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粘贴碳纤维复合材料加固法的优点

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浏览:- 发布日期:2018-07-23 14:42:42【

很多建筑物由于受到建造年代、结构使用功能改变、技术条件或自然灾害等因素的影响,出现承载力不足、变形能力变差、抗震能力降低或抗疲劳能力下降等现象,不能满足现行《混凝土结构设计规范》和《建筑结构抗震设计规范》的要求,因此,需要对其进行加固、补强。我国在结构加固和补强方面做了大量的研究和实践,工程中常用的结构加固方法有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法等。传统的加固方法整体水平比较落后、施工方法和施工工艺比较复杂,对结构的自重和使用面积有一定的影响,而粘贴碳纤维复合材料加固法具有高强高效、耐腐蚀、施工便捷、不增加结构尺寸等优点,在工程中得到了广泛的应用.

2. 碳纤维复合材料的优良性能

碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)加固混凝土结构技术是一种新型、高效的结构加固技术。工程中采用的碳纤维加固混凝土结构技术是利用树脂胶结材料,将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面,以达到结构加固补强及改善结构受力性能的目的。

与传统的加固方法相比,碳纤维加固技术具有以下的优良性能.

(1)高强度高弹性模量。碳纤维的强度高,极限抗拉强度约为钢材的10 倍,弹性模量和钢材相近。因此,在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到加固修补的目的。

(2)抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定,不与酸、碱、盐等化学物质发生反应,因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性,解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题;同时也免去了粘钢加固所需的定期防锈维护,节省维护费用。

(3)热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小,其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零,这一特性是目前其他任何材料无可比拟的,垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大,但各向同性制品与其它材料相比又最小。

(4)施工简便,工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备,施工占用场地少,无湿作业,碳纤维布柔性好,可以根据设计尺寸用剪刀或刀片将其任意裁剪,操作简单,施工速度快。据有关资料统计,粘贴碳纤维的加固工效是粘贴钢板加固工效的4~8 倍。

(5)施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料,即使被加固构件的表面不是非常平整,经过修补后,有效粘贴率可达到95%以上。

(6)对结构影响小。碳纤维材料重量轻,厚度薄,经加固修补后的构件,基本上不增加原结构的自重及尺寸,不影响结构的使用空间。

(7)适用范围广。可用于不同结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等)、不同结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、不同材料的构件(如混凝土结构、木结构、钢结构等)加固,也可用于构件的不同部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)及不同薄弱因素的加固。尤其重要的是,对于一些大型土木工程结构,如大型桥梁的桥墩、梁及桥面板.

3. 碳纤维复合材料加固混凝土结构的研究

在实际工程中,用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟,主要集中在以下几个方面。

(1)提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用,与混凝土共同承受剪力。另外,碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用,并能承担拉应力,防止主筋过早屈服,抑制剪切裂缝的出现和发展。因此,碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力,增强构件的变形能力。影响受剪加固效果的主要因素有碳纤维布的材料性能、碳纤维布的宽度和层数、粘结剂质量、粘贴质量、剪跨比、加固前构件的受荷情况、锚固方式等.

(2)提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性,可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层,使之与混凝土共同承担拉应力,以提高构件的受弯承载力,达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后,受弯构件的受弯承载能力明显提高,有效的抑制了裂缝的开展,构件的变形能力和延性性能得到显著改善[4].影响受弯加固效果的主要因素有碳纤维布的材料性能、碳纤维布的宽度和层数、粘结剂质量、粘贴质量、加固前构件的受荷情况、纵筋配筋率、构件截面尺寸等.

(3)提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂,提高构件的刚度和抵抗变形的能力,当需要提高构件的抗震能力时,亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱,往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围,或对钢筋混凝土柱进行包裹,可以明显改善结构中混凝土构件的延性,增加耗能能力,具有良好的抗震加固效果[6].此时,应考虑轴压比、碳纤维布用量、配箍率、长细比等因素对碳纤维布加固构件的变形能力和抗震性能的影响。

(4)提高抗疲劳能力

对于承受动力荷载或重复荷载的构件,设计时要求具有足够的抗疲劳性能,抗疲劳能力的大小与其截面尺寸、配筋率、纵筋类型和荷载级别等有关。用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固,经200 万次重复荷载作用后,加固构件的强度和刚度不会降低,也不会发生剥落和脆断现象[7].如果采用预应力碳纤维布加固的形式,预应力碳纤维布的存在,使构件中纵筋的应力幅值有所降低,减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高,疲劳变形有所减小,构件的疲劳抗裂性能得到较大提高,从而延长构件的使用寿命。

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