李世雷,毛瑩瑩

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

碳纖維材料又稱碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱 CFRP),是用聚丙烯晴、人造纖維、石油或煤瀝青、苯酚樹脂等原料,在不活潑氣體中經(jīng) 2000℃～3000℃的高溫燒成紡線形狀,并使其碳素化而制造出來的高性能無機纖維。

1 碳纖維材料的特點

碳纖維增強復合材料是一種理想的新型復合材料,與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固材料相比,碳纖維加固材料具有明顯的性能優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在:

(1)強度高。測試證明,碳纖維的抗拉強度可達 4500 N/mm2以上,形成復合材料后為 3500 N/mm2以上,分別是普通合金結(jié)構(gòu)鋼的 9倍和 7倍左右。

(2)極佳的耐腐蝕性能。試驗表明,碳纖維材料可以抵御建筑物遇到的各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕;對空氣中氯離子含量高的沿海地區(qū)的結(jié)構(gòu)加固工程特別適用。

(3)施工簡便,質(zhì)量容易保證。即使被加固結(jié)構(gòu)的表面不是非常平整,粘結(jié)碳纖維加固也可以接近 100%的粘貼率,且現(xiàn)場檢測方便,即使有小的空鼓,也可以用針管注膠法補救。

(4)質(zhì)量輕。碳纖維材料質(zhì)量輕且厚度薄,粘貼后每平方米重量增加不到 1.0 kg(包括樹脂重量),一層粘貼后厚度僅 0.1mm左右,加固修補后基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原結(jié)構(gòu)尺寸。

(5)與混凝土協(xié)同工作。由于碳纖維材料膨脹系數(shù)與混凝土相近,當環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時,CFRP與混凝土協(xié)同工作,不會產(chǎn)生溫度應力。

(6)適用面廣。碳纖維布是一種柔性材料,且可以任意裁剪。所以這種加固技術可廣泛地應用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位,且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。

2 碳纖維在柱加固中的應用

2.1 碳纖維加固框架柱的加固機理

鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時,構(gòu)件的破壞是由于受到極限值非常小的橫向擴張引起的。如能在構(gòu)件四周創(chuàng)造橫向約束,以阻止受壓構(gòu)件的這種橫向擴張,就可以提高構(gòu)件抗壓承載力和變形能力。

碳纖維 CFRP加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增強帶之間產(chǎn)生約束作用(它們之間的相互作用力稱為界面約束應力)。受橫向界面約束應力的作用,塑性區(qū)的核心混凝土處于三向應力狀態(tài)。與單向受力狀態(tài)相比,混凝土的極限壓應變和承載力會提高。在柱彎曲承載力沒有明顯下降的情況下,并不考慮失穩(wěn)的影響;當混凝土受壓產(chǎn)生橫向變形時,碳纖維布可以約束混凝土變形,加大混凝土的極限壓應變,因而推遲了受壓區(qū)混凝土的破碎,充分發(fā)揮縱筋的塑性變形性能,改善鋼筋混凝土框架柱的延性,從而提高框架柱的承載力和抗震性能。

2.2 柱碳纖維加固詳圖

圖1為混凝土柱采用碳纖維加固詳圖。

圖1 柱碳纖維加固詳圖

3 碳纖維在梁加固中的應用

3.1 基本假定

依照加固梁的破壞特性,在極限狀態(tài)下受拉鋼筋屈服、碳纖維失效、混凝土被壓壞的原則,并結(jié)合現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中關于正截面受彎承載力計算的基本原理,做出如下假定:

(1)在混凝土梁破壞的過程中,截面的應變始終保持線性關系,即符合平截面假定;

(2)忽略混凝土的抗拉強度;

(3)應力 -應變的物理關系為:

①鋼筋采用理想彈塑性應力應變關系。即當應力小于屈服強度時,應力應變呈線性關系;當應力大于屈服強度時,應力取屈服強度;

②混凝土采用如下應力應變關系。

③碳纖維采用線彈性應力應變關系;

(4)達到受彎承載力極限狀態(tài)之前,碳纖維與混凝土不發(fā)生剝離破壞。

3.2 計算方法

如圖 2為加固梁相應的截面應力圖。

圖2 加固梁的截面應力

極限狀態(tài)下,加固梁的平衡方程可分為以下幾種情況:

3.3 梁碳纖維加固詳圖

圖3為混凝土梁采用碳纖維加固詳圖。

4 碳纖維加固施工

(1)施工前的準備工作:認真閱讀圖紙,根據(jù)現(xiàn)場以及所需加固構(gòu)件的實際情況確定施工方案。

(2)卸荷:加固前對于承受二次荷載的構(gòu)件不需卸荷;不承受二次荷載的構(gòu)件必需卸荷。

(3)基底處理:①清理所需加固構(gòu)件表面的劣化混凝土。②對于裂縫應采取灌縫或者封閉處理。③混凝土表面應該打磨平整,可以采用混凝土角磨機除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì),轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑 R不應小于 20mm。④采用吹風機將混凝土表面清理干凈并保持其干燥。

圖3 梁碳纖維加固

(4)涂底膠:①按主劑∶固化劑 =3:1配制底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中,用秤計量,電動攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間,一般情況下 20～50mim內(nèi)用完。②將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時間視現(xiàn)場氣溫而定,以指觸干燥為準)再進行下一工序施工。一般固化時間為 6～24h。

(5)找平:①混凝土表面凹陷部位應用修補劑填平,模板接頭等出現(xiàn)高差的部位應用修補劑填補,盡量減小高差。②轉(zhuǎn)角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧,半徑不小于 20 mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。

(6)粘貼:①按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。②調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑(使用方法與底膠相同),然后均勻涂抹于待粘貼的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象,特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。③粘貼碳纖維布,在確定所粘貼部位無誤后,用特制工具反復沿纖維方向滾壓,去除氣泡,并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布;并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。多層粘貼應重復上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復沿纖維方向滾壓,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。

(7)表面保護:加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。

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