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      概論鋼筋混凝土柱碳纖維加固施工
      發布時間:2014-07-15
          摘要:加強鋼筋混凝土碳纖維加固施工的研究是十分必要的。本文作者結合多年來的工作經驗,對鋼筋混凝土碳纖維加固施工進行了研究探討,具有重要的參考意義。
        關鍵詞:混凝土柱 碳纖維 加固
        鋼筋混凝土結構材料是當前人類在營建生活、生產家園過程中使用最為普遍的建筑材料之一。鋼筋混凝土結構中的鋼筋發生腐蝕的機理主要可以歸結為兩個方面:內部因素和外部因素。內部因素是與混凝土的結構和液相成分有關,在低堿混凝土(石膏混凝土、石膏火山灰質水泥及其他)、含氯化物外加劑及多孔混凝土中,鋼筋是很難被鈍化或鈍化膜僅僅處于亞穩定狀態。內部的誘因可能會在較早的時間促使鋼筋腐蝕。外部因素是指受混凝土周圍介質的影響,會逐步發生變化而失去保護鋼筋的能力,這些外部誘因一般會是物理的、化學的或者物理化學的過程。鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕的問題,是材料發生失效破壞最為主要的影響因素。
        近年來因碳纖維生產工藝的改進,其生產成本在不斷的降低。纖維及纖維復合材料也越來越多地被用于建筑工程方面。一般而言,纖維及纖維復合材料在混凝土和鋼筋混凝土建筑結構材料中的應用方式主要有兩種:一種是將短切纖維或長纖維在混凝土拌制時按照一定摻入量和方式加入,得到混凝土與纖維的復合型材料,也叫纖維混凝土;另一種是以纖維和高分子樹脂的復合材料用于混凝土的加固補強。在各類纖維當中,碳纖維因其優異性能備受關注。
        1、鋼筋混凝土柱CFRP加固機理分析 1.1、碳纖維CFRP材料 碳纖維CFRP一般是直徑為5μm~20μm的連續纖維,基材由樹脂和固化劑組成,用樹脂(內加固化劑)浸潤碳纖維,待樹脂固化后便形成了碳纖維增強塑料(簡稱CFRP)。其特性:密度小,為普通鋼材的1/6;強度高,抗拉強度約為普通鋼筋的4~6倍;抗腐蝕性能好,強度不受酸堿腐蝕介質的影響;非磁性,不影響電磁信號的傳播;抗疲勞性能優良,疲勞壽命普遍高于鋼材;溫變系數和混凝土相當;彈性模量和鋼材相近;極限延伸率1%。 1.2、鋼筋混凝土柱CFRP加固原理 鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時,構件是由于受到極限值非常小的橫向擴張引起的,如能在構件四周創造橫向約束,以阻止受壓構件的這種橫向擴張,從而提高構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,塑性區的核心混凝土處于三向應力狀態,與單向受力狀態相比,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,并不考慮失穩的影響,加固后鋼筋混凝土柱具有較大的延性變形與耗能能力。 1.3、鋼筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的應力分布情況 1.3.1、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束后使CFRP形成軸向拉伸應力,而CFRP的抗彎能力極弱,矩形柱在CFRP包裹約束下其最終極限軸向抗壓強度相對圓柱而言大大降低,主要由于側向約束應力不均勻。矩形柱邊中央側向約束弱,拐角處側向應力集中約束較大,柱邊只有在發生側向塑性變形時CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束應力才能極速增長。 1.3.2、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的約束為界面約束,只有當混凝土向外橫向擴張時(產生塑性變形)CFRP方能對混凝土產生約束應力,因此柱環向外包CFRP在承受荷載時表現出兩階段的受力過程:第一階段,混凝土軸向壓應力較小,橫向變形較小,CFRP受力較;第二階段,隨著荷載的增加,柱混凝土變形增大,CFRP環向應力顯著增長,環向約束力迅速增加,直到當CFRP達到其極限拉伸應變時發生斷裂。CFRP對混凝土產生約束應力、應變值的提高幅度,與使用CFRP材料的規格、粘貼形式、粘貼層數有關,應通過試驗確定。
        2、碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的技術及施工要點
        2.1、適用范圍及工況要求 CFRP加固鋼筋混凝土柱適用于圓柱或小截面矩形柱(截面邊長一般小于800mm),在未失穩狀態下能大幅提高鋼筋混凝土柱的軸壓承載能力。加固的前提條件是構件的核心混凝土未被破壞,尚具有一定的承載和變形能力。在江蘇省鎮江市某教學樓加固工程的實例中,四層磚混結構,建于上世紀90年代初期,根據國家有關要求,校舍必須符合乙類建筑設計標準,并按鎮江市八度抗震設防要求進行結構抗震驗算。加固后的校舍必須符合《建筑抗震鑒定標準》、《建筑抗震加固技術規程》和《混凝土結構加固設計規范》、《建筑抗震設計規范》、《建筑工程抗震設防分類標準》等工程建設標準的要求。2.2、CFRP外包鋼筋混凝土加固技術 2.2.1、前期準備 鋼筋混凝土柱在加固前,需要對構件采取一定量的卸載工作,減少外包CFRP對于混凝土柱表面的應變滯后。構件表面清理,清除表層松動的混凝土,打磨至堅硬層,粘貼面找平處理并清除粘貼面上的油污、浮漿、粉塵。矩形柱還須倒角處理以緩解角部的集中應力,倒角半徑不小于20mm。 2.2.2、混凝土表面粘貼CFRP 根據混凝土補強要求和試驗情況,可采用單層或多層CFRP箍帶間隔加固或全截面外包加固的方法。 CFRP粘貼膠均為特殊設計的環氧樹脂,構件加固質量的優劣與粘貼膠有直接影響,因此選擇優質的粘貼膠和對粘貼膠施工前的檢測至關重要。 2.3、加固施工要點: 2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷,混凝土構件在負荷外包CFRP時,外包CFRP相對于混凝土柱表面存在應變滯后,常發生CFRP尚未被拉斷混凝土已被壓壞的情況,這種效應使得CFRP的補強效果降低,不能充分發揮CFRP的高強抗拉性能。 2.3.2、混凝土構件表面的修復工作極為重要,其直接影響CFRP對混凝土橫向約束效果。矩形柱拐角倒角的半徑不得小于20mm,柱側最好修成外凸面,減輕角部CFRP的集中應力。 2.3.3、必須選擇優質的CFRP纖維布和粘貼膠,施工中應進行嚴格的過程質量控制,并保證纖維布和粘貼膠的配套。 碳纖維加固具有輕質、高強、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩定等諸多優點。用碳纖維加固材料修復補強混凝土結構,能達到增強構件承載能力及剛度的目的,對于提高混凝土結構的安全性具有顯著作用。該大樓工程采用碳纖維進行補強加固的工程實例,說明采用碳纖維加固的設計方法是合理、可靠的。
        3、結論
        1)碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱,能使混凝土承受軸向受力狀態變為三向受力狀態,約束混凝土的承載力和變形能力得到提高,特別對軸壓比不能滿足抗震設計規范要求的鋼筋混凝土柱加固效果比較明顯。
        2)提高塑性鉸區的承載力及延性,鋼筋混凝土柱在地震荷載的重復作用下,上下端會首先出現塑性鉸區,承載能力及延性迅速下降,用CFRP進行纏繞加固后,塑性鉸區核心混凝土受到約束極限強度及變形能力大幅提高。
        3)施工工藝簡單、技術要求不高、質量易于保證、約束效果好、抗腐蝕能力強,在后期的使用過程中不需做定期維護,因此綜合經濟效益好。
        4)耐高溫性能差,對于高溫環境及有防火要求的建筑物,必須按照要求選擇防火材料并進行防護處理;不規則或大截面矩形柱應有條件使用。
        參考文獻:
        [1] 李俊杰.碳纖維布加固圓鋼管軸心受力有限元分析及試驗研究[D].蘭州理工大學2011
        [2] 劉麗娜.預應力碳纖維布加固混凝土預裂梁試驗研究[D].河北工程大學2007
        [3] 楊輝.纖維加固混凝土柱的有限元分析[D].大連理工大學2009

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