纤维片材

纤维片材（精选6篇）

纤维片材 篇1

0 引言

纤维片材加固建筑结构技术具有诸多优点,如施工便捷、高强高效、不增加构件的自重与体积、耐久性好等,因此近年来得到了大量的研究和应用,尤其在混凝土结构中的研究和应用已经比较成熟。然而该技术在砌体结构中的研究与应用相对滞后,缺乏系统的试验研究和理论分析,尤其是理论研究跟不上工程应用的需求[1,2,3]。因此要使该技术能够在砌体结构中大量推广应用并制定相关规范还需要做大量的基础研究工作。该文通过对三片黏土砖墙在低周期反复荷载作用下的拟静力试验,探索碳纤维布对砖墙底部及两角的锚固效应,并从理论上进行计算分析,为深入研究碳纤维片材锚固砖墙的效果提供了依据。

1 试验研究

1.1 试验设计

试件均为实心黏土砖墙,高宽比为0.743,墙厚240 mm,具体尺寸及配筋见图1。试件墙体采用MU10黏土砖,设计标号M10水泥砂浆,顶梁混凝土的设计强度等级为C20。为增强底层砖与底梁之间的粘结,为碳纤维布提供一定的锚固长度,底层灰缝用环氧砂浆砌筑[4,5]。

试件锚固方案及材料性能指标分别如表1～表3及图2所示。

试验采用常规拟静力试验装置,主要由反力架、反力横梁、往复作动器、分配梁等组成。

按照文献[6]的方法,试验加载程序采用荷载—变形双控制方法。该试验墙体垂直荷载在试验前按0.6 MPa一次加足。正式加载时,采用逐级加荷方法,开裂前按荷载控制,每级按25 kN递增,每级循环1次;开裂后按位移控制,每级循环2次,每级增加Δc(墙片的开裂位移)。达到极限荷载后,继续按位移控制,每级增加2Δc,直至墙体丧失承载能力。

在墙体上部布置位移计,经动态电阻应变仪输出到X—Y函数记录仪上,绘制试验过程中试件的滞回曲线。同时,监控墙体的侧向及竖向位移,并在碳纤维布上布置应变片,如图3所示。

1.2 试件破坏过程及其破坏形态

1.2.1 试件W1

随着荷载的增加,试件由弹性进入弹塑性阶段。至P=125 kN时,砖墙右下角形成一条约20 mm水平初裂缝;至-4Δc1(表示以4倍的开裂位移第一次循环加载,“+”表示推,“-”表示拉,下同),上述水平裂缝贯通,同时底层砖局部出现短竖缝;±5Δc1时,最下一皮砖两端局部压碎,墙体产生错动(见图4)。

1.2.2 试件W2

随着荷载的增加,试件由弹性进入弹塑性阶段。至P=-150 kN时,墙体底部左下端出现长约5 cm的水平初裂缝;至+4Δc时,中部斜裂缝几乎贯通墙体,同时底部竖缝增多;-4Δc时,墙体出现与原斜裂缝交叉的通长斜裂缝,底部右端碳纤维布被撕裂,交叉斜裂缝处的砖块局部压碎。最后破坏时,最大缝宽达1 cm～2 cm(见图4)。

1.2.3 试件W3

随着荷载的增加,试件由弹性进入弹塑性阶段。至P=-175 kN时,墙体底部左下端出现长约4 cm的水平初裂缝;至+2Δc1时,底部水平裂缝几近贯通;至+3Δc1,墙体出现通长斜裂缝,-3Δc2时出现一条与原有斜裂缝交叉的通长斜裂缝,同时,左端碳维纤布撕裂、起鼓,侧边碳纤维布由于砖碎而与墙体剥离。最后破坏时,最大缝宽达1 cm～2 cm(见图4)。

1.3 试验结果分析

1.3.1 试验结果汇总

试验结果汇总见表4。

1.3.2 破坏形态分析

从图4可知,试件W2,W3破坏后的裂缝分布较试件W1均匀,都出现了十字交叉的贯通裂缝,相对于试件W1仅在底部开裂而言,试件W2,W3的墙体固有强度得到了更为有效的利用。

1.3.3 开裂荷载和极限荷载

由表4可知,试件W2,W3承载能力相对于试件W1有一定程度提高。W2的开裂荷载提高了25%,极限荷载在正向加载时提高了6.3%,反向加载时提高了1.4%;W3的开裂荷载提高了40%,极限荷载在正向加载时提高了17.2%,反向加载时提高了11.0%。说明碳纤维锚固对提高墙体开裂荷载和极限荷载是有效的。

1.3.4 滞回曲线和骨架曲线

试件的实测滞回曲线、骨架曲线分别如图5,图6所示。

试件W1变形位移最大,但是其在底部形成水平通缝后,仅是依靠上部刚体与底部的摩擦力继续承受水平荷载并产生变形位移,此时的墙体已不再作为整体受力与变形。因此,文中将W1形成通缝并发生错动时,即视为试件失效。则由图5可知,试件W2,W3的滞回环面积明显大于试件W1,说明锚固后试件的变形耗能能力相对于未锚固试件有了明显提高。同时,试件W2,W3的极限荷载相对于试件W1有明显的提高(见图6)。

1.3.5 应变分析

加荷初期,随着荷载的增大角部竖向粘贴碳纤维应变值不断增大;底层灰缝开裂后,该处碳纤维应变值开始减小,碳纤维布对墙体承载的支持减弱甚至消失。说明竖向粘贴的碳纤维布对墙体的锚固作用在墙体底部开裂前十分明显,一旦墙体底部开裂,竖向碳纤维布失效。W3墙片中横向粘贴碳纤维布的局部应变在开裂后开始有明显增长,说明横向粘贴碳纤维布在墙体底部开裂后仍能对该处墙体竖向或斜向裂缝的开裂起到限制的作用。

2 计算分析

由于墙片试件抗剪刚度较大,结合试验研究结果,该文认为引起墙片开裂的主要原因为:水平荷载产生弯矩,使墙体底部弯曲受拉,其产生的弯曲拉应力超过该砌体的弯曲受拉强度后,墙体开裂。根据上述观点,建立试件开裂时的受力图(见图7)。

由图7可建立方程如下:

σ′y=σ′1-σ2,σy=σ1+σ2,且易知σ0=σ2,σ1=σ′1,a=b;

又$V\times {\rm H}=\frac{1}{2}\sigma {}_1\times \frac{1}{2}L\times \frac{2}{3}L\times {\rm T}$ (1)

其中,σ′y,σy分别为墙底与地梁间拉、压应力;σ′1,σ1分别为剪力引起的墙底与地梁间拉、压应力;σ0,σ2分别为正压力引起的墙底与地梁间压应力;L,H,T分别为墙体宽度、高度、厚度;V为墙体所受水平剪力。

当σ′y=ft,m(ft,m为砌体弯曲抗拉强度)时,墙体底部开裂,即:

由式(1),式(2)可得墙体开裂荷载:

因为砂浆强度(k4为弯曲抗拉平均值的系数)[7],σ0=0.6 MPa,则V=102.9 kN与试验值125 kN基本吻合,证明上述对墙体开裂的解释是正确的,也证明锚固方案是合理的。

3结语

1)在墙体底部沿墙脚竖向粘贴碳纤维布能够对墙体进行有效锚固,提高墙体抗震承载能力和变形耗能能力,有效改善墙体抗震性能。

2)底部锚固碳纤维可以避免抗剪刚度较大墙体发生弯曲受拉破坏,转而形成剪切破坏形态,可以更为有效地利用墙体本身的固有强度,裂缝分布更加均匀,承载力明显提高。

3)对于竖向粘贴碳纤维布应在底部进行更为有效的锚固,从而防止由于底部墙体开裂引起的纤维布锚固失效,更好地发挥纤维布的效能。

参考文献

[1]符晶华,符蓉,阮班席,等.复杂建筑结构加固及其检测方法研究[J].武汉科技大学学报(自然科学版),2006,29(6):640-644.

[2]赵彤,张晨军,谢剑,等.碳纤维布用于砖砌体抗震加固的试验研究[J].地震工程与震动控制,2001,21(2):89-95.

[3]张祥顺,谷倩,管克俭,等.碳纤维布加固砌体结构试验研究[J].武汉理工大学学报,2002,24(11):29-32.

[4]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].

[5]JGJ 101-96,建筑抗震实验方法规程[S].

[6]朱伯龙.砌体结构设计原理[M].上海:同济大学出版社,1991.

[7]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[8]CECS 146∶2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].

[9]GBJ 129-90,砌体基本力学性能实验方法标准[S].

纤维片材 篇2

碳纤维片材用于混凝土结构加固始于发达国家, 目前在国内发展迅速, 该复合体加固技术的研究与应用已达到一定的水平, 具有成本低, 施工方便的特点, 广泛应用于房屋、桥梁构件的维修、加固、补强。

1 材料特点及性能

碳纤维片材具有很高的抗拉强度, 约10倍于普通钢材, 比普通钢筋弹性模量高;材质本身柔性好, 便于裁剪, 易于加固操作, 加固施工无需任何夹具、模板, 能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸, 可多层粘贴, 并能有效地封闭混凝土的裂缝;耐腐蚀及耐久性能好;自重轻 (约200g/m2) , 密度只有普通钢材的1/4;基本不增加结构自重及截面尺寸;相对其它加固方法比较, 碳纤维加固施工简便, 不需大型施工机械及周转材料, 可操作性好, 施工周期短。

2 适用范围

碳纤维片材结构加固技术广泛适用于各种形式的钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固补强。

3 加固技术原理

碳纤维补强加固原理是采用碳纤维片材, 配制专用的粘贴树脂胶将其粘贴在处理后的加固构件表面, 胶体固化后与需加固构件组合成复合整体共同受力, 达到构件加固目的。

结构加固采用的碳纤维片材, 其性能指标要求具有较高的抗拉强度、弹性模量、延伸率等, 在施工性和使用耐久性方面要求有较好的密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等;专用树脂包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂, 底层树脂、找平树脂的作用是为了提高碳纤维的粘结效果, 粘结树脂的使用是为了使加固片材和加固构件能够复合为一个整体, 共同作用, 起到增强构件的抗弯、抗剪承载力, 使结构构件得到加固、补强。

4 计算方法

4.1 基本假设

假设碳纤维加固截面应力-应变关系符合平截面及线弹性;碳纤维片材较薄, 认为其中心距梁顶的距离与梁高相等。

4.2 设计计算方法

首先判断加固后构件的破坏形式, 再计算构件的抗弯极限承载力, 最后利用抗弯极限承载力满足设计承载力要求的条件, 求得粘贴面积。

4.2.1 判断加固后构件的破坏形式

构件压区混凝土和碳纤维同时破坏的状态为界限破坏, 此时的截面应力应变关系为, 在界限破坏时所需的最大钢筋面积为, 设截面已有的纵向钢筋面积为, 如果Asmax

利用换算截面原理, 计算界限破坏时所需碳纤维布的面积, 计算此时的截面承载力Mb=fy As (h0-0.4xb0) +Acf, bfcf (h-0.4xb0) , 若Mb>Mu, 则说明破坏形式为碳纤维布断裂, 反之破坏形式为压区混凝土被压碎。

4.2.2 加固所需的碳纤维布面积

当破坏形式为压区混凝土被压碎时,

由力的平衡条件和弯矩平衡条件联立解出Acf, 从而确定加固所需要的碳纤维布面积。

当破坏形式为碳纤维布断裂时, 此时εs>εy, εo<εc<εcu, εcf=εcfu。考虑到界限破坏时受压区高度相对受压区高度

碳纤维拉断时, 相对受压区高度xb2小于xb, 而且0.198h相对很小, 因此偏于安全地可取混凝土受压区合力作用点在0.1h处。

因此极限弯矩Mu=fy As (h0-0.1h) +0.9Ecfεcfu Acfh。由此求出Acf。

5 施工工艺

5.1 基本施工步骤

在实施加固前, 应提前采取措施使构件承受荷载尽可能卸除, 片材粘贴后加固构件最大程度恢复原貌, 提高构件加固完成后再次受力变形富余量。

施工流程为:构件基层处置→刷底层涂料→环氧腻子修补残缺→片材分层粘贴→养护→涂装。

5.2 混凝土残缺修补与基底处理

彻底清理混凝土构件表面的残损, 直到密实位置, 并使用角磨机打磨达到光滑平整。对剔凿、清理后露筋的残损位置, 采取环氧树脂砂浆实施修补复原, 对表面仍存在的凹凸糙纹, 应再用砂纸打磨, 修复至表面平整、顺滑。构件表面凸起部分需要处理平顺, 对边角位置, 需磨成圆角, 半径须大于3cm, 宽度不大于0.2mm的裂缝, 用环氧树脂进行表面涂抹封闭;超过0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。

加固构件经过打磨后, 将表层杂质及浮灰处理掉, 最好用酒精进行清洗, 并充分干燥加固构件表面等待下步操作。

5.3 涂底层涂料

均匀搅拌放入容器内底层涂料的主剂和固化剂搅拌均匀, 需准确称量按规定比例放入, 估算凝固前单次使用量, 使其在可用时间内用完, 避免浪费。将底层涂料均匀地涂刷于构件表面, 确定干燥后才能进行下层工序的操作。

5.4 粘贴碳纤维片材

粘贴树脂经搅拌用滚筒刷均匀地涂抹在贴片上, 贴片时, 在纤维片和树脂之间避免有气体, 片材顺长方向的接头搭接应不小于100mm。可用专用滚压工具沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次, 使树脂渗浸进片材中。上层片材粘贴半小时后, 并保证底层粘贴的碳纤维片上涂已干燥, 才能粘贴下一层, 如需多层粘贴则重复以上步骤。最上面一层片材粘贴应涂刷均匀、周边整齐。

5.5 养护

加固完成后, 加载荷使用前应养护, 一般在7~14天内。必要时应采取封闭遮挡养护。对表面有装饰要求的结构或构件, 可在粘贴后的碳纤维表面直接喷涂与其无化学反应的环氧类型涂料或抹灰后涂刷常规涂料。

6 施工质量要求及缺陷处理

每道工序完毕后均应按技术要求进行复查, 做好相关的质量记录, 如发现质量问题, 应铲除返工整改。

严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5~35℃范围内, 相对湿度不大于70%。

敲击碳纤维片材表面, 以声音判断粘结效果, 检查有无空鼓, 无空鼓或小于30mm的小空鼓即为合格;大的空鼓或较多的小空鼓应采取注入耐久树脂胶处理。粘结面积若少于90%则判定粘结无效, 需重新施工。

综上所述, 碳纤维片材加固、补强结构的成本低于加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法等其他补强方法, 越是复杂结构其优点越明显。由于该技术的施工简便迅速、施工周期短、占用空间小, 对周围的影响可降低到最低限度, 因此具有很大的社会、经济效益与巨大的优越性, 拥有广泛的应用前景。

摘要：碳纤维复合材料加固修复技术是一项新型加固技术, 该项技术是将碳素纤维这种高性能材料应用于结构工程加固, 利用树脂类物质使碳纤维与需要加固构件贴合, 使之成为复合体, 通过其与构件的共同作用, 实现对结构构件补强加固, 提高受力性能的目标。

纤维片材 篇3

该工程共实施了两处隧道结构加固工程。A隧道为双连拱隧道,长200 m,隧道穿越鞍部地形,围岩为凝灰岩,隧道在鞍部地区穿越断层构造破碎带及影响带,围岩节理发育,岩体完整性较差,呈碎石状压碎结构,地表水相对富集,断层带含水量较高,在开挖施工时出现了大变形,地表出现裂缝及下沉现象,对地表进行了注浆加固并加强了衬砌结构,隧道建成通车后,二衬75 m范围出现了不同程度的裂缝,并在雨季有渗漏水,危及隧道运营安全,决定对裂缝及渗漏水进行治理后粘贴碳纤维片材对隧道衬砌结构进行补强。B隧道长1 400 m,在开挖时由于围岩节理发育,出现了较大的塌方,建成通车后在前后48 m(4组衬砌)范围内出现了裂缝及渗漏水现象,对裂缝及渗漏水进行治理后粘贴碳纤维片材对衬砌结构进行补强。

A隧道为全断面施工碳纤维片材;B隧道为裂缝较多的24 m全断面施工碳纤维片材,其中原塌方位置施工了两层,另24 m仅在裂缝部位30 cm范围内施工了碳纤维片材。两隧道共施工了碳纤维片材3 700 m2。

2 施工材料及施工工艺

2.1 材料指标要求

单位重量:300 g/m2;抗拉强度:3 550 MPa;弹性模量:220 GPa;名义厚度:0.17 mm。

2.2 施工工艺

2.2.1 混凝土表面处理

1)砂轮打磨。

用手提式砂轮机打磨混凝土表面,除去衬砌表面的涂料层、表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出混凝土结构砂石新面,打磨厚度3 mm～5 mm。转角处进行导角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径大于20 mm。油污用机溶脱脂,混凝土粉末用吹风机、吸尘器或抹布等工具去除,也可采用喷砂或高压水冲洗,将混凝土表面清理干净后并保持干燥。

2)裂缝修补。

按设计要求采用低压注浆法对混凝土地表裂缝进行注浆封堵。

2.2.2 涂刷底层树脂胶

1)按产品生产厂家提供的工艺规定比例将主剂与固化剂先后置于容器中,用搅拌器搅拌均匀,根据现场实际气温决定用量,并严格控制使用时间。

2)用滚筒刷或毛刷在混凝土表面需粘贴碳纤维布的位置均匀涂布底胶,厚度不超过0.4 mm,标准涂布量为0.2 kg/m2,并不得漏刷或有流淌、气泡,等胶固化后(固化时间视现场气温而定,以手指触感干燥为宜,一般不小于2 h),再进行下道工序。

2.2.3 用整平胶进行找平修补

1)模板接头的高度差、混凝土表面凹陷部位、气泡应用整平胶料修补填充,使表面光滑。2)转角的处理,应用整平胶料将其修补为光滑的圆弧,半径根据设计要求,通常不小于20 mm。3)整平胶料须固化后(固化时间视现场气温而定,以手指触感干燥为宜,一般不小于2 h),方可再进行下一道工序。

2.2.4 拉墨线

待修补胶硬化后在碳纤维粘结部位拉墨线。

2.2.5 粘贴碳纤维布

1)粘结树脂配制。按产品生产厂家提供的工艺规定比例将主剂和固化剂先后置于容器中,用低速电动搅拌机充分搅拌,直至均匀。

2)下涂。用手指检查确认底涂料指触干燥(不粘手),用滚筒在碳纤维布的粘贴面上均匀涂布粘结树脂,标准下涂量为0.5 kg/m2(碳纤维布规格为300 g/m2),在搭接、拐角部位适当多涂抹一些。

3)碳纤维布的粘贴。按设计规定的尺寸裁剪碳纤维布,裁剪的尺寸要包括搭接部分。用剪刀进行裁剪,裁剪线与边成直角,在涂布粘结树脂后立即用手将碳纤维布轻压贴于涂有粘结树脂的面上,用浸渍用滚筒顺纤维方向单方向或从中间向两侧多次滚压,以去除气泡,使下涂树脂充分浸渍到碳纤维布中。滚压时不得损伤碳纤维布。粘贴碳纤维布时要对准墨线位置。

4)多层粘贴时重复上述步骤,并宜在碳纤维布表面浸渍树脂,指触干燥后尽快进行下一层粘贴。

5)上涂。在最后一层碳纤维布粘贴20 min后(必须是在树脂可使用时间内),用目视和指触法检查确认底涂料已完全浸透到纤维中。然后在碳纤维布表面用粘结树脂均匀滚涂,再用浸渍用滚筒单方向或从中间向两侧多次滚压。标准上涂量:0.3 kg/m2(碳纤维布规格为300 g/m2)。

6)养护。在浸渍树脂初期硬化之间要进行养护,防止雨水和尘土等粘结在碳纤维表面,必要时覆盖塑料薄膜。

7)表面防护。碳纤维布粘贴施工后应进行表面涂抹,以延长碳纤维及粘结树脂的老化,本工程中对隧道表面恢复施工的防火涂料做防护。

3 施工中的注意事项

3.1 碳纤维布的搭接方法

1)长度方向(纤维方向)。裁碳纤维布时长度不宜过长,设计无要求时每条碳纤维布长度不超过3 m,施工中以2.5 m～3 m为标准,以便于粘贴作业。搭接长度不得小于10 cm,施工中按20 cm搭接施工,并注意统一。

2)宽度方向(与纤维方向垂直方向)。碳纤维布在横方向搭接时,一般情况下不用搭接,如果表面平整度很差导致布材之间可能产生空隙时搭接2 cm～3 cm。

3.2碳纤维粘贴的后道加工

碳纤维布粘贴后,在粘结剂硬化之前如果产生鼓起、皱纹、起皱等缺陷,应立即进行处理。

1)鼓起:在鼓起部位上涂粘结树脂,再用橡胶刀、橡胶镘刀或滚筒滚压,将内部空气排出。2)皱纹:用橡胶刮刀沿纤维方向捋刮,加以修正。3)起皱:纤维起皱会严重影响拉伸强度,所以要用橡胶刮刀加以修正,使之尽可能展平。

3.3 施工时的温度要求

施工现场的气温是影响施工的一个重要因素,根据工艺要求,现场气温应不低于5℃。如果气温低于5℃,应使用适于低温的特殊胶种或采取其他加温处理措施,如气温长时间低于5℃,应暂停施工。

4质量检验

1)施工时必须有碳纤维及其配套树脂厂家所提供的材料检验证明。2)每一道工序结束后均应按工艺要求进行检验,做好相关的验收记录,如出现质量问题,应立即返工。3)施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主,用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面,以回声来判断粘结效果,如出现空鼓等粘贴不密实现象,应采取针管注胶的方法进行补救。若粘结面积小于90%,则判定为粘结无效,需重新施工。4)施工中现场质量检验采用《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》中附录B的方法进行,现场施工中共制备试样8组,经试验破坏形式均为Af,施工质量判定合格。

5结语

碳纤维片材在结构加固中是一种较为普遍的方法,但用在隧道结构加固中例子尚不多见,本工程的成功应用为以后类似工程提供了宝贵的实践经验。

参考文献

纤维片材 篇4

利用碳纤维布配套用胶将碳纤维布材粘贴于混凝土构件表面的碳纤维加固技术,与传统加固修补方法及粘钢板、喷射混凝土加固技术相比,具有明显的技术优势,主要表现在以下方面:

1)高强高效。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,这对于抗震加固补强尤其具有重要意义。

2)施工便捷,施工效率高,没有湿作业,不需大型施工机具。

3)具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀,不需要采用钢结构施工所需要的定期防锈维护,而且其本身更可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重加固修补的目的。

4)适用面广。CFRP加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱等),各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等),各种结构部位(如梁、板、柱节点、拱、壳、墩等)的加固修补,且不改变结构形状及不影响结构外观,这是目前任何一种加固方法所不可比拟的。

2 CFRP及其粘贴用树脂的材料特性

2.1 碳纤维片材(CFRP)

1)按力学性能分。

高弹性模量(Ⅰ型),弹性模量很高,可达380 GPa～640 GPa,其伸长率在0.30%～0.50%之间;高强度(Ⅱ型),抗拉强度达2 400 MPa～3 100 MPa;中间弹性模量(Ⅲ型),抗拉强度在274 GPa～315 GPa之间,伸长率在1.5%～2.0%之间。

2)按材料形式分。

包括短纤维类和长纤维类,长纤维类分为片材(如布状和板状)、棒材(如无肋棒材、有肋棒材)、型材(如网格状、矩形、工字钢型等)。

3)按原丝种类分。

包括聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,碳纤维抗拉强度可达3 500 MPa,为普通建筑钢板材料的10倍左右,比重仅为钢材的1/4,是一种高强轻质的材料。表1为《技术规程》规定的碳纤维片材的力学指标。

2.2 配套树脂类粘结树脂

粘结树脂通常选用环氧基的树脂,因为该类树脂的力学指标较好、受力性能优良以及成本经济。工程上常用的树脂按功能分为两种:底层树脂、找平材料。正拉粘结强度指标不小于2.5 MPa,且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值ftk。

3 目前CFRP加固钢筋混凝土结构的常用加固形式

3.1 受弯构件正截面加固(抗弯加固)

沿构件的主轴方向粘贴CFRP。通过把CFRP粘贴在构件的受拉区,利用CFRP材料较高的抗拉强度和弹性模量,与受拉钢筋共同受力,提高构件的抗弯性能,达到对钢筋混凝土构件抗弯加固的目的。抗弯补强加固的分类见图1,其相应的加固形式见图1～图4。

3.2 构件斜截面加固(抗剪加固)

构件斜截面加固包括梁抗剪加固和轴心受压柱抗剪加固。在垂直构件主轴方向粘贴CFRP环形箍或U形箍。CFRP抗剪加固的机理和箍筋的抗剪作用机理相似,把CFRP粘贴在构件的弯剪区,由CFRP和箍筋共同承担剪力,达到对构件抗剪加固的目的。梁抗剪加固的形式见图5,柱抗剪加固的形式见图6。

3.3 轴心受压构件正截面加固(柱抗压承载力加固)

垂直构件主轴方向粘贴CFRP环形箍加固。利用CFRP对混凝土的约束提高其抗压强度,从而提高柱的抗压承载力。柱承载力加固的形式见图6。

1)基于《设计规范》的T形截面抗弯加固的计算公式:

第一类T形截面抗弯加固计算公式:

α1fc0bf′x=fy0As0+ΨfffAfe-fy0′As0′。

$\Psi {}_f=\frac{(0.8\epsilon {}_{cu}h/x)-\epsilon {}_{cu}-\epsilon {}_{f{}_0}}{\epsilon {}_f}\le 1$。

第二类T形截面抗弯加固计算公式:

α1fc0bx+α1fc0(bf′-b)hf′=fy0As0+ΨfffAfe-fy0′As0′。

$\Psi {}_f=\frac{(0.8\epsilon {}_{cu}h/x)-\epsilon {}_{cu}-\epsilon {}_{f{}_0}}{\epsilon {}_f}\le 1$。

2)基于《技术规程》的T形截面抗弯加固计算公式:

$\begin{array}{l}{\rm M}\le f{}_c(B-b)b{}_f(h-\frac{b{}_f}{2})+f{}_{c}bx(h-\frac{x}{2})+\\ f{}_{y^{\prime }}A{}_{s^{\prime }}(h-a^{\prime })-f{}_{y}A{}_s(h-h{}_0)。\end{array}$

fcf=φfcfk。

3)与按矩形截面相比,在碳纤维面积相同的情况下,可以获得较高的抗弯承载力。对有现浇楼板的框架梁进行加固设计,当碳纤维粘贴层数达到最大层数,按矩形截面计算抗弯承载力仍然不能满足要求时,可按照T形截面进行加固。

4 结语

目前碳纤维加固计算存在两部标准,各有各的优点和不足。按照《技术规程》进行加固设计时,碳纤维用量较省,但计算复杂,计算出碳纤维的应变后才能确定碳纤维的设计强度。而按照《加固规范》进行加固设计时,安全系数较高,碳纤维用量相对而言要大一些,但计算简单方便,碳纤维设计强度直接按规范取值,不需要计算碳纤维的应变值。一般情况下,可以采用《加固规范》作为设计依据。当设计荷载较大或按照《加固规范》不能满足要求时,可以采用《技术规程》作为设计依据。

参考文献

[1]CECS 146∶2003,技术规程[S].

[2]GB 50367-2006,加固规范[S].

[3]赵彤,谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津:天津大学出版社,2001.

纤维片材 篇5

碳纤维片材具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、高效快捷、施工方便等卓越的性能,施工质量易保证,能有效封闭混凝土结构的裂缝,延长结构使用寿命。与传统加固修补方法及粘贴钢板、喷射混凝土等加固技术相比,应用碳纤维加固修复结构,能够大大延长结构的使用寿命,提高结构承载力,具有明显的技术优势。

针对工程设计计算中遇到的问题,本文对《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》的应用展开讨论,给出了几点建议,并以此指导加固设计。

1 矩形截面受弯构件的加固计算

为讨论方便起见,在下文中《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》简称为《CECS 146∶2003》。

《CECS 146∶2003》4.3.1条指出,采用碳纤维片材对梁、板构件进行受弯加固时的承载力计算,除应符合现行GB 50010-2002混凝土结构设计规范对受弯构件正截面承载力的基本假定外,尚应符合4点要求,其中第1点要求,构件达到受弯承载能力极限状态时,碳纤维片材的拉应变εcf按截面应变保持平面的假定确定,但不应超过碳纤维片材的允许拉应变[εcf]。《CECS 146∶2003》4.3.2条指出,在矩形截面受弯构件的受拉面上粘贴碳纤维片材进行受弯加固时,其正截面受弯承载力应按下列公式计算:

当混凝土受压区高度x不大于ζcfbh时(规程《CECS 146∶2003》图4.3.2b,见图1b)),其弯矩为:

M≤fyAs(h0-0.5ζcfbh)+Ecf[εcf]Acfh(1-0.5ζcfb) (1)

假设受拉、受压钢筋另外承受荷载,则式(1)变成:

M≤Ecf[εcf]Acfh(1-0.5ζcfb) (2)

《CECS 146∶2003》指出混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf应按下列公式确定:

fcbx=fyAs-fy′As′+EcfεcfAcf (3)

$x=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+\epsilon {}_{cf}+\epsilon {}_i}h$ (4)

假设受拉钢筋和受压钢筋另外承受荷载,则式(3),式(4)变为:

fcbx=Ecf εcf Acf (5)

$x=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+\epsilon {}_{cf}+\epsilon {}_i}h$ (6)

《CECS 146∶2003》指出,碳纤维达到其允许拉应变[εcf]与混凝土压坏εcu同时发生时的界限相对受压区高度为:

$\zeta {}_{cfb}=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+[\epsilon {}_{cf}]+\epsilon {}_i}$ (7)

由式(2),式(5)可知,两个方程中Acf为同一面积,即受拉面上粘贴的碳纤维片材的截面面积。这一点值得商榷。

因为混凝土受压区等效高度x≤ζcfbh时,设x<ζcfbh,由式(6),式(7)得:

$\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+\epsilon {}_{cf}+\epsilon {}_i}h＜\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+[\epsilon {}_{cf}]+\epsilon {}_i}h$。

则: εcu>[εcf] (8)

根据前面提到的《CECS 146∶2003》4.3.1条第1点要求,应取:

εcu=[εcf] (9)

当εcf由式(8)变成式(9),必须增大Acf才能实现,记为Acf1,则式(5),式(6)变成下式:

fcbx=Ecf[εcf]Acf1 (10)

$x=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}}{\epsilon {}_{cu}+[\epsilon {}_{cf}]+\epsilon {}_i}h$ (11)

联立求解得:

$A{}_{cf1}=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}f{}_{c}bh}{(\epsilon {}_{cu}+[\epsilon {}_{cf}]+\epsilon {}_i)E{}_{cf}[\epsilon {}_{cf}]}$ (12)

这个Acf1已经不是原先的Acf,因为由式(5),式(6)可知:

$A{}_{cf}=\frac{0.8\epsilon {}_{cu}f{}_{c}bh}{(\epsilon {}_{cu}+\epsilon {}_{cf}+\epsilon {}_i)E{}_{cf}\epsilon {}_{cf}}$ (13)

由式(8),式(12),式(13)可知:

Acf1>Acf (14)

这样式(1),式(2)应采用Acf1,而不是Acf,则式(1),式(2)变为:

M≤fyAs(h0-0.5ζcfbh)+Ecf[εcf]Acf1h(1-0.5ζcfb) (15)

M≤Ecf[εcf]Acf1h(1-0.5ζcfb) (16)

必须指出,如果仍取Acf计算承弯能力,如式(1)或式(2)所示,则将破坏式(5),式(6)的平衡;但如果按式(15)或式(16)计算,其计算结果很可能满足不了《CECS 146∶2003》4.3.5条第3点,这是因为构件的破坏形态发生变化,即由[εcf]决定,从而其承载能力将不能满足4.3.5条第3点的要求,加固后受弯承载力的提高幅度将超过40%。

2 板的受弯加固问题

《CECS 146∶2003》中着重论述了对梁正弯矩区的加固计算方法,例如b,h分别指梁的截面宽度、高度,如图1所示,虽然也提到对板的受弯加固,如《CECS 146∶2003》中图4.3.9b所示(见图2b)),但并未指出b,h分别是板的什么尺寸,例如b是指板的截面宽度还是在板上加固用的碳纤维布宽度;另外在图2中a)与b)似乎有点不协调。

在《CECS 146∶2003》中,如图4.3.10所示(见图3)是为了加固梁还是为了加固板,如何计算,有人说是加固梁,因为梁两边的板可以看成翼缘,所以提高了梁的承弯能力;也有人说是加固板,因为板与梁是铰支连接,且板与柱的连接,跟梁与柱的连接方向不同,故板不是梁的翼缘。

前一种观点认为,图3是对悬臂梁负弯矩区进行加固的方式之一,可以取悬臂梁的截面宽度、高度来计算这种加固方式的承弯能力,这是否合理;后一种观点认为,加固哪里就提高哪里的承载能力,因此截面的宽度、高度应取在板上加固用的碳纤维布宽度、板的厚度,这是一根特殊的复合梁,因此应取这根复合梁来计算承弯能力。这些问题《CECS 146∶2003》中并未指明。

作为指导性的《CECS 146∶2003》,我们希望指出具有争议的难点的计算方法,否则,不同的人有不同的理解,将取不同的计算方法,会使有些加固方式达不到期望的效果。

3 展望

我国有大量的老旧结构、受损结构亟待加固处理,随着碳纤维价格的不断降低,其在建筑结构加固中的应用将更加广泛,并能带来巨大的经济效益和社会效益。

用粘贴碳纤维片材在受弯构件的受拉面上进行加固在工程中较为普遍,关于《CECS 146∶2003》的以上两个问题提的是否合适,值得工程设计人员和研究工作者共同商榷。

参考文献

[1]CECS 146∶2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].

[2]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

纤维片材 篇6

而碳纤维增强复合材料(Cabon Fiber Reinforced Polymer)具有轻质高强、易于成型、抗腐蚀性和耐久性好、抗疲劳性能好、施工方便等优点,在混凝土结构修复中已经得到了广泛应用,而将碳纤维片材用于加固钢结构可以发挥碳纤维片材的这些优点,且可以避免传统钢结构加固方法的缺陷,因此,在钢结构加固中具有广阔的应用前景。

目前,国内外在预应力碳纤维片材加固混凝土构件方面的研究工作才刚刚开始,国内外现行规范中也都没有预应力碳纤维片材加固混凝土梁的设计条款。

本文基于国内外的试验研究成果,提出了纤维增片材加固钢结构的强度计算方法。

1 强度计算方法

试验研究表明[2,3,4],在竖向荷载的作用下,碳纤维片材加固钢梁的应力—应变曲线与未加固钢梁相似,分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和塑性工作阶段,加固后梁截面变形满足平截面假定,在梁塑性变形很大之前,钢材与碳纤维片材之间粘结可靠,因此碳纤维片材加固的钢梁可以看成钢和碳纤维片材的组合梁进行计算。在对碳纤维加固钢梁的受弯性能计算时,采用如下基本假设:1)加固后梁截面变形满足平截面假定;2)钢材与碳纤维片材之间粘结可靠,无滑移;3)忽略粘结层厚度;4)钢材的应力—应变关系为:当εs≤εy时,σs=Esεs;当εs>εy时,有σs=fy;5)碳纤维的应力—应变关系为线弹性:σcf=Ecfεcf。

1.1 梁截面的换算

由于梁内碳纤维片材与同一截面高度处的钢材应变相同,因此可将碳纤维片材按碳纤维与钢材的弹性模量比换算成等效面积,将梁看作均质弹性材料进行计算。加固后的截面面积、中和轴位置、毛截面惯性矩、净截面惯性矩和净截面模量等相关参数也按此方法进行计算。如加固后梁截面面积的计算如下:

$A=A{}_s+\frac{E{}_f}{E{}_s}A{}_f$。

其余参数的计算在此不一一列举。

1.2 不考虑二次受力影响时的强度验算

为了避免过大的变形,对碳纤维加固钢梁的计算采用与一般钢梁相同的截面塑性发展系数γ。因此,不考虑二次受力影响时,梁截面最大应力:

$\sigma =\frac{{\rm M}{}_x}{\gamma {}_{x}W{}_{nx}}\le f$ (1)

其中,Mx为钢梁计算截面处绕x轴的弯矩;Wnx为加固后钢梁对x轴的净截面模量;γx为截面塑性发展系数,取值见文献[5]。

梁截面正应力的分布是到中性轴距离越远,正应力越大。

1.3 考虑二次受力影响时的强度验算

1)初始荷载作用下梁截面的最大应力。

由于加固前,需对梁卸载,且钢结构中结构自重通常不大,故初始荷载所占的比重较小,因此计算时假定在初始荷载的作用下,梁处于弹性状态,则初始荷载作用下梁截面的最大应力为:

$\sigma {}_0=\frac{{\rm M}{}_{x0}}{W{}_{nx0}}$ (2)

其中,Mx0为初始荷载的作用下钢梁计算截面处绕x轴的弯矩;Wnx0为加固前钢梁对x轴的净截面模量。

2)使用荷载作用下梁截面的最大应力:

$\sigma {}_1=\frac{{\rm M}{}_x-{\rm M}{}_{x0}}{W{}_{nx}}$ (3)

3)考虑二次受力影响时的强度验算:

$\sigma =\sigma {}_0+\sigma {}_1=\frac{{\rm M}{}_{x0}}{W{}_{nx0}}+\frac{{\rm M}{}_x-{\rm M}{}_{x0}}{W{}_{nx}}\le f$ (4)

1.4 折算应力的验算

在梁腹板计算高度边缘处,如果同时有较大的正应力、剪应力和局部压应力,或同时有较大的正应力、剪应力时,为了保证钢材在复杂受力状态下处于弹性状态,还应计算其折算应力:

$\sqrt{\sigma {}^2+\sigma {}_c^2-\sigma \sigma {}_c+3\tau {}^2}\le \beta {}_{1}f$ (5)

其中,σ,σc,τ分别为腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、局部压应力和剪应力;β1为计算折算应力的强度设计值增大系数,当σ与σc异号时,取1.2,当σ与σc同号或σc=0时,取1.1。

1)计算点处正应力σ的计算:

$\sigma =\frac{{\rm M}}{{\rm I}{}_n}y{}_1$ (6)

其中,In为加固后梁净截面惯性矩;y1为计算点到梁中和轴的距离。

2)计算点处局部压应力σc的计算:

$\sigma {}_c=\frac{\phi F}{t{}_{w}l{}_z}$ (7)

式中各参数的含义和取值见文献[5]。

3)计算点处剪应力τ的计算:

$\tau =\frac{VS}{{\rm I}t{}_w}$ (8)

其中,I为加固后梁毛截面惯性矩;其余各参数的含义和取值见文献[5]。

2 加固设计方法

2.1 选材

在结构修复中常用片材主要有板材和布材两种,碳纤维布材是直接由碳纤维编织而成,而碳纤维板材是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型,厚度一般为1 mm～1.6 mm。碳纤维布材易于成型,适合于各种形状的表面加固;而碳纤维片材具有质量好、性能稳定,无需多层粘贴,施工便捷等特点。既有研究发现,粘贴CFRP板加固钢梁的承载力提高幅度较粘贴CFRP布加固的承载力提高幅度大[2],因此,在加固时尽量采用CFRP板。

2.2 CFRP片材的用量

由于计算中要用到加固后梁的惯性矩、截面模量等参数,必须先初步确定CFRP片材的用量。对CFRP布,一般沿梁底满贴,只需确定粘贴的层数;而对于CFRP板,它与CFRP布材不同,不能任意裁剪,一般都有一定的规格,需确定CFRP板的规格。CFRP布的粘贴的层数和CFRP板规格可根据梁的承载力和挠度初步拟定,再进行强度验算,若不满足,重新选择CFRP布的粘贴的层数或CFRP板规格后再进行强度验算直至满足。强度验算方法如1所述。

3 结论与展望

碳纤维片材加固钢结构可以在一定程度上提高原有结构的刚度和承载能力,且具有轻质高强、不损伤原有结构、抗疲劳性能好、施工方便等优点,是一种很有前途的加固方法,并且会逐渐成为新的研究热点。本文基于对碳纤维片材加固钢梁的试验研究成果,提出了碳纤维片材加固钢结构受弯构件的计算方法。但碳纤维片材加固钢结构的研究才刚刚起步,要使该技术得到工程界普遍接受和广泛应用还需要进一步的理论和试验研究。

参考文献

[1]彭福明,郝际平,岳清瑞.碳纤维增强复合材料(碳纤维)加固修复损伤钢结构[J].工业建筑,2003,33(9):7-28.

[2]李鹏,徐德新,张汉民.碳纤维材料加固钢梁的试验研究[J].工业建筑,2004,34(7):91-98.

[3]Abushaggur M,ED Damatty A A.Testing of Steel Section RetrofittedUsing FRP Sheets[R].Annual Conference of the Canadian So-ciety for Civil Engineering.Moncton,Nouveau BrunswickCanadia,2003.

[4]侯发亮.建筑结构粘贴加固的理论与实践[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[5]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].