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福州永年建筑加固工程公司

 
 
 
 
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柱子碳纖維加固

發布日期:2020-01-09 14:24:36 瀏覽量:89

一、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(一般不考慮),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。
 
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受力較小;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。 
 
1.3.3、約束混凝土與無約束混凝土應力—應變關系
 
 
二、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。 
 
2.2、CFRP外包鋼筋混凝土加固技術  
2.3、加固施工要點:
 
2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷,此項工作往往被忽視,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、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,很多試驗表明即使如此CFRP的破壞仍然發生在拐角部位。
 
2.3.3、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。
 
 
三.加固方案材料的選取:
 
 
碳纖維加固混凝土柱方案的選取:
 
(1)CFRP約束混凝土加固補強法:即采用CFRP布及環氧樹脂膠組成的復合材料橫向包裹混凝土柱體來提高其豎向承載能力的一種方法。
 
(2)碳纖維是有機纖維在惰性氣體中經高炭化而成的纖維狀炭化合物,它具有優異的物理力學性能,其抗拉強度可以達到3.0GPa-4.0GPa,彈性模量可高達500GPa,密度比鋁小,柔韌性極好。
 
(3)建筑工程加固所用CFRP布是一種PAN基碳纖維織物,它不但具有優異的物理力學性能,還具有良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性。
 
(4)該加固方法施工十分方便,工效很高,可以比較大的提高柱的承載能力,提高混凝土受約束能力;加固完成后,基本上不改變構件的自重及體積,并且結構在以后的使用過程中無需再投入維護費用,使用壽命長。
 
 
 
四.施工工藝流程:
 
1、混凝土梁表面處理
用手提式砂輪機打磨去除混凝土梁表面上附著的污垢、浮灰和炭化層,清除混凝土兩面蜂窩、
麻面、夾渣等缺陷。油垢要用有機溶劑進行脫脂處理,混凝土粉末用壓縮空氣或高壓水沖洗(但粘貼碳纖維前,混凝土基面必須干燥)。
 
 
2、底膠涂布
用滾筒或毛刷在混凝土梁表面需粘貼碳纖維布的位置上均勻涂布底膠。
標準涂布量:  0.2 Kg/m2 ;應在底膠表面指觸干燥時,立即進入下一工序的施工。
 
 
3、找平修整
對模框的高低差、混凝土梁表面的缺損部位和氣泡,用環氧樹脂膩子填充、使表面光滑。轉角處要進行倒角施工(倒角曲率半徑R≥20mm)。
   氣溫5℃以下、濕度85%以上、雨天或者有結露可能的情況下不得進行施工。施工前應該先檢查確認施工部位的溫度、濕度,選擇適當的底涂料。施工后如果附著有水分或發白現象,可用丙酮擦拭、或用砂紙打磨,去除白化物。
 
 
4、拉墨線
  待膩子修補材料指觸干燥后,根據設計圖紙,在混凝土梁表面準確定位碳纖維粘貼部位。
  因為底涂料和粘接樹脂的可使用時間因氣溫和混合量而變化,一次的調和量應該是在可使用時間內能使用完的量,不可使用已經超過可使用時間的調和底涂料或粘接樹脂。
 
 
 
5、粘貼碳纖維
1)下涂
   用手指檢查確認底涂料指觸干燥(不粘手),用滾筒或橡膠刮刀在碳纖維布的粘貼面上均勻涂布粘接樹脂。
   標準下涂涂布量:  0.8Kg/m2   (纖維含量200g/m2)
   注:按照規定配比稱量粘接樹脂,用低速電動攪拌機或手工充分攪拌、直至均勻。
2)碳纖維布的粘貼
   碳纖維布的裁剪尺寸要包括搭接部分。用剪刀或切割刀進行裁剪,裁剪線與邊成直角。
 
 
   在涂布粘接樹脂后,立即將碳纖維布粘貼在涂布有粘接樹脂的面上,用橡膠刮刀、浸漬用滾筒捋壓,使下涂料浸漬到纖維中。在粘貼碳纖維布時,要仔細地對準墨線位置。如果貼得不好,可重新貼。
3)粘貼方法
4)碳纖維布的浸漬和脫泡(包括上涂)
   在粘貼碳纖維布的表面做后道加工。有纖維浮起處可用橡膠刮刀和浸漬用滾子沿水平方向和垂直方向捋壓,排除纖維中含有的空氣。此后,過了20分鐘以上的時間后,用目視和指觸法檢查確認底涂料樹脂已浸透到纖維中。然后用粘接樹脂均勻滾涂(這是下涂),再用橡膠刮刀和浸漬用滾子等工具滾壓、刮平。
標準復涂涂布量:0.3Kg/m2 (纖維含量200g/m2)
 
5)碳纖維布的搭接方法
   ①長度方向(纖維方向)
   粘貼時碳纖維布的長度不宜過長,按照設計的要求,每條碳布的長度不超過3米,以便于粘貼作業。搭接長度按照設計的要求不小于10cm。
   ②寬度方向(與纖維方向垂直的方向)
碳纖維布在橫方向上搭接時,如果表面的平整度很差,則布材之間可能產生空隙,原則上應該按照下圖所示在橫方向上設置搭接頭。
 
6)碳纖維粘貼后的后道加工
   碳纖維布粘貼后,在粘接劑硬化之前如果纖維產生鼓起、皺紋、起皺等缺陷,應該立即進行修正(多層粘貼時應對每一層做修正)。
   鼓起: 在鼓起部位上涂布粘接劑,再用橡膠刀、橡膠鏝刀或脫泡滾子等工具捋壓,將內部的空氣排出去。
   皺紋: 用橡膠刮刀沿纖維方向捋刮,加以修正。
   起皺: 纖維起皺會嚴重影響拉伸強度,所以要用橡膠刮刀加以修正,使起皺部分盡可能展平。
   碳纖維布粘貼后的表面是后道施工的底面,有的情況下,需要進行批環氧樹脂膩子(初
期硬化后)、噴砂(復涂后)等加工。
 
 
7)表面涂覆
要求用樹脂類進行表面涂覆、噴涂、對抗燃性和耐火有要求時,可用灰漿或不燃燒型板等材料裝飾表面。
 
 
8)養護
在浸漬粘接樹脂初期硬化之前,為了防止雨水和塵土等沾附在碳纖維布表面上,養護期間應該根據需要用塑料薄膜等覆蓋。
 
 
 
 五、質量驗收
 
 每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢查,并做好相關的驗收記錄,如出現質量問題,應立即返工。 碳纖維布實際粘貼尺寸不應少于設計量,位置偏差不應大于2cm。檢查所有的修補區域,如有孔隙、氣泡及脫層等現象,必須用可靠的方法進行修復。碳纖維布與混凝土之間的粘結質量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維布表面的方法來判斷,總有效粘結面積不應少于95%。當碳纖維布的脫層面積小于100cm2時,可采用針管注膠的方式進行補救。當碳纖維布的脫層面積大于100cm2時,宜將脫層處的碳纖維布切除,重新搭接粘上等厚的碳纖維布。
 
 
六、質量保證措施
1、每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢查,并做好相關的驗收記錄,如出現質量問題,
應立即返工。
2、檢查所有的修補區域,如有孔隙、脫層等現象,必須用可靠的方法進行修復。
3、撤除臨時固定設備后,應用小錘沿粘貼面輕輕敲擊粘結碳纖維,從音響判斷是否空鼓。
4、嚴格控制施工現場的溫度和濕度。施工溫度在5℃~35℃范圍內,相對濕度不大于80%。



文章來源: 永年加固公司
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