碳纤维补强加固混凝土结构

来源: 建筑网  2017-12-08 08:27

摘要:当前工程结构加固主要是应用碳纤片材。碳纤片材:有板状和布状编物两种,碳纤布更能适应不同结构外形的需要。碳纤布性能优劣除强度指标外,很重要的一点是对粘结剂的渗透性,和对粘结剂的消泡性能,这主要取决于碳纤布的编织技术,有些片材未经编织或无间隙,均会影响粘贴效果。主要的使用方法是将浸透了树脂胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土的受拉部位,如桥板的底面、梁体或桥墩的表面,并使其与混凝土结合成为一体,从而达到加固结构的目的。本方法还被广泛地用于隧道衬砌、建筑物的梁、柱等混凝土结构的加固补强工程。国内工程界已注意到此新兴的领域,各高等院校竞相投入在量人力和资金,成立课题组进行专题研究,相应设计规范正在审批中。近年国内许多加固工程已相继采用碳纤布进行加固,遍及建筑结构和铁路、公路桥梁,如广州古建筑六榕塔、广州市某立交简支梁桥、某高架路预应力箱梁、某高架路墩柱、海口市人民桥等。

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碳纤维是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的,特别突出的是具有极高的抗拉强度和弹性模量。碳纤维布制成复合材料后的比重降低至钢铁的五分之一,是非常轻质的材料。同时,碳纤维又是一种力学性能优异的新材料。工程用的碳纤维是以高纯度的聚丙烯腈(PAN)为原料经过高温碳化等特殊工艺加工成极细的纤维丝,使一定量纤维的表面积增大很多,更利于加强与树脂胶的结合。施工中,树脂胶充分进入纤维之间,将各条纤维丝完全包裹起来,形成物理性能优异的复合材料。测试证明,碳纤维的抗拉强度可达4500N/mm2以上,形成复合材料后为3500N/mm2以上,分别是普通合金结构钢的9倍和7倍左右。碳纤维复合材料的弹性模量略高于普通钢材,碳纤维材料还具有优异的抗腐蚀性,对空气中氯离子含量高的沿海地区的结构加固工程特别适用。

碳纤维增强水泥:混凝土、水泥灰浆、水泥砂浆系列材料价格低廉,耐火、耐热、耐蚀性能优良,压缩强度也高,因此在土木建筑、海洋工程方面被大量使用。碳纤维增强水泥复合材料,在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂,其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性比不增强的高几倍到十几倍。其耐冲击性也得到改善。

由它制成的构件尺寸稳定,同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能,因而这些技术近年来得到较快发展。国外用碳纤维增强水泥的典型例子是:伊拉克巴格达建成的AL-Shaheecl纪念碑,在此大型建筑结构上全面使用了碳纤维增强水泥;日本东京的37层的ARK事务所大楼外墙装修的幕墙,由碳纤维增强水泥灰浆制造。此后日本又陆续在大型建筑物上应用,并应用到桥梁建设中。

当前工程结构加固主要是应用碳纤片材。碳纤片材:有板状和布状编物两种,碳纤布更能适应不同结构外形的需要。碳纤布性能优劣除强度指标外,很重要的一点是对粘结剂的渗透性,和对粘结剂的消泡性能,这主要取决于碳纤布的编织技术,有些片材未经编织或无间隙,均会影响粘贴效果。主要的使用方法是将浸透了树脂胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土的受拉部位,如桥板的底面、梁体或桥墩的表面,并使其与混凝土结合成为一体,从而达到加固结构的目的。本方法还被广泛地用于隧道衬砌、建筑物的梁、柱等混凝土结构的加固补强工程。国内工程界已注意到此新兴的领域,各高等院校竞相投入在量人力和资金,成立课题组进行专题研究,相应设计规范正在审批中。近年国内许多加固工程已相继采用碳纤布进行加固,遍及建筑结构和铁路、公路桥梁,如广州古建筑六榕塔、广州市某立交简支梁桥、某高架路预应力箱梁、某高架路墩柱、海口市人民桥等;碳纤布加固突出的优点是加固后基本上不改变结构的外形,稍作处理则类似装修,在某五星级宾馆的梁板加固中被优先采用;但总的来说碳纤加固技术的应用在我国仍处于起步阶段,据有关报道,去年广州全年碳纤布用量仅为数千平米,相对于大量有待维修加固的桥梁和建筑物这是一个十分小的数字,应用前景应是很广阔的。

碳纤棒材:代替钢筋用于特种建筑结构,还在研究阶段。

1.碳纤维布主要性能碳纤维布的品质规格:

2. 碳纤树脂粘结剂:

一般采用环氧树脂基的高分子树脂,要求其物理力学性质优异,具有适宜的粘度、高粘结强度、高韧性,渗透性强。

3. 粘结树脂系列:

包括底胶(primer)、树脂腻子(putty),底胶要求渗透力强,提高混凝土的表面强度,促使粘结剂与混凝土的有效连接;树脂腻子的作用是修复不平的粘结面,使碳纤保持与粘贴面的全接触。

4.主要施工工艺:

(1)表面处理:除掉混凝土表面强度较弱的风化层、污物、脱模剂层、浮浆;

(2)截面修复(处理不平整处):打磨混凝土表面不平滑的凹凸面,整平,消除阶梯状部分的落差;棱角打磨圆滑,半径不小于20mm;

(3)涂布底胶:

(4)整平贴合面:用树脂腻子(PUTTY)刮抹在不平整的混凝土表面,以消除所有缝隙和不平之处;

(5)贴合碳纤维布:将粘结剂涂刷在选定的区域,均匀摊铺,将成卷的碳纤维布铺到上面,边用脱泡辊子沿纤维方向碾压。在整段碳纤维布完全贴合到混凝土表面之后,再用消泡辊子反复碾压,以除去纤维丝之间的空气,使粘结剂包裹纤维丝,达到将纤维浸渍在胶里的目的。然后再涂一层粘结剂。

5.设计

5.1 适用范围:

(1)钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件抗弯加固;

(2)钢筋混凝土梁柱构件的抗剪加固;

(3)混凝土柱的抗震加固;

(4)砌体的抗震加固;

5.2 一般原则:

(1)设计时将碳纤维布按强度换算成钢筋量,按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样地方法进行计算。合成地截面共同抵抗设计 外力造成的动载荷及增加的静载荷;

(2)计算理论采用极限状态法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算;

(3)碳纤维沿钢筋混凝土构件强度不足的主筋方向配置;

(4)抗剪加固时可采用封闭式、U形或侧面粘贴;纤维方向与轴线方向宜相垂直;

5.3 抗弯构件极限承载力计算的基本假定

(1)受拉区混凝土的作用忽略不计

(2)梁受弯后,混凝土、钢筋、及碳纤应变符合平截面假定;

(3)碳纤维材料的应力应变关系:σf=Efεf 6.

构造一般建议:

(1)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;

(2)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,碳纤层数过多将导至混凝土结构的脆性破坏;

(3)碳纤维的分条粘贴加固的效果优于整幅粘贴;

(4)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;

(5)一般来说,在桥板上的加固,需要粘贴至梁腋处;

(6)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10厘米。