淺談碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板新技術(shù)
關(guān)鍵詞：碳纖維布，大跨度結(jié)構(gòu)，加固技術(shù)
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能，成為近年來(lái)被大量應(yīng)用于多種結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中的一種新型材料。同時(shí)隨著橋梁加固技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳纖維粘貼補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在理論設(shè)計(jì)和施工等方面也得到了進(jìn)一步完善和發(fā)展，成為目前研究的熱點(diǎn)。在這方面，廣大學(xué)者和橋梁工作者進(jìn)行了大量的研究，取得了不少成果。
采用碳纖維加固的混凝土結(jié)構(gòu)，屈服荷載和極限承載力都有明顯提高，碳纖維高強(qiáng)高彈模的特性對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度提高也有所貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)破壞形式明顯改善，從脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變�！�
一、碳纖維材料及其性能特點(diǎn)
碳纖維又稱碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱CFRP)，是把聚丙烯晴、人造纖維、石油或煤瀝青、苯酚樹脂等原料，在不活潑氣體中經(jīng)2000℃～3000℃的高溫?zé)杉従�形狀，并使其碳素化而制造出來(lái)的高性能無(wú)機(jī)纖維。
碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。我國(guó)《CECS146-2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的碳纖維布的主要力學(xué)性能指標(biāo)要求有：碳纖維片抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于3000Mpa，彈性模量不小于2.1x105Mpa，伸長(zhǎng)率不小于1.5%；碳纖維板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于2000Mpa，彈性模量不小于1.4x105Mpa，伸長(zhǎng)率不小于1.5%。
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種理想的新型復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固材料相比，碳纖維加固材料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：
1.強(qiáng)度高。由于碳纖維材料具有很高的強(qiáng)度(其抗拉強(qiáng)度約為普通鋼筋強(qiáng)度的10多倍)，在加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強(qiáng)度、高彈性模量的特點(diǎn)來(lái)提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的。
2.施工簡(jiǎn)便，工效高。沒(méi)有濕作業(yè)，不需要大型施工機(jī)具，施工占用場(chǎng)地少�，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可根據(jù)需要用剪刀或刀片將其任意裁剪。施工方法簡(jiǎn)便，質(zhì)量容易保證，功效高。
3.耐腐蝕性能及耐久性能良好。試驗(yàn)表明，碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性能及耐久性能，可以抵御建筑物遇到的各種酸、堿、鹽對(duì)結(jié)構(gòu)物的腐蝕。使用該種加固修補(bǔ)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后，維護(hù)費(fèi)用較低，而且其本身也可以對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。
4.施工質(zhì)量容易保證。從材料本身來(lái)講，由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固結(jié)構(gòu)的表面不是非常平整也能夠基本保證較高的有效粘貼率，即使粘貼后發(fā)現(xiàn)局部有氣泡，也可將樹脂用注射器注入氣泡中，將空氣趕走就可以了。而其它加固方法很難達(dá)到這樣的效果。
5.對(duì)結(jié)構(gòu)的影響小。碳纖維材料質(zhì)量輕且厚度薄，粘貼后每平方米重量不到1.0千克(包括樹脂重量)，一層粘貼后厚度僅0.1mm左右，加固修補(bǔ)后基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原結(jié)構(gòu)尺寸。
6.耐疲勞性能好。一般金屬的疲勞強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)度的40%～50%，而碳纖維材料可達(dá)70%～80%�！ �
二、碳纖維布的加固原理
用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又要確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的�！ �
三、針對(duì)該技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究
1.試驗(yàn)材料
選用冷軋帶肋鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，圖集號(hào)：L95G404，板號(hào)為YK-BL33-22d，尺寸為3280mm×59mm×120mm，受力主筋為650級(jí)8φ5冷軋帶肋鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25。
其中B1、B2為對(duì)比試驗(yàn)板，未進(jìn)行加固處理；B3~B6底部通長(zhǎng)粘貼日本產(chǎn)FTS-C1-20碳纖維120mm寬2道。
試驗(yàn)用FTS-C1-20碳纖維材料性能指標(biāo)：厚度0.111mm，單位面積重量200g/m2，密度1.8g/cm3，拉伸強(qiáng)度3550MPa，拉伸模量235GPa，粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)膠選用日本產(chǎn)FR-E3P。
2.試驗(yàn)方案
在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板跨中混凝土及碳纖維上粘貼電阻應(yīng)變片，按《預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ321-90)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。在1.0倍正常使用短期荷載檢驗(yàn)值作用下持荷30min，其余每級(jí)荷載作用下持荷10min。持荷結(jié)束時(shí)，使用靜態(tài)電阻應(yīng)變采集儀跟蹤記錄混凝土及碳纖維在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，用百分表量測(cè)空心板在各級(jí)荷載作用下的撓度變化，用讀數(shù)顯微鏡觀測(cè)裂縫寬度并記錄裂縫開展情況。為檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的承載力情況，所有試驗(yàn)均做到破壞為止。
3.試驗(yàn)分析
板底粘貼碳纖維加固正截面抗彎驗(yàn)算，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范抗彎設(shè)計(jì)計(jì)算的基本原理，參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)碳纖維加固混凝土受彎構(gòu)件正截面抗彎設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究成果，假定：
(1)預(yù)制混凝土空心板受彎后，變形規(guī)律符合平截面；
(2)忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度；
(3)在極限狀態(tài)下，碳纖維的應(yīng)力達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。正截面內(nèi)力平衡方程：
ΣFx=0Acffcf+Asfy=bxfcm(1)
ΣM=0Mu=Acffcf(h-x/2)+Asfy(h0-x/2)(2)
4.試驗(yàn)結(jié)論
(1)采取粘貼碳纖維加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，可以有效地提高預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的承載力。
(2)在同樣荷載作用下，粘貼碳纖維加固后可以有效減少預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的撓度。
(3)粘貼碳纖維加固后預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的開裂荷載增大。
(4)采取粘貼碳纖維加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，基本不影響構(gòu)件的截面高度及自重，對(duì)用戶空間的凈高度及建筑物的其他結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。
(5)試驗(yàn)中碳纖維最大拉應(yīng)變?yōu)?2000με，建議設(shè)計(jì)時(shí)碳纖維抗拉強(qiáng)度取2000MPa。
四、結(jié)束語(yǔ)：
隨著人們對(duì)碳纖維材料的進(jìn)一步深入研究以及碳纖維加固技術(shù)的推廣和實(shí)踐，碳纖維加固的不足會(huì)逐步得到克服，碳纖維材料的性能會(huì)更加優(yōu)良，碳纖維加固理論及加固技術(shù)將逐步走向成熟，碳纖維加固技術(shù)在工程加固領(lǐng)域?qū)缪菰絹?lái)越重要的角色。
參考文獻(xiàn)：
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