比較嚴格的控制,在一定程度上限制了碳纖維復合材料能力的發(fā)揮。   (2)碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后,容易發(fā)生粘貼剝離破壞,使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài),對結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。  ?。?)目前對碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少,在類似方面應用時應有專門研究。  ?。?)對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應用成果,但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。  ?。?)進行碳纖維復合材料加固時,采用建筑結(jié)構(gòu)膠作為碳纖維復合材料和混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)劑,該粘結(jié)劑對溫度比較敏感,使加固構(gòu)件的受力性能受溫度的影響較大,應進一步加強該方面的研究工作。 copyright 123456
  總之,碳纖維材料加固技術(shù)具有與其它傳統(tǒng)加固方法無法比擬的優(yōu)越性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益,隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入,該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應用會越來越廣泛,具有廣闊的發(fā)展前景。
 

 

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