| 标题 | 碳纤维材料在加固混凝土结构中的应用研究 |
| 范文 | 易义东 摘要:随着碳纤维材料的技术的成熟,碳纤维材料(CFRP)已成为应用于土木工程加固修复中最广泛应用的一种高科技材料。本文简单介绍了碳纤维加固技术的发展,重点对CFRP加固混凝土结构原理及设计原则进行了探讨。 关键词:碳纤维材料;加固技术;设计原则 1 碳纤维加固技术的发展概况 二十世纪60年代,为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题,美国Mashsll-vega公司生产出玻璃纤维(GFRP)加强筋用于混凝土结构,这是CFRP研究和应用的开始。从七十年代末期开始了这种产品的商业应用。八十年代初,纤维增强塑料(FRP)加强筋逐渐大量地应用于有特殊性能要求的结构物,尤其是受有严重化学侵蚀的结构物。例如,对于有磁共振图象医疗设备的混凝土结构,传统的钢筋混凝土就不能适用,而选择无磁性的GFRP加筋钢筋混凝土是很适用的。此外,在一些海堤、工厂厂房屋面板、处于侵蚀性环境的混凝土楼板等,FRP产品越来越得到广泛的应用。 1983年,荷兰AK20与HBG决定合作研究以芳族聚酞胺纤维为材料的预应力构件,并起名叫Arapee,Arapee包含有成束的裹在环氧树脂中的芳族聚酞胺纤维。制作的构件荷圆柱状。实际工程中的应用是很有限的。主要集中在截面尺寸较小的部位。因为与普通钢筋混凝土构件相比,Arapee制作的构件不需要混凝土的保护层,就焊就可以减少截面的尺寸。 加拿大第一座预应力公路大桥及中央大街大桥,由采用CFRP预应力绞线的大梁组成,这座桥在1994年完工。同样,在Pontethaven大桥计划用4根91股 5的CFRP线材所组成的绞线代替相应预应力钢绞线。这说明CFRP布或板进行混凝土结构加固的技术在一些国家己经很成熟了。我国在土木工程中CFRP材料的研究和制备,开始得较早,几乎与国外同步。但因种种原因,发展较慢,只是最近几年,FRP的研究相应有了较大的发展。概括起来,碳纤维材料在土木工程中应用有以下几种途径: 在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土,用于新建结构,现已应用于某些工程。 CFRP预应力索、绞线,可取代钢绞线,建成预应力结构或单独使用于锚杆及悬索桥等结构中。 长丝制成束状(棒材)在现浇混凝土中代替钢筋用于新建结构,主要用于海洋结构及电磁波有特殊要求的结构,现己有研究并开始应用于实际工程。 将碳纤维制成织物(片材),粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固是实际工程中应用最多的一种。 2CFRP加固混凝土结构原理 CFRP加固混凝土结构受力性能与一般未经加固的普通混凝土结构有较大差异。结构属二次受力结构,即加固前原结构己经承受荷载受力(即第一次受力),尤其是当结构因承载能力不足而进行加固时,截面应力、应变水平一般都很高,然而,新加部分在加固后并不立即分担荷载,而是在新增荷载下,即第二次加载情况下,才开始受力。这样,整个加固结构在其后的第二次载荷受力过程中,新加部分的应力、应变始终滞后于原结构的累计应力、应变,原结构的累计应力、应变值始终高于新加部分应力、应变值,原结构达极限状态时,新加部分的应力应变可能还很低,破坏时,新加部分可能达不到自身的极限状态,其潜力可能得不到充分发挥。而目前的许多简化计算碳纤维布抗弯加固计算中普遍不考虑结构的二次受力,这种简化方法过高地估算了构件的实际抗弯承载力。当在恒载较少的情况下,引起的误差较小,但若须加固的结构所受的恒载较大的情况,这种计算方法是偏向不安全。因此,在加固结构的设计计算时,考虑二次受力有着特别重要的意义。 CFRP加固混凝土结构属二次组合结构,纤维布加固混凝土结构的整体效果主要通过其与混凝土之间良好的粘结来实现。任何引起粘结区域破坏的因素都可能导致结构发生突然破坏而达不到加固的预期效果,因此设计CFRP加固混凝土构件时必须考虑CFRP布在切断点以及弯曲引起的裂纹处的剪力和法向剥离应力最大值。当碳纤维布与混凝土粘结区域中多种应力作用形成的主应力 超过混凝土的抗拉(剪)强度时就会发生剥离破坏。 CFRP加固混凝土结构基本计算假定。CFRP加固混凝土结构的承载力与新旧两部分的应力差值或应变差值直接相关,与原混凝土结构的极限变形值有关,与两部分材料的应力-应变关系有关。 3 CFRP加固混凝土结构的设计方法 3.1抗弯设计 受压区外贴CFRP加固的梁在荷载作用下的抗弯设计主要基于受压区混凝土的受压破坏、受拉区纤维的拉断以及其它儿项提前破坏形式,而不象传统的钢筋混凝土梁以钢筋屈服为标准进行设计。碳纤维抗拉强度在3000MPa-4500MPa之间,远远高于钢筋的屈服强度,而且在整个加载过程中都呈线弹性,直至拉断。因此CFRP加固后的梁在钢筋屈服后其承载力继续增加,最后导致脆性破坏。总的原则设计是: 设计中材料断面面积的要求量应根据应力-应变关系和拉区拉力的需求来确定,不能根据等量的钢筋断面面积来确定。 几种在设计中应尽量避免的提前破坏形式是:1、CFRP粘结处混凝土基层的拉剪破坏(锚固破坏); 梁竖向裂缝导致的粘结剥离; 梁的斜截面抗剪破坏。为保证梁在破坏前有足够的延性和安全储备,ACF-440E委员会规程建议: 在混凝土受压破坏或CFRP拉断之前,受拉钢筋应变值达0.5%以上,可以认为梁具有足够的延度;可以通过合理的锚固设计来避免提前破坏的出现。CFRP层数越多,它与混凝土基面的粘结应力就越高。应验算CFRP粘贴面积和强度是否足够;极限拉应力主要由不考虑CFRP贡献的部分承担。没有CFRP的梁应能持续承受静载、部分活荷载及环境荷载,这个考虑是为了防止诸如火灾、意外破坏等造成意外倒塌。 原则上按照ACI318有关强度功能要求进行设计,当对材料、基本情况等不确定时,应选择使用保守的强度折减系数。 3.2抗剪设计 CFRP的抗剪作用可以通过沿假定裂缝方向上的纤维的应力和面积来计算分析,在设计时应满足: 计算CFRP的作用时,CFRP的受拉应变值应限制在0.4%以内,以保证此时混凝土的抗剪作用有效(齿合作用有效)并减小挠度变形。应对粘结应力进行细致分析,以保证该加固方法的有效性。对CFRP条的间距进行限制,使其能保证抗剪的有效性。整个抗剪约束作用之和,即FRP对抗剪强度的提高部分与箍筋的作用之和应小于其有关规定。 3.3 抗压及延性的提高 圆形及矩形截面的受压构件均可以采用外包CFRP的方法进行加强。CFRP的约束作用可以显著提高混凝土的极限应变及极限强度。 矩形截面的加强效果不如圆形截面的好,根据构件的几何尺寸,相关比率、钢筋的约束形式可以确定两者的有效性系数。 CFRP的应变依据应变协调原理,根据轴向压力引起的径向压应变来计算。 延性的提高来源于在混凝土受压破坏前压应变的提高能力,CFRP外套也能防止纵向钢筋在受压时的屈服。可以采用CFRP箍来加强混凝土受压构件在地震时的塑性变形能力。 二十一世纪,随着碳纤维材料的国产化进程和材料技术的不断进步,碳纤维材料无疑将会带来最大的经济效益和社会效益,因此研究这种新兴材料的设计原理和设计方法及有关施工技术具有十分重要的现实意义。 参考文献 [1]龙海燕,纤维增强材料加固柱型构件性能研究评述,建筑技术开发,2002. [2]王敬,碳纤维片加固混凝土结构经济技术分析,工业建筑,2002. [3]罗荃隆,碳纤维布加固技术应用及发展中的几个问题,四川建筑科学研究,2001. |
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