碳纤维加固法

碳纤维加固法（精选7篇）

碳纤维加固法 篇1

碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强以提高构件的抗弯承载力, 抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力, 提高构件的刚度以及延性等。此外可用于控制混凝土构件裂缝宽度的发展。碳纤维片材 (特别是碳纤维布) 质量轻且厚度薄, 具有一定柔度, 可在混凝土桥的某些部位灵活粘贴加固, 在梁桥加固施工中应用广泛。

1 施工材料

粘贴碳纤维加固法施工材料有以下几种:

1.1 碳纤维复合材料

加固混凝土构件所用的碳纤维布, 是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时, 将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺, 用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起, 形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度一般应达3550MPa, 弹性模量为2.35105MPa。根据碳纤维布的品质不同, 其厚度在0.11～0.43mm, 幅宽在20～100cm, 卷材长度为50～100m。

1.2 粘结材料

粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键, 也是两者之间传力途径中的薄弱环节。粘结材料应有足够的刚度与强度以保证碳纤维与混凝土间剪力的传递, 同时应有足够的韧性以避免因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。粘结材料还应能在一般气候条件下固化, 且固化时间合适 (一般保证有3小时左右) , 对组分含量不敏感, 具有适宜的流动性和粘度, 固化收缩率小。粘结材料主要包括底涂胶、找平胶、浸渍树脂和罩面胶 (见图1) 等四种。

(1) 底涂胶:在处理好的混凝土表面上, 涂一层很薄的底涂胶, 既可以浸入混凝土表面, 强化混凝土表面强度, 又可以改进胶接性能, 使混凝土与碳纤维布能够更好的粘接。底涂胶必须具有很低的粘度, 以及与混凝土良好的粘结性能, 以便涂刷后, 胶粘剂能渗入混凝土结构中。 (为保证性能, 应尽量避免使用溶剂型胶)

(2) 找平胶:加固补强处的混凝土表面有锐利突起物、错位和转角部位等都可能降低碳纤维布补强效果。若经过基底处理仍未彻底清除, 应在涂敷底层涂料指触干燥后, 用找平胶进行找平。找平胶应具有优良的力学性能, 以及良好的施工性能与触变性能。找平胶应易于施工操作, 且不随时间的延长出现明显的变形。

(3) 浸渍树脂 (粘贴主胶:连接着底胶与碳纤维布, 在粘结材料中起着至关重要的作用。浸渍树脂应具有一定的粘度, 防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙;浸渍树脂应具有良好的触变性, 易于施工且不会发生明显的滴淌现象;浸渍树脂应具有良好的渗透性与相容性, 以利于浸透碳纤维布, 形成复合性整体, 共同抵抗外力作用。

(4) 防护涂装 (罩面胶) :保证施工表面的美观和碳纤维布的完好无损。所选材料应能涂敷在碳纤维布表面, 并不脱层, 不掉落, 能长期在冷热干湿的空气中稳定, 防止复合材料被紫外线直接照射。

2 施工要求

粘贴碳纤维施工的具体要求有:

2.1 被加固构件的基面应平整且具有一定强度 (一般基面混凝土强度不低于C15) 。

2.2 加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接 (特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固) ;搭接部位应避开构件应力最大区段, 搭接长度不应小于100mm, 且搭接端部应平整无翘曲;多层搭接的各层接口位置不应在同一截面, 每层接口位置的净距宜大于200mm。

2.3 应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性。

2.4 粘贴施工应在气温高于5℃且为晴天时进行。

2.5 施工人员应穿工作服, 戴防护口罩和手套;施工现场应保护良好的通风。

3 施工要点

粘贴碳纤维加固法具体施工工艺有以下几个方面:

3.1 施工前的准备:

熟悉施工现场和被加固构件混凝土的实际情况, 拟出施工大纲;提前准备好所需的纤维布、配套树脂、机具等工作。

3.2 混凝土表面的处理:

用砂轮机清除和打磨混凝土表面的劣化层, 凿除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等部分混凝土, 并用修复材料将表面修复平整;在裂缝部分注入环氧树脂浆进行修补;基面的错位与凸出部分要磨平 (可在锚固加强区每隔5cm刻痕一道, 以加强粘贴效果) , 转角部位要进行倒角处理并打磨成圆弧状, 圆弧半径不应小于2cm;清除工作面的灰尘并保持干燥。

3.3 清洗基面:

用钢丝刷刷去表面松散浮渣, 再用压缩空气除去粉尘;用丙酮或无水酒精擦拭表面, 也可用清水冲洗, 保证其充分干燥。

3.4 配制底层树脂并涂刷:

按比例准确配制好底胶并搅拌均匀, 注意一次调和量在规定时间内用完 (超过时间的绝不可使用, 以确保粘接质量;用毛刷或特制将底层树脂均匀地涂抹在基面上, 注意直横均匀涂抹, 自然风干 (冬季施工时胶的粘度较高, 不能涂得太厚) ;底胶硬化后, 若表面有凸起部分, 应用砂纸或磨光机打光;待底胶指触干燥后再进行下一道工序。

3.5 配制找平材料并整平:

用找平胶填补粘贴面上的凹陷部位, 消除棱角;用找平材料将转角处修复为光滑的圆弧;待找平胶指触干燥后再进行下一道工序。

3.6

配制粘结树脂

3.7 粘贴碳纤维布 (碳纤维片) :

待粘贴面上划出各层位置;按设计尺寸裁剪碳纤维布, 根据现场施工经验和作业空间确定下料长度, 若需接长时, 接头的长度一般不小于15cm;裁剪好的纤维布必须呈卷状妥善摆放, 不得展开平铺放置;配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位;粘贴碳纤维布时, 应依设计位置由上而下, 由左至右有秩序地粘贴, 用一次性软毛刷或特制滚筒沿纤维方向多次涂刷, 挤去气泡, 并使浸渍树脂充分浸透纤维布, 涂刷时不得损伤纤维布;多层粘贴重复上述步骤, 待纤维表面指触干燥时即进行下一层的粘贴;即时观察贴片是否粘贴密实, 若发现有间隙或气泡, 应及时处理。

3.8 罩面防护处理:

粘贴完碳纤维布后, 即时在最后一层的碳纤维布表面再直横均匀涂抹一层浸渍树脂, 并使其自然风干;确保贴片表面已充分风干结合后, 在其表面涂抹罩面胶或采取其它措施处理, 以保证防护材料与原有纤维布之间有可靠的粘结及其各层胶的耐久性。

4 优缺点

与传统的加固方法相比, 采用碳纤维布加固桥梁能最小程度的改变原有结构的应力分布, 保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。

碳纤维布的自重仅为200-300g/m2, 设计厚度为0.111～0.167mm, 几乎不增加结构自重和截面尺寸, 几乎不改变桥下的净空高度, 而且碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴, 充分满足补强的要求, 这一点比传统加固方式更加优越。粘贴碳纤维加固法具有良好的适应性, 可适应不同构件形状, 成型很方便, 如对斜、弯、坡及异型结构的补强, 碳纤维布因随型性极强, 可以随结构外形变化任意施工, 降低了施工难度, 缩短了施工工期;又如当箱梁内部加固作业因空间受到限制, 无法安置大型设备、模板、夹具或支撑等, 使用该法, 施工起来简单易行。加固时不必对原结构打孔和埋设锚固螺栓, 因而对原结构不会造成新的损伤。粘贴碳纤维加固法具有良好的耐腐蚀性, 寿命较长, 可以在不利环境下使用, 并便于养护。碳纤维会影响到受弯构件的破坏形态及其延性。

就目前来看, 碳纤维材料价格偏高, 加固时应进行经济技术比较;另外, 粘贴碳纤维加固法对施工工艺要求很高, 非专业施工单位难以承担。

5 结语

综上所述, 粘贴碳纤维加固法是利用粘结剂将碳纤维增强复合材料 (CFRP) 粘贴在混凝土构件表面, 当结构荷载增加时, 碳纤维布因与混凝土协调变形而共同受力, 从而提高了混凝土构件的承载能力与刚度, 对桥梁起到了加固作用。该加固法采用了新材料、使用了新工艺, 且粘贴效果良好, 必将更广泛地应用于桥梁结构的加固之中

参考文献

[1]王俊岭.粘贴碳纤维加固法在工程中的应用[J].山西建筑, 2004, (20)

[2]赵彤, 谢剑, 马术岭, 罗振彪.碳纤维布补强加固钢筋混凝土板的研究与工程应用[J].水利水电技术, 2002, (05) .

应用黏碳纤维法加固重腐蚀结构 篇2

某盐硝厂制盐车间建于1989年, 为钢筋混凝土框架结构, 共3层, 东西长49m, 南北宽17m, 建筑面积约2 100m 2。虽然投入使用的时间并不太长, 但是由于制盐车间特殊的使用环境, 厂房结构已出现了严重的腐蚀破坏现象。

2破坏状况及原因分析

厂房内大部分柱、梁、板构件均出现了不同程度的破坏现象, 主要表现为混凝土开裂、酥松破碎、粉化剥落, 钢筋锈蚀、外露等。整个厂房的破坏状况可谓触目惊心, 大量混凝土剥落, 未剥落部位也有很多早已腐化, 触手即溃, 多处钢筋几乎已完全锈断。

经统计, 已经出现破坏现象的梁、柱、板等构件约占整个车间的60%, 其中约40%的构件破坏比较严重, 混凝土开裂剥落, 构件外形已很不完整, 截面损失最大的超过30%, 结构刚度大大下降;锈蚀严重的部位, 钢筋截面损失超过60%。经初步检测, 混凝土强度已下降约30%, 且碳化严重。

由于制盐车间特殊的环境, 盐腐蚀是结构破坏的最直接和最主要原因。空气中存在大量的氯离子Cl-、水蒸气H2O和氧O2, 甚至有时生产中的盐水直接流到了结构构件上, 这样直接造成混凝土结构中钢筋化学反应, 锈蚀破坏。钢筋锈蚀又导致体积膨胀;不仅钢筋锈胀导致混凝土开裂, 混凝土本身的腐化及混凝土中微小孔隙渗入的盐类的晶体化也产生体积膨胀起物理性破坏。经过一定的时间, 结构混凝土变形开裂, 酥松粉化, 钢筋的保护作用越来越小, 又进一步导致钢筋锈蚀加剧。破坏的过程为混凝土变形—开裂—疏松—粉化—剥落, 钢筋锈蚀膨胀—外露—再锈蚀膨胀, 整体结构逐步破坏。

厂房结构的破坏极其严重, 已极度不安全, 必须尽快进行加固处理。

3结构加固方案

3.1加固方法选择

对钢筋混凝土结构的加固, 目前最常用的方法主要有三种[1]:钢筋混凝土加大截面法、粘贴钢板法、粘贴碳纤维法。

加大截面法是传统的加固方法, 用同种材料———钢筋混凝土来加大被加固构件的截面和配筋量, 并通过植筋或焊接来保证新旧结构的连接。加大截面法造价相对较低, 可以使构件刚度、承载力、抗变形能力同时提高, 但是它增大了构件的尺寸和自重, 影响构件的使用功能, 而且施工不便、速度慢、占用空间大、噪音大, 对生产、生活有较大的影响。更重要的是, 新旧混凝土结合面是一个薄弱环节, 共同工作效果较差, 严重影响加固效果;而且, 在重腐蚀环境下, 腐蚀介质更容易侵入新旧结合面这个薄弱环节, 造成深度腐蚀, 使加固和防腐更容易和更快地失效。

粘贴钢板法和粘贴碳纤维法是比较新式的加固方法, 可以很好地解决加固材料与被加固结构的新旧结合问题。粘贴加固技术的原理是将钢板或碳纤维等通过高强粘接剂粘贴在混凝土构件外表面上形成三相结构:混凝土一胶一钢板 (或碳纤维) 的复合系统共同工作, 以提高结构的强度和刚度。由于粘接剂有着优异的物理化学性能, 粘贴加固法可以让加固钢板或纤维布与被加固结构结合致密, 完全连成一体共同受力, 而且还有着施工简便、速度快、不影响外观等优点。

在制盐车间的环境中, 粘贴钢板加固法显然是有很大缺陷的, 因为钢板本身就很容易腐蚀, 而且粘贴钢板又是将其暴露在结构表面, 对整个加固和防腐处理是不利的。相比之下, 碳纤维有着更突出的优点, 碳纤维材料质轻高强, 耐高温、耐腐蚀, 外形柔软, 施工更加简便, 和被加固结构的结合更加致密。对本工程的重腐蚀环境而言, 耐腐蚀性能优越的碳纤维材料有着天然的适用性, 因此, 本工程确定采用粘贴碳纤维作为加固主体结构的方法。

3.2加固方案

3.2.1结构修复

结构的破坏状况非常严重, 无论是破损构件, 还是锈蚀钢筋, 截面损失都很大, 不能直接进行粘布加固, 必须首先对构件进行修补, 恢复其原有截面尺寸和整体性。而且, 在修补前, 必须将钢筋上的锈蚀清除干净, 并进行防腐处理[4]。

3.2.2粘碳纤维布加固

结构修复完成后, 对框架柱、梁等主体承重结构采用粘贴碳纤维布进行加固。由于结构的运行荷载等条件并没有发生改变, 参考结构原设计图纸和现场检查结果, 依据国家相关规范[1—3]进行核算, 确定碳纤维布的粘贴方式和粘贴量, 所有布均采用300g高强度I级单向碳纤维布。

在框架柱四角沿柱轴线方向通长粘贴主受力布, 然后在柱全长范围内环向粘贴碳纤维布封闭箍, 将纵向布条缠在内层, 布箍为单层, 宽150mm, 间距300mm, 沿柱长度方向均匀分布, 环向封闭处搭接200mm, 方案见图1。

四角处的混凝土打磨成圆弧形, 将布沿宽度方向折成等边“L”形, 包裹住相邻垂直的两个柱面, 粘贴布的量根据柱角处原配纵向主筋的截面损失进行等强度代换来获得, 原配钢筋为II级螺纹钢, 设计强度为300 MPa, 碳纤维布设计强度按1 900 MPa计算。例如, 某柱角原配纵向主筋的截面损失为300 mm2, 折算成碳纤维布截面积为47.4 mm2, 300 g碳纤维布的名义厚度为0.167 mm, 则可算出该处需粘贴碳纤维布的总宽度为284 mm, 为施工方便, 可取整数为300 mm。根据构造要求, 如果折算出的碳纤维布总宽度小于200 mm, 则按200 mm宽进行粘贴处理。

在框架梁底面沿长度方向通长粘贴碳纤维布作为主受力布;在梁通长范围内环向粘贴“U”形布箍, 每条布箍为单层, 宽150 mm, 间距300 mm, 均匀分布, 将梁底纵向的碳布裹在内层, “U”形布箍向上粘贴至板底根部;在梁两侧面顶部, 贴近板底处, 沿梁长度方向各粘贴一层150 mm碳纤维布压条, 将“U”形布箍的端部压在内侧, 方案见图2。

梁底粘贴主受力布的量根据梁底原配纵向主筋的截面损失进行等强度代换来获得。优先粘贴在梁底面, 层数不超过2层。如果梁底面布置不下, 可以粘贴在梁两侧面的底部。如果钢筋截面损失较小, 则根据构造要求, 至少在梁底粘贴一层碳纤维布, 且与梁同宽。

已经知道, 柱、梁等结构混凝土强度已经大幅度下降, 而混凝土在构件中主要起受压作用。混凝土本身的强度是无法直接给予提高的, 那么在前述方案中, 无论是柱四角纵向的碳纤维布条和四周环向的碳纤维布封闭箍, 还是梁底纵向的碳纤维布条和环向“U”形布箍以及纵向的通长压条, 均可以构成一个整体的受力体系, 将被加固柱、梁构件紧紧约束, 通过加强横向的约束, 来提高构件的轴向的抗压性能。

3.2.3 防腐处理

在修补处理以及粘贴碳纤维施工以后, 再对梁柱构件进行全面的防腐处理。

4 加固施工

(1) 结构修补前锈蚀钢筋的除锈和防腐是关键, 如果没有处理好, 锈蚀必将很快在结构内部继续发展, 造成加固失效。除锈采用物理方法和化学方法相结合的方式进行, 确保除锈效果, 除锈后, 再涂刷环氧树脂类防护胶对钢筋进行防腐[5];修补材料采用高强高性能无机修补料, 不仅自身性能优异, 而且和旧结构有着良好的结合力, 形成整体;为了进一步加强对钢筋的防护, 在配好的修补料中按比例添加掺入型阻锈剂再进行修补处理。

(2) 目前, 粘贴碳纤维技术在国内已有了多年的应用, 其施工工艺已比较成熟, 在施工中需强调的关键有两点:①粘贴结构胶的质量和调配, 首先, 粘接胶必须是满足国家相关规范规定的合格产品, 其次, 施工现场必须严格按照规定的使用环境和操作要求进行调配和操作, 不然将会影响胶体的强度等性能, 严重时甚至会使胶体完全失效。②粘贴面的处理, 混凝土粘贴面必须进行打磨、清洗、冲吹等处理, 确保粘贴面平整、干净、干燥, 才能保证粘贴效果。

(3) 防腐采用一布二胶, 在结构表面先涂刷一层环氧树脂类防护胶, 然后包裹一层玻纤布, 最后再涂刷一层防护胶。施工要确保涂刷均匀, 结合良好, 没有漏点, 玻纤布完全浸润在胶体内, 并保证足够的厚度[5]。

5 结语

(1) 该厂房结构自加固后至今已运行了4年, 加固后的结构未出现新的破坏现象, 完好如初, 加固效果良好, 说明设计思路和施工方法是准确有效的。

(2) 碳纤维材料不仅有着优异的耐腐蚀性能, 而且施工上也有着独特的优点, 安全可靠, 快速便捷, 对于类似的重度腐蚀环境下的结构加固是非常适用的。

摘要：某盐厂制盐车间长期在重度腐蚀环境下运行, 结构破坏严重, 已极度不安全, 必须进行加固。经过分析与论证, 确定采用以黏碳纤维法为主的综合加固措施对厂房结构进行整体的加固与防腐处理。介绍了加固方案设计以及施工的主要过程和要点。加固后, 厂房已运行了4年, 效果良好。

关键词：重腐蚀,加固,黏碳纤维,修补,防腐

参考文献

[1]中国建筑科学研究院.GB50010—2002混凝土结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社, 2002

[2]中国建筑科学研究院.GB50367—2006混凝土结构加固设计规范.北京:中国建筑工业出版社, 2006

[3]中国工程建设标准化协会.CECS146:2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程.北京:中国计划出版社, 2002

[4]中国建筑科学研究院.GB50046—2008工业建筑防腐蚀设计规范.北京:中国建筑工业出版社, 2008

碳纤维结构加固技术 篇3

碳纤维材料 (CFRP) 用于混凝土结构加固修补的研究始于20世纪80年代, 该项技术在日本, 美国等发达国家已被广泛应用。目前除了在混凝土中应用以外, 正逐渐推广到砌体结构, 钢结构, 甚至木结构的加固修复之中。

1.基本特点、适用范围、加固方式

1.1特点

补强物薄而轻, 几乎不增加原结构尺寸及自身重量;施工简便、快捷;抗酸碱盐类介质的腐蚀, 应用面广;可以有效地封闭混凝土结构的裂缝, 延长结构的使用寿命;易于保持结构原状;碳纤维片具有良好的耐久性能。

1.2适用范围

钢筋混凝土构件抗弯加固、钢筋混凝土梁柱构件的抗剪加固、混凝土柱的抗震加固、砌体的抗震加固、钢结构损伤修复等。

1.3加固方式

在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固, 纤维方向与加固处的受拉方向一致。采用封闭式粘贴、U形粘贴或侧面粘贴对梁、柱构件进行受剪加固, 纤维方向宜与构件轴向垂直。采用封闭式粘贴对柱进行抗震加固, 纤维方向与柱轴向垂直。当有可靠依据时, 碳纤维片材也可用于其它形式和其它受力状况的混凝土结构构件的加固。

2.工艺流程及操作要求

2.1工艺流程为:卸荷→基底处理→涂底胶→找平→粘贴→保护。

2.1.1卸荷。加固前对所加固的构件所处的结构单元范围的物体进行搬移尽可能卸荷。对上层楼板所处的加固影响范围内进行围栏保护。

2.1.2基底处理。对混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除, 对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。裂缝部位应首先进行封闭处理。用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质, 对构件基面的混凝土要打磨平整, 尤其是表面的凸起部位要磨平, 转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状 (R≥10mm) 。用吹风机将混凝土表面清理干净, 并保持干燥。

2.1.3涂底胶。按主剂:固化剂=2:1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中, 用弹簧秤计量, 电动搅拌器均匀搅拌, 根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间, 一般情况下1h内用完。用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面, 待胶固化后 (固化时间视现场气温而定, 以指触干燥为准) 再进行下一工序施工, 一般固化时间为2～3d。

2.1.4找平混凝土表面凹陷部位应用FE胶填平, 模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补, 以尽量减小高度差。转角处也应用FE胶修补成光滑的圆弧, 半径不小于10mm。

2.1.5粘贴

按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布, 除非特殊要求, 碳纤维布长度一般应在3m之内。调配、搅拌粘贴材料FR胶 (使用方法与底胶FP相同) , 然后均匀涂抹于待粘贴的部位, 在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。粘贴碳纤维, 在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸, 用特制滚子反复沿纤维方向滚压, 去除气泡, 并使FR胶充分浸透碳纤维。多层粘贴应重复上述步骤, 待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维的表面均匀涂抹FR胶。碳纤维沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm, 碳纤维端部固定用横向碳纤维或粘钢固定。

2.1.6保护加固后的碳纤维表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

2.2操作要求

当采用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加固时, 应考虑加固后对结构中其它构件或构件的其它性能可能产生的影响。采用粘贴碳纤维片材进行结构加固时, 宜卸除作用在结构上的活荷载。如不能在完全卸载条件下进行加固, 应考虑二次受力的影响。在受弯加固和受剪加固时, 被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应低于C15。采用封闭粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时, 混凝土强度等级不应低于C10。

混凝土表面的处理程度直接影响加固效果。表面要打磨平整直到露出新面, 涂底层粘结剂前, 再用丙酮清洗一遍。

碳纤维片材一定要用粘贴树脂浸透, 尽可能让粘结剂充分渗入碳纤维单丝之间的空隙中, 提高各单丝之间的共同工作性能。

浸润后的碳纤维片材用手轻压贴于需要的位置, 用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平衡压实, 使树脂从两边溢出, 保证碳纤维片材与结构之间密实无空洞, 或者保证有效粘贴面积不小于95%。

碳纤维片材沿其纤维方向折直角会导致应力集中, 影响其强度发挥。施工时将角部磨成圆角, 可减少应力集中, 碳纤维片材的强度基本不受影响。

3.施工情况

3.1施工质量易保证

碳纤维片材加固混凝土结构技术的施工操作方便, 在正常施工条件下碳纤维片材的有效粘结面积基本可以达到100%, 且现场检测方便, 即使有小的空鼓, 也可以用针管注胶法补救, 施工质量可以得到有效保证。

3.2施工干扰小

在较小的空间中即可实施碳纤维片材加固结构的施工, 除了混凝土表面处理时的灰尘需要控制以外, 对一般结构物的正常使用几乎无任何干扰。在对桥梁、道路进行碳纤维片材加固施工时, 可以不中断交通。

3.3施工周期短

碳纤维片材加固混凝土结构不需要大型机具、设备, 在保证施工质量和无意外干扰的前提下, 同样条件下所需时间不足目前国内大量应用的粘钢板方法所需时间的1/2。在施工组织较好的情况下, 10个工作日可以完成1000m2的工作量。成品的碳纤维片材是一种织物, 其幅宽可以为20cm、30cm、50cm不等, 长度为50～100m, 卷状包装, 现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片将其任意裁剪, 不像裁钢板一样需要专门的切割工具。根据有关统计资料, 同为粘贴加固工法, 粘贴碳纤维片材是粘贴钢板施工工效的4～8倍。

3.4需要注意的问题

施工宜在5℃以上环境温度条件下进行, 并应符合配套树脂的施工使用温度环境温度低于5℃时, 应使用适用于低温环境的配套树脂或采用升温处理措施。施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响。在表面处理和粘贴碳纤维片材前, 应按加固设计部位放线定位。

树脂配制时应按产品使用说明中规定的配比称量置于容器中, 用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污及杂质。应根据现场实际环境温度决定树脂的每次拌合量, 并按使用要求严格控制使用时间。

碳纤维应贴于梁的受拉区的下缘, 如需要贴于梁侧面时, 宜限于1/4梁高的范围, 对侧面的碳纤面积应乘以折减系数。

碳纤维粘贴层数不宜超过五层;对多层碳纤应考虑共同工作系数的折减, 碳纤层数过多将导致混凝土结构的脆性破坏。

碳纤维的分条粘贴加固的效果优于整幅粘贴。

碳纤维粘贴应有可靠的锚固, 锚固长度应通过计算决定, 必要时可另加锚固设施。

一般来说, 在桥板上的加固, 需要粘贴至梁腋处。

纤维布互相衔接 (接长) 的部位采取重叠结构, 重叠部分长度为不小于10cm。

4.小结

碳纤维布维修加固初探 篇4

1 碳纤维布加固概述

碳纤维材料用于旧桥加固修补在我国技术起步比较晚。但随着我国交通事业的发展, 现有桥梁中有相当一部分由于当时车辆载重小、设计荷载标准低等原因, 难以满足当前规范使用的需求, 碳纤维加固修补结构技术作为一种新型的结构加固技术快速发展起来。碳纤维布它具有高强度、重量轻、高耐久性 (防锈性) 等特性, 粘贴在即有的混凝土构造物的梁、柱、梁板等受弯曲受拉面的表面, 提高补修构造物的强度、耐力, 改善构造物的耐震性能和耐久性能。

2 施工工艺和方法

2.1 主要材料及其性能

2.1.1 碳纤维布

粘贴单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量一般为了200g/m2~300 g/m2, 不宜低于150g/m2, 且不宜高于450g/m2。

2.1.2 粘结材料

粘贴用底胶和粘浸胶是粘贴碳纤维布的专用胶, 它是一种双组份、100%固含量、高强度、不流淌、触变型粘合剂。

2.2 主要施工工序

施工准备→放设施工线→灌缝处理→刷抹漆底胶→粘贴碳纤维布→表面养护→涂刷碳纤维专用胶。

2.2.1 灌缝

灌缝是用一种相对流动好、灌入深、凝结时间短、粘接好的专用胶对混凝土构件进行填充, 从而加强混凝土强度的一种施工工艺。它的作用是对混凝土构件裂缝进行补强, 对混凝土的内部进行加固, 它可以防止混凝土构件内部钢筋的锈蚀及氧化。可以广泛应用在桥涵的加固处理中。

1) 施工准备 (原材料封缝胶、灌缝胶的配制, 灌缝胶采用成品进口胶, 分主剂与固化剂, 重量比4:1掺配) ;

2) 清理及化学清洗 (沿缝宽每侧2cm~4cm、剔除粉刷层及其他面层, 用丙酮清洗) ;

3) 埋设注胶设备 (专用注胶嘴) ;

4) 封堵裂缝 (用配制好的封缝胶对裂缝进行封堵) ;

5) 注胶 (专用注胶器注入灌缝胶) ;6) 养护;

7) 除去注胶嘴等。

2.2.2 刷抹漆底胶

1) 施工准备 (准备好将使用的材料及机具, 漆底胶采用成品进口胶, 分主剂与硬化剂, 重量比2:1掺配) ;

2) 表面处理。清除被加固混凝土构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土。将混凝土表面处理干净, 并使表面保持绝对干燥;

3) 找平处理。采用专用碳纤维找平胶对混凝土表面凹陷部位填补平整, 并在找平材料表面指触干燥后尽快进行下一道工序;

4) 涂刷碳纤维底胶。采用特制滚筒刷将面胶均匀涂抹于所要粘贴部位。

2.2.3 粘贴碳纤维布

1) 按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布;

2) 粘贴碳纤维布时间控制在涂刷面胶2h~3h后进行;

3) 粘贴碳纤维布时, 使用器具沿着纤维方向在碳纤维片上多次滚压, 挤除气泡, 以确保浸渍胶均匀地充分渗浸入碳纤维片的碳纤维束中。在滚压时注意不可损伤碳纤维布;

4) 涂刷碳纤维面胶

待碳纤维布粘贴完大约1h左右后在碳纤维布的表面均匀涂抹一层面胶。

3 优点与缺点

3.1 优点

1) 施工简便迅速, 无需模板、夹具、支撑等;

2) 不增加结构重量, 碳纤维片重量200g/m.~300g/m, 设计厚度0.1l1mm~0.167mm, 加上环氧树脂的重量也很轻, 对结构自重影响可忽略不计;

3) 能适应各种结构外形的补强;

4) 可以多层粘贴。可根据设计要求, 在一个部位重叠粘贴;

5) 具有良好的耐腐蚀性, 寿命较长, 可以在不利环境下使用, 并便于养护。

3.2 缺点

其会影响到受弯构件的破坏形态及其延性, 而且目前的材料价格仍然偏高, 应在考虑各项综合因素以后, 慎重选用。

4 碳纤维加固工程实例

我段管养的G312 K3319+825柳星桥2、K3374+321红柳河中桥等桥梁经过碳纤维布加固后, 钢筋砼梁的极限荷载及抗弯刚度等都得到了较好的改善。碳纤维布粘贴在危旧桥梁承重构件表面, 使两者能够共同工作, 较好的提高了危旧桥的抗弯、抗剪能力。两桥梁经过该措施加固后提高了梁体自身承载力也解决了病害, 同时加强了桥梁结构的整体刚度和耐久性, 限制了危旧桥病害的继续发展, 达到了维修加固、补强的目的。

总之, 公路危旧桥梁养护维修、加固改造, 是一门新型的技术学科, 从我们已实施的桥梁加固方案来看, 实现即经济、又合理、节约费用, 效果是明显的, 但在今后的公路危旧桥梁养护维修、加固改造中, 仍然还有很多值得我们在研究、在学习、在探讨, 随着国内桥梁维修加固新技术、新工艺、新材料的不断出现, 桥梁维修加固改造技术也将更加完善, 方法更加合理, 来提高公路危旧桥梁使用寿命, 确保桥梁安全畅通, 为社会提供安全的通行条件。

摘要：本文讲述了目前我段对危旧桥加固采用碳纤维布进行加固的探索。为提高旧桥的承载能力, 确保交通运输的安全, 本文就使用碳纤维布加固的施工方法和工艺进行了论述。

关键词：危旧桥梁,维修,加固

参考文献

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[4]石铭, 屈文俊.粘贴碳纤维布对框架梁端负弯矩区加固的试验探索[J].结构工程师, 2006 (2) .

框架结构碳纤维加固技术 篇5

1 施工准备

1)技术准备。技术负责人领到施工图纸后,立即组织各有关部门及各专业人员对碳纤维加固工程的技术资料、规范、流程、标准进行技术、安全和施工工艺专项交底,并对施工人员进行质量安全等专项教育。

2)材料准备。a.核对所使用的碳纤维片的力学性能:包括纤维重量(g/m2)、设计厚度(mm)、设计抗拉强度、弹性模量、极限拉应变等。b.核对粘结材料的力学性能,主要是底层树脂、找平材料、浸渍材料:包括粘度、抗拉强度、压缩强度、抗拉伸剪切强度、正拉粘结强度、弯曲强度。

3)机械设备准备。机械设备包括:引风机、角磨机、强力吹风机、电闸箱、机修工具、脚手架、电锤、水钻等,其他设备根据施工进度及现场情况调配。

2 工艺流程

2.1 混凝土表面处理

1)清理被加固构件表面的面层及剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣质混凝土,露出混凝土结构层,并用MA高强度砂浆将表面修复平整。2)碳纤维布粘贴的混凝土构件表面应打磨平整,除去表层粉尘、油污等杂质,直至完全露出结构新面,确保构件表面洁净和干燥。转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20 mm。3)用吹风机将混凝土表面清理干净,再用丙酮擦拭干净,并保持干燥。4)涂底胶(FP胶)。按主剂与固化剂的比例将其先后置于容器中,用计量器配比,均匀搅拌,根据现场实际气温决定用量,并严格控制使用时间,一般情况下1 h内用完。

2.2 找平处理

1)混凝土表面凹陷部位应用FE胶填平,模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补,尽量减少高度差。2)转角处也应用FE胶修补成光滑的圆弧,半径不小于20 mm。

2.3 粘贴碳纤维

1)按设计院出具的有关资料,对碳纤维布的尺寸与层数进行裁剪。2)调配、搅拌粘贴材料FR胶(使用方法与底胶FP相同),然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。3)粘贴碳纤维,在确定所粘贴部位无误后,用特制滚子或刮布板反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使FR胶充分浸透碳纤维。多层粘贴应重复上述步骤,待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。4)在最后一层碳纤维的表面均匀涂抹FR胶。5)碳纤维沿纤维方向的搭接长度不得小于150 mm,在片材宽度方向不需要搭接。碳纤维端部用横向碳纤维固定(U形箍、压条,见图1)。a.对于梁,在延伸长度端部设置碳纤维片材U形箍锚固,U形箍每端设置5道,间距均匀布置,U形箍的粘贴高度延伸至板底面,并在上端设置纵向碳纤维压条一道,每道U形箍、压条的宽度不小于加固碳纤维布宽度的1/2,主次梁交接处每边设置一道U形箍(见图2)。b.对于柱,采用封闭箍,在柱脚和柱头位置设置,每道封闭箍的宽度不小于加固碳纤维布宽度的1/2(见图3)。c.U形箍、压条的厚度同加固碳纤维布。

2.4 成品保护

加固后碳纤维表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

2.5 质量检验及验收

碳纤维的片材实际粘贴面积不应小于设计面积,位置偏差不应大于30 mm。用小锤轻轻敲击或用手压碳纤维表面,检查总有效粘贴结面积不能低于总粘贴结面积的95%,空鼓面积小于10 cm×10 cm时,用针管注胶处理;大于10 cm×10 cm时,将空鼓部位的碳纤维片材切除,重新搭接贴上等量的碳纤维片材,搭接长度不小于150 mm。

3 施工注意事项

1)碳纤维的受力方式应设计成仅承受拉应力作用。当提高梁的受弯承载力时,碳纤维布应设在梁顶面或底面受拉区;当提高梁的受剪承载力时,碳纤维布应采用U形箍加纵向压条或封闭箍的形式;当提高柱受剪承载力时,碳纤维布宜沿环向螺旋粘贴并封闭;当巨型截面采用封闭环箍时,至少缠绕三圈且搭接长度应超过200 mm。粘贴纤维布在需要加固的范围以外的锚固长度,受拉时不应小于600 mm。2)实际施工中,根据碳纤维片材加固的工程量,为保证按期保质完成施工任务,施工前应对工程施工进度进行合理安排,综合考虑各方面因素对工程的影响,充分筹划任务、人力、资源、时间及空间的总体布局。3)碳纤维片材为导电材料,使用碳纤维片材时应尽量远离电器设备及电源。4)使用过程中应避免碳纤维片材的弯折。5)碳纤维片材配套树脂的原材应密封保存,远离火源,避免阳光照射。6)对构件加固前及加固中应卸除或大部分卸除作用在梁上的活荷载,采取有效支撑防护等安全措施,防止构件发生进一步破坏。7)施工前应进行技术、安全交底,对粘碳纤维布的每个程序,都要由专人负责检查,认真做好每道工序的检查验收工作,正确填写施工记录,达不到要求的不得进入下道工序。

摘要：介绍了碳纤维加固的特点,通过具体工程实例,从施工准备、工艺流程、施工注意事项等方面对框架结构碳纤维加固技术进行了描述,以提高人们对碳纤维加固技术的认识,推广碳纤维加固技术的应用。

关键词：框架结构,碳纤维,基层处理,成品保护

参考文献

碳纤维加固法 篇6

沙畈水库位于钱塘江水系金华江支流白沙溪上, 总库容8555万m3是一座以灌溉、供水为主, 结合发电、防洪等综合利用的中型水利工程。工程于1992年6月动工兴建, 2001年1月工程竣工。水库枢纽工程主要由拦河大坝、泄洪闸、输水隧洞和水电站等建筑物组成。

大坝坝型为细骨料混凝土砌石重力坝, 由溢流坝段及非溢流坝段组成, 坝顶总长237.5m, 共分10个坝段, 其中三、四、五坝段为溢流坝段, 大坝最大坝高76m。非溢流坝段坝顶高程273.56m, 防浪墙顶高程274.76m, 坝顶宽6.0m;溢流坝段位于大坝中间河床段, 采用泄洪闸控制, 堰顶高程267.06m, 总长60m, 采用挑流消能。

泄洪闸共分5孔, 设4只中墩、2只边墩;其中中墩厚1.4m及2.4m, 高15.85m, 为200#钢筋混凝土结构;其中厚2.4m的中墩中间设置伸缩缝, 缝间设止水;边墩厚1.2m, 高15.85m。泄洪闸共设有5扇10×6.5-6.1m弧形钢闸门, 每扇闸门由2只弧门支座支撑, 弧门支座尺寸为2000×1050mm (h×b) , 采用200#混凝土浇筑。

沙畈水库2012年完成安全鉴定, 2013年进行了除险加固。沙畈水库是金华市饮用水水源地, 其水库大坝安全运行关系到近百万金华市民的饮水安全, 因此需采用经济合理的施工方案, 确保水库在最短的时间完成除险加固、恢复蓄水。

2 泄洪闸闸墩弧门支座复核

2012年沙畈水库安全鉴定时, 对溢洪道闸墩进行了复核, 其中闸墩表面弧门支座周围扇形钢筋偏少, 该部位承载力不能满足规范要求, 需进行加固。

根据闸门设计工况, 闸门计算设计水头为6.1m, 计算得弧门支座承受总推力F=964k N。

弧门支座采用200#混凝土, 相当于现行规范的C19混凝土;本次计算采用《水工混凝土结构设计规范》 (SL191-2008) 规定C19混凝土强度设计值fc=9.1N/mm2、轴心抗拉强度ftk=1.49N/mm2。

闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋复核公式如下:

闸墩受两侧弧门支座推力作用时

闸墩受一侧弧门支座推力作用时

K-承载力安全系数, 基本组合取1.2;

Asi-闸墩一侧局部受拉范围内的第i根局部受拉钢筋 (11Φ25) 截面面积, (mm2) ;

B0′-受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离, (mm) ;

Θi-第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角, (o) 。

经过对闸墩弧门支座局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积复核, 结果见表1。

设计工况下弧门支座承受最大推力964k N, 由计算结果可知, 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋不满足现行规范要求, 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋 (11Φ25) 偏少。究其原因, 工程施工设计于1992年进行设计, 当时规范《水工钢筋混凝土结构设计规范》 (SDJ20-78) 未对闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋进行规定, 该部分钢筋是设计人员根据当时的经验进行设计, 与现行规范有出入。

3 闸墩弧门支座的补强设计

沙畈水库泄洪闸闸墩采用200#钢筋混凝土浇筑, 表面配筋。对闸墩弧门支座周围进行补强加固既要保持原混凝土结构, 又要有效提高该部位的限裂承载力, 使其满足现行规范要求。设计采用碳纤维加固方案对该部位进行补强加固, 该方案存在如下特点。

(1) 高强高效:碳纤维布具有优异的物理力学性能, 抗拉强度高于普通钢7~10倍, 弹性模量与钢材较接近, 适合钢筋混凝土的加固修补。

(2) 良好的耐久性:一次施工到位, 不需专门进行维护, 且不影响原混凝土结构的功效。

(3) 施工便捷:碳纤维布可根据需求任意裁取, 施工简单, 而且工期短, 不受环境及场地的影响。

(4) 施工质量易于保证:因为碳纤维布柔软, 能够紧密的粘贴在各种物体上, 确保良好的功效。

(5) 使用面广:由于碳纤维布厚度薄 (1mm/层) 、重量轻 (小于1kg/m2) , 且加固效果良好, 碳纤维布加固可广泛用于各种钢筋混凝土结构补强, 且不影响结构形状及外观。

可见, 相比传统钢筋混凝土加固方案的费时费力、投资巨大, 采用碳纤维加固方便快捷, 又经济合理。

沙畈水库泄洪闸闸墩采用碳纤维对闸墩与弧门支座接触部位周围的表面限裂承载力进行加强时, 该部位限裂承载力最少需要增加的强度为964-629=335k N。

根据《水工混凝土结构设计规范》 (SL191-2008) , 受拉构件加固, 正截面承载力应按如下公式计算:

KN≤fy Ay+ff Af

其中:N-轴心拉力设计值;

K-轴心拉力设计值;

ff-碳纤维复合材料抗拉强度设计值, 按高强度Ⅱ级取ff=1400MPa;

A f-粘贴碳纤维复合材料截面面积;

fy-原截面受拉钢筋抗拉强度;

Ay-原截面受拉钢筋截面面积。

选用重量300g/m2的CFRP (厚度0.37mm) 、双层条宽100mm、长度7m的碳纤维进行加固, 其数量与扇形受拉区钢筋数量相同, 为11条。

ff Af=1400×2×100×0.37×11=1136.6k N≥335k N

碳纤维布置时按原来受拉钢筋的配置方式, 粘贴在扇形钢筋相应位置的混凝土表面, 且纤维方向沿着支座方向呈射线状布置。在碳纤维布延伸长度范围内每隔0.2m设置U形箍, 并在延伸长度端部设置一道。端部箍宽度200mm, 中间箍宽度为100mm, U形箍的厚度不小于碳纤维复合材料的1/2, 取厚度0.2mm。

4 碳纤维加固施工工序

(1) 闸墩表面处理

(1) 将弧门支座周围闸墩表面清洗干净, 清除松动块。

(2) 采用环氧砂浆对闸墩表面残缺部位进行修复。

(3) 将闸墩表面打磨平整, 再采用工业酒精进行精洗, 确保表面清洁、无污垢。

(2) 粘贴碳纤维

(1) 涂刷黏结剂:将配好的黏结剂, 均匀涂刷于需要黏结的闸墩混凝土表面, 黏结剂应尽量调配成与闸墩表面相近的颜色。

(2) 粘贴碳纤维:按原来受拉钢筋的配置方式, 将碳纤维布均匀粘贴在扇形钢筋相应位置的混凝土表面。粘贴时, 必须确保碳纤维布完好无损;接头处搭接长度必须在20cm以上。

(3) 养护

碳纤维粘贴后, 需进行一定时间的养护, 使其固化。完成后再对碳纤维表面进行粉刷或喷浆处理, 使整个闸墩新老表面自然衔接。

5 结语

沙畈水库共5只闸墩, 加固总面积160m2, 整个施工周期40天, 投资17万元。实践证明采用碳纤维对混凝土进行加固不仅施工便捷、工期短, 而且经济合理。

摘要：结合工程现状, 以浙江省金华市沙畈水库除险加固中闸墩加固为实例, 阐述了碳纤维在混凝土加固工程中具有工期短、节省投资、施工便捷等特点。

碳纤维布加固梁的计算 篇7

关键词：预应力,碳纤维,钢筋混凝土梁,结构加固

由于碳纤维布的优异性能及便捷的施工工艺, 碳纤维布在结构加固工程中的应用和研究日趋广泛[1,2]。碳纤维布加固混凝土受弯构件存在碳纤维布不能被充分利用, 钢筋完全发挥强度时碳纤维布才发挥出不到20%的强度;使用阶段的加固效果不明显的缺点, 采取对碳纤维布先施加预应力技术可有效地解决上述问题[3,4,5,6]。为此, 本文通过对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受力过程进行分析, 结合我国现行规范[7], 假定加固梁的截面应变符合平截面假定, 通过截面极限状态分析, 分别提出了界限破坏、受压破坏和受拉破坏模式下受弯承载力的理论计算公式。

1破坏形式

根据试验研究, 粘贴预应力CFRP板加固混凝土梁的破坏模式有以下几种:1) 界限破坏:压区混凝土压碎同时CFRP板拉断。2) 受压破坏:压区混凝土压碎而CFRP板未拉断。3) 受拉破坏:CFRP板拉断而压区混凝土未压碎。4) 粘结破坏:碳纤维布与混凝土基层间的粘结层剥离破坏, 为脆性破坏。5) 混凝土梁剪切破坏等, 为脆性破坏。

由于碳纤维布与结构胶之间、结构胶与混凝土之间的粘结强度, 在保证粘贴质量的情况下, 都大于混凝土 (或表层混凝土) 的抗拉强度, 所以绝大多数的剥离破坏都发生在构件混凝土保护层区域内, 通常通过构造措施、规定最小混凝土强度来控制。采用预应力碳纤维布加固时, 可以降低梁的竖向相对变形, 减小剥离剪应力, 避免了粘结剥离破坏, 相对地提高了极限承载力。其中, 前三种破坏属于弯曲破坏, 后两种破坏模式为脆性破坏, 设计中应避免。

2材料本构关系

混凝土的单轴受压应力应变关系采用文献[7]中建议的公式。

当ε≤ε0时:

$\sigma {}_c=f{}_c[2\left(\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\right)-\left(\frac{\epsilon }{\epsilon {}_0}\right){}^2$ (1)

当ε0<ε≤εcu时:

σc=fc (2)

其中, σc为混凝土压应变为ε时的混凝土压应力;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;ε0为混凝土压应力刚达到fc时的混凝土压应变;εcu为正截面的混凝土极限压应变。

钢材的应力取等于钢筋应变与弹性模量的乘积, 但其绝对值不应大于相应强度设计值, 受拉钢筋极限拉应变取0.01, 即:

σs=εsEs≤fy, σs′=εs′Es′≤fy′ (3)

CFRP板为正交各向异性的线弹性材料, 没有屈服强度, 只有极限强度, 取其极限拉应变为εcfu=0.016。

3极限承载力计算

3.1 破坏模式对应的应变状态

当加固梁发生界限破坏时, 受压区边缘纤维混凝土应变εc达到其极限压应变εcu的同时CFRP板达到其极限拉应变εcfu。由于在加固前对碳纤维布施加预应力, 预应力碳纤维布存在预拉应变εp0, 有:

εc=εcu, εp0+εcf=εcfu (4)

其中, εcf为CFRP板的最大应变增量, 也称预应力碳纤维布名义拉应变。

受拉破坏模式对应的混凝土与CFRP板的应变状态分别为:

εc<εcu, εp0+εcf=εcfu (5)

受压破坏模式对应的混凝土与CFRP板的应变状态分别为:

εc=εcu, εp0+εcf<εcfu (6)

3.2 界限破坏

图1为界限破坏状态, 即受压区混凝土达到极限压应变的同时碳纤维布达到极限拉伸应变而被拉断。混凝土受压区的应力可以用等效矩形应力图表示。由水平方向内力相等有:

α1fcbxb+fy′As′=fyAs+EcfεcfuAcfb (7)

$\frac{\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cfb}}=\frac{x{}_{0b}}{h-x{}_{0b}}=\frac{x{}_b/\beta {}_1}{h-x{}_b/\beta {}_1}$ (8)

其中, xb, εcfb分别为界限破坏时截面的等效受压区高度和CFRP板的极限应变增量, εcfb=εcfu-εp0。

受拉区钢筋合力作用点取矩, 可得界限破坏时的受弯承载力:

Mub=α1fcbxb (h0-xb/2) +fy′As′ (h0-as′) +EcfεcfuAcfbas (9)

对受压区混凝土合力作用点取矩, 也可得界限破坏时的受弯承载力:

Mub=fyAs (h0-xb/2) +fy′As′ (xb/2-as′) +EcfεcfuAcfb (h-xb/2) (10)

由式 (7) 可推出截面的界限配纤率ρcfb:

$\rho {}_{cfb}=\frac{A{}_{cfb}}{bh}=\frac{\alpha {}_{1}f{}_{c}bx{}_b+f{}_{y^{\prime }}A{}_{s^{\prime }}-f{}_{y}A{}_s}{bhE{}_{cf}\epsilon {}_{cfu}}$ (11)

当等效受压区高度x>xb或配纤率$\rho {}_{cf}=\frac{A{}_{cf}}{bh}＞\rho {}_{cfb}$时, 加固梁发生受压破坏;反之, 当x<xb或$\rho {}_{cf}=\frac{A{}_{cf}}{bh}＜\rho {}_{cfb}$时, 加固梁的破坏形式为受拉破坏。

3.3 受拉破坏

图2为受拉破坏状态, 即受压区混凝土未压碎而碳纤维布达到极限拉伸应变被拉断, 即εc<εcu, εp0+εcf=εcfu。由内力平衡方程可得:

C+fy′As′=fyAs+EcfεcfuAcf (12)

$\frac{\epsilon {}_c}{\epsilon {}_{cf}}=\frac{x{}_0}{h-x{}_0}$ (13)

其中, C为受压区混凝土合力作用, 可通过对受压区高度x0范围内混凝土应力积分求得:

C=∫${}_0^{x{}_0}$σcbdx (14)

当εc<ε0时, 距离中性轴x处的受压区混凝土应变ε:

$\epsilon =\frac{\epsilon {}_c}{x{}_0}x$ (15)

将式 (1) , 式 (15) 代入式 (14) , 可得:

$C=f{}_{c}bx{}_0[\frac{\epsilon {}_c}{\epsilon {}_0}-\frac{1}{3}\left(\frac{\epsilon {}_c}{\epsilon {}_0}\right){}^2$ (16)

当εc≥ε0时:

C=∫x00σcbdx=∫x0ε0/εc0σcbdx+∫${}_{x{}_0\epsilon {}_0/\epsilon {}_c}^{x{}_0}$fcbdx (17)

在距离中性轴0≤x≤x0ε0/εc受压区混凝土应变ε为:

$\epsilon =\frac{\epsilon {}_c}{x{}_0}x$ (18)

将式 (1) , 式 (18) 代入式 (17) , 可得:

$C=f{}_{c}bx{}_0\left(1-\frac{\epsilon {}_c}{3\epsilon {}_0}\right)$ (19)

联立式 (12) , 式 (13) 求得x0和εc后, 对受压区混凝土合力作用点取矩, 可得到受拉破坏时的受弯承载力计算公式:

Mu=fyAs (h0-xc) +fy′As′ (xc-as′) +EcfεcfuAcf (h-xc) (20)

其中, 受压区混凝土合力作用点至受压区边缘的距离xc由式 (21) 进行计算。

$x{}_c=\{\begin{array}{l}\left(\frac{1}{3}-\frac{\epsilon {}_c}{12\epsilon {}_0}\right)x{}_0/\left(1-\frac{\epsilon {}_c}{3\epsilon {}_0}\right)(\epsilon {}_c＜\epsilon {}_0)\\ \left(\frac{1}{2}-\frac{\epsilon {}_0}{3\epsilon {}_c}+\frac{\epsilon {}_0^2}{12\epsilon {}_c^2}\right)x{}_0/\left(1-\frac{\epsilon {}_c}{3\epsilon {}_0}\right)(\epsilon {}_c\ge \epsilon {}_0)\end{array}$

(21)

3.4 受压破坏

图3为受压破坏状态, 即受压区混凝土达到极限压应变被压碎碳纤维布未拉断, 即εc=εcu, εp0+εcf<εcfu。由内力平衡方程得:

α1fcbx+fy′As′=fyAs+EcfAcf (εp0+εcf) (22)

$\frac{\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cf}}=\frac{x{}_0}{h-x{}_0}=\frac{x/\beta {}_1}{h-x/\beta {}_1}$ (23)

联立式 (22) , 式 (23) 求出x和εcf后, 对受压区混凝土合力作用点取矩, 可得到受压破坏时的受弯承载力计算公式:

Mu=fyAs (h0-x/2) +fy′As′ (x/2-as′) +EcfAcf (εp0+εcf) (h-x/2) (24)

或对受拉区钢筋合力作用点取矩, 可得受压破坏时的受弯承载力计算公式:

Mu=α1fcbx (h0-x/2) +fy′As′ (h0-as′) +EcfAcf (εp0+εcf) as (25)

4结语

1) 预应力加固梁由于碳纤维布在加载前已经受拉, 其强度得到了充分的发挥, 使碳纤维材料的高性能得到进一步体现。

2) 对预应力碳纤维布加固混凝土梁的极限承载力进行了分析, 提出了界限破坏、受压破坏及受拉破坏模式下受弯承载力的理论计算公式。

3) 为保证碳纤维布能够充分发挥作用, 避免剥离破坏的发生, 可采取加强锚固、提高粘结质量、限制最低混凝土强度等措施。粘结剥离问题是目前研究碳纤维加固的重点和难点问题。

参考文献

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