摘要: 碳纖維增強(qiáng)塑料( 簡(jiǎn)稱CFRP) , 是一種新型的工程建筑材料,目前在土建加固工程中運(yùn)用十分廣泛。本文對(duì)CFRP 約束鋼筋混凝土柱在承載狀態(tài)下的力學(xué)原理進(jìn)行了分析, 以及CFRP 加固鋼筋混凝土柱的適用范圍、施工技術(shù)、施工要點(diǎn)。
關(guān)鍵字: CFRP 補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)約束混凝土界面約束應(yīng)力抗拉強(qiáng)度
概述
在實(shí)際加固工程中, 因設(shè)計(jì)失誤、施工錯(cuò)誤、材料質(zhì)量不符合要求、荷載增加、使用功能改變或因遭受火災(zāi)、水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、地震等災(zāi)害造成的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不能滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的正常設(shè)計(jì)使用要求, 要使其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能夠繼續(xù)安全、正常的使用, 則必須采取一定的措施進(jìn)行加固修復(fù)。
碳纖維CFRP 補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)于20 世紀(jì)80 年代興起于發(fā)達(dá)國(guó)家, 90 年代后期在我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù), 其采用專用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維粘貼于需加固區(qū)域, 使碳纖維與混凝土的構(gòu)件牢固的粘結(jié)成一個(gè)整體, 并很好地協(xié)同工作, 從而達(dá)到加固結(jié)構(gòu)的目的。與傳統(tǒng)加固手段相比, 具有高強(qiáng)高效、施工便捷, 工效高、施工質(zhì)量易保證等明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在加固鋼筋混凝土柱時(shí)施工簡(jiǎn)單、抗腐蝕能力強(qiáng)、約束效果好、基本不需要維修保養(yǎng)等特點(diǎn), 下面就該加固技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1、鋼筋混凝土柱CFRP 加固機(jī)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(xù)纖維, 基材由樹(shù)脂和固化劑組成, 用樹(shù)脂( 內(nèi)加固化劑) 浸潤(rùn)碳纖維, 待樹(shù)脂固化后便形成了碳纖維增強(qiáng)塑料( 簡(jiǎn)稱CFRP) 。其特性: 密度小, 為普通鋼材的1/6; 強(qiáng)度高, 抗拉強(qiáng)度約為普通鋼筋的4～6 倍; 抗腐蝕性能好, 強(qiáng)度不受酸堿腐蝕介質(zhì)的影響; 非磁性, 不影響電磁信號(hào)的傳播; 抗疲勞性能優(yōu)良, 疲勞壽命普遍高于鋼材; 溫變系數(shù)和混凝土相當(dāng); 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(shí), 構(gòu)件是由于受到極限值非常小的橫向擴(kuò)張引起的, 如能在構(gòu)件四周創(chuàng)造橫向約束, 以阻止受壓構(gòu)件的這種橫向擴(kuò)張, 從而提高構(gòu)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(qiáng)帶之間產(chǎn)生約束作用,( 它們之間的相互作用力稱為界面約束應(yīng)力) 受橫向界面約束應(yīng)力的作用, 塑性區(qū)的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài), 與單向受力狀態(tài)相比, 混凝土的極限壓應(yīng)變和承載力會(huì)提高, 在柱彎曲承載力沒(méi)有明顯下降的情況下, 并不考慮失穩(wěn)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(yīng)力分布情況
1.3.1、由于CFRP 對(duì)鋼筋混凝土柱的橫向約束后使CFRP 形成軸向拉伸應(yīng)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(qiáng)度相對(duì)圓柱而言大大降低, 主要由于側(cè)向約束應(yīng)力不均勻。矩形柱邊中央側(cè)向約束弱, 拐角處側(cè)向應(yīng)力集中約束較大, 柱邊只有在發(fā)生側(cè)向塑性變形時(shí)CFRP對(duì)鋼筋混凝土柱的橫向約束應(yīng)力才能極速增長(zhǎng)。
1.3.2、由于CFRP 對(duì)鋼筋混凝土柱的約束為界面約束, 只有當(dāng)混凝土向外橫向擴(kuò)張時(shí)( 產(chǎn)生塑性變形) CFRP 方能對(duì)混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力, 因此柱環(huán)向外包CFRP 在承受荷載時(shí)表現(xiàn)出兩階段的受力過(guò)程: 第一階段, 混凝土軸向壓應(yīng)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(huán)向應(yīng)力顯著增長(zhǎng), 環(huán)向約束力迅速增加, 直到當(dāng)CFRP 達(dá)到其極限拉伸應(yīng)變時(shí)發(fā)生斷裂。CFRP 對(duì)混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力、應(yīng)變值的提高幅度, 與使用CFRP 材料的規(guī)格、粘貼形式、粘貼層數(shù)有關(guān), 應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。
2、碳纖維CFRP 加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)及施工要點(diǎn)
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(zhǎng)一般小于800mm) , 在未失穩(wěn)狀態(tài)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(gòu)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(shù)
2.2.1、前期準(zhǔn)備
鋼筋混凝土柱在加固前, 需要對(duì)構(gòu)件采取一定量的卸載工作,減少外包CFRP 對(duì)于混凝土柱表面的應(yīng)變滯后。構(gòu)件表面清理, 清除表層松動(dòng)的混凝土, 打磨至堅(jiān)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(yīng)力, 倒角半徑不小于20mm。
2.2.2、混凝土表面粘貼CFRP
根據(jù)混凝土補(bǔ)強(qiáng)要求和試驗(yàn)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(shè)計(jì)的環(huán)氧樹(shù)脂, 構(gòu)件加固質(zhì)量的優(yōu)劣與粘貼膠有直接影響, 因此選擇優(yōu)質(zhì)的粘貼膠和對(duì)粘貼膠施工前的檢測(cè)至關(guān)重要。
CFRP 粘貼程序: 刷底層粘貼膠→粘貼第一層CFRP 纖維布→環(huán)氧樹(shù)脂浸漬CFRP 纖維布→若采用多層CFRP 粘貼,則重復(fù)上述工序。
2.3、加固施工要點(diǎn):
2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷, 混凝土構(gòu)件在負(fù)荷外包CFRP 時(shí), 外包CFRP 相對(duì)于混凝土柱表面存在應(yīng)變滯后, 常發(fā)生CFRP 尚未被拉斷混凝土已被壓壞的情況, 這種效應(yīng)使得CFRP 的補(bǔ)強(qiáng)效果降低, 不能充分發(fā)揮CFRP 的高強(qiáng)抗拉性能。
2.3.2、混凝土構(gòu)件表面的修復(fù)工作極為重要, 其直接影響CFRP 對(duì)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(cè)最好修成外凸面, 減輕角部CFRP 的集中應(yīng)力。
2.3.3、必須選擇優(yōu)質(zhì)的CFRP 纖維布和粘貼膠, 施工中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)程質(zhì)量控制, 并保證纖維布和粘貼膠的配套。
3、結(jié)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(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài), 約束混凝土的承載力和變形能力得到提高, 特別對(duì)軸壓比不能滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)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(qū)的承載力及延性, 鋼筋混凝土柱在地震荷載的重復(fù)作用下, 上下端會(huì)首先出現(xiàn)塑性鉸區(qū), 承載能力及延性迅速下降, 用CFRP 進(jìn)行纏繞加固后, 塑性鉸區(qū)核心混凝土受到約束極限強(qiáng)度及變形能力大幅提高。
3) 施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)要求不高、質(zhì)量易于保證、約束效果好、抗腐蝕能力強(qiáng), 在后期的使用過(guò)程中不需做定期維護(hù), 因此綜合經(jīng)濟(jì)效益好。
4) 耐高溫性能差, 對(duì)于高溫環(huán)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(jìn)行防護(hù)處理; 不規(guī)則或大截面矩形柱應(yīng)有條件使用。
