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碳纖維加固混凝土結構的研究

發布日期:2019-11-14 10:24:07 瀏覽量:1244

    碳纖維在加固改造應用中,用得最多的材料形式是片材。在片材中,布狀材料使用量最大,且技術最為成熟,美國、日本、加拿大、西歐等國均已有了相應的標準、規范。而筋材在結構加固中主要用于橋梁的體外預應力加固。由于良好的耐腐燭性、耐疲勞性能以及易于施工等性能,近年來其用量正逐漸增長,目前,國內關于碳纖維加固結構的應用,主要可以歸納為以下幾個方面:

一、抗彎加固性能

在混凝土結構的受拉區粘貼碳纖維,可有效提高其承載能力,抑制裂縫擴展。

碳纖維加固后混凝土結構的破壞特征與普通混凝土結構以及粘鋼加固的混凝土結構有較大的區別,其承載力的計算方法也不相同。國內外學者的研究主要集中在碳纖維加固混凝土梁的抗彎性能、破壞形態、承載力計算、影響參數以及碳纖維加固后混凝土梁的截面變形、裂縫開展等方面。近幾年來,不少學者對負載狀態下碳纖維加固梁展開了受力性能試驗研究和理論分析,試圖建立考慮二次受力的抗彎承載力計算方法、滯后應變及跨中撓度的計算公式。

二、抗剪加固性能

在混凝土梁的受剪區側面粘貼碳纖維能有效提高其抗剪能力,工程中常用的受剪加固方法有側面粘貼、U型粘貼和包裹粘貼3 種方式,其中以包裹粘貼效果最好。影響碳纖維抗剪加固性能的主要參數有梁的配箍率、混凝土強度、碳纖維配筋率、梁的剪跨比、碳纖維的粘貼方式與錨固性能、碳纖維及粘結膠本身的材料性能等。目前,國內外對抗剪加固的研究主要包括破壞機制和承載力的計算等方面,其中承載力計算的理論模型,一般是在鋼筋混凝土構件桁架理論模型的基礎上,增加碳纖維對抗剪承載力貢獻項。

三、抗震加固性能

通過外包碳纖維約束塑性鉸區混凝土以提高混凝土的極限壓應變,可提高構件延性,有利于結構的抗震加固。目前國內外不少學者進行了外包碳纖維加固混凝土柱、梁柱節點乃至框架的抗震性能試驗研究、理論分析和工程應用研究,提出了相應的碳纖維約束混凝土應力-應變關系的計算模型。研究表明,側向約束模量和側向約束強度是影響碳纖維約束混凝土結構延性特征和滯回耗能性能的兩個重要參數。此外,研究在鋼管混凝土和套管混凝土的研究基礎上,首次提出了約束鋼管混凝土的概念,在這種新型鋼管混凝土柱中,為增強結構的抗震性能,在可能出現塑性鉸的部位設置了碳纖維橫向附加約束。附加套箍能有效地防止或延遲鋼管混凝土柱中通長的鋼管在塑性鉸區域發生局部屈曲,提高了結構的承載性能與延性,從而改善抗震性能。國內外已有許多應用碳纖維加固房屋結構柱與橋柱的成功案例。為方便施工,還開發出了碳纖維自動纏繞系統。

四、抗疲勞加固性能

碳纖維片材加固構件的疲勞分為彎曲疲勞和剪切疲勞2種,根據荷載形式又可分為常幅荷載和變幅荷載下的疲勞問題。碳纖維片材加固構件的疲勞強度,除了與原有混凝土結構的抗疲勞能力有關外,還與碳纖維加固部分的疲勞斷裂能力以及碳纖維片材與混凝土界面的抗疲勞破壞能力有關。混凝土抗彎疲勞理論可以用來評價原有混凝土結構的抗疲勞能力,碳纖維片材自身的抗疲勞能力可以通過材料力學實驗解決,但關于碳纖維片材與混凝土的界面的抗疲勞破壞能力的研究積累甚少,目前僅有少量試驗結果,這些研究表明,在重復、移動荷載作用下,界面的粘結能力有下降的趨勢。

五、預應力技術

對于撓度過大的受彎構件或開裂嚴重的混凝土梁、板,簡單的碳纖維貼片加固法難以有效地增強其剛度,材料的作用得不到充分利用。采用預應力碳纖維加固技術可平衡加固梁的部分荷載,有效減少加固梁的撓度變形,延緩梁開裂,減少裂縫寬度,降低早期剝離破壞的可能性,提高梁的承載力。目前,一些學者對碳纖維預應力加固技術在不同負載下的碳纖維預應力張拉工藝、端部錨固措施、預應力損失及承載力計算、界面應力傳遞及抗疲勞性能等方面進行了一些試驗研究和理論分析,并開始了工程實際應用。

六、耐久性加固性能

國內外對碳纖維加固混凝土構件的耐久性能開展了多項內容的試驗研究,研究參數包括構件類型(梁、柱)、碳纖維類型(AFRP,CFRP,GFRP)、粘貼方式(環向、軸向)、環境類型(室溫、干濕、凍融)、樹脂類型等。研究表明,在惡劣環境下CFRP比GFRP性能好,干濕作用下,CFRP約束試件的強度與延性沒有降低,剛度得到提高,而GFRP約束試件的強度與延性都降低了,剛度未受影響;凍融循環作用下,CFRP和GFRP約束試件的強度與延性顯著降低,剛度未受影響,與室溫及干濕循環作用下試件相比,受凍融作用試件的破壞方式更具災害性。海水腐蝕后,普通鋼筋混凝土梁、柱與CFRP加固鋼筋混凝土梁、柱的承載力都降低,但CFRP加固混凝土梁的剛度幾乎未受到任何影響。

七、砌體結構加固性能

國外大量文獻研究了碳纖維片材加固混凝土砌塊墻與磚墻的抗剪性能、平面外與平面內抗彎性能、沿通縫的抗剪性能、單調荷載作用下的短期力學性能、低周往復荷載試驗以及模擬地震荷載試驗,并給出了碳纖維加固砌體結構的設計建議;對采用碳纖維纏繞加固磚柱的力學性能、磚拱和穹頂的加固性能也進行了研究。試驗結果表明,墻體的破壞形式由加固前的脆性剪切破壞變成了加固后延性彎曲破壞,極大提高墻體的變形能力、強度和延性,能有效減小剪切變形,改善結構整體的延性與抗震性能,提高砌體結構的承載力。從國內研究現狀看,大部分的內容集中在碳纖維加固后的墻片在平面內水平低周反復荷載作用下的抗震性能研究上,研究結果表明,碳纖維加固能夠明顯提高墻體的平面內水平抗剪強度,增強變形能力,改善結構的延性。

八、鋼結構加固性能

碳纖維除了用于鋼結構的防腐蝕、防老化及其他一般性的加固外,對鋼結構建筑及鋼制品等的加固方法革新也越來越成為人們所關心的問題。目前研究重點主要圍繞碳纖維對鋼結構的失穩加固、界面黏結性能及荷載的傳遞效應、承載力計算方法以及加固后抗疲勞性能等方面開展。

九、其他加固性能

面對以爆炸為主的恐怖主義以及人為災害日趨嚴重的威脅,結構抗爆逐漸成為研究的熱點,碳纖維由于其眾多優越性,在結構抗爆中有廣闊的應用前景。已有的研究成果表明,碳纖維用于抗爆加固可有效提高構件和結構的抗爆性能抗沖擊以及抗人為災害性能。國內外一些學者對碳纖維加固火災后混凝土結構、碳纖維加固結構的抗扭性能、可靠性以及加固木結構、節點、隧道等特種結構均做了一些研究。




文章來源: 永年加固公司
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