摘要: 本文主要介紹了碳纖維片材的技術(shù)特點(diǎn)、加固原理及其在各類(lèi)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的機(jī)理分析。
關(guān)鍵詞: 碳纖維加固特點(diǎn)原理機(jī)理分析
中圖分類(lèi)號(hào): TU375. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1006- 3315( 2008) 02- 104- 01
一、引言
近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)改造加固市場(chǎng)也日趨增大：貨運(yùn)超載引發(fā)的橋梁疲勞破壞以及承載力不足；舊有建筑物改擴(kuò)建、室內(nèi)外裝飾改造以及抗震加固工程的增多；還有建筑物使用功能的改變、工程質(zhì)量病害處理、地震火災(zāi)后房屋的修復(fù)等等，都使得建筑結(jié)構(gòu)改造加固技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
二、特點(diǎn)
碳纖維增強(qiáng)材料，簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維，是近十年來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家新興的一種加固混凝土結(jié)構(gòu)的新材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域日漸受寵，被人們稱(chēng)為“ 結(jié)構(gòu)加固的新星”。采用碳纖維加固技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
1.強(qiáng)度高。碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa 以上，遠(yuǎn)高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。因此它的比強(qiáng)度（ 即材料的強(qiáng)度與其密度之比）可達(dá)到2000MPa/g/cm3以上，而Q235 鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/g/cm3 左右，比模量也比鋼材高。
2.施工簡(jiǎn)便、快捷。使用碳纖維加固構(gòu)件不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟(jì)性好。
3.抗酸堿鹽類(lèi)介質(zhì)的腐蝕，應(yīng)用面廣。加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性，可以應(yīng)用于各種工作環(huán)境的構(gòu)件加固。
4.可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。
5.易于保持結(jié)構(gòu)原狀，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。
三、碳纖維的補(bǔ)強(qiáng)、加固原理
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（ 抗彎、抗剪）承載能力。
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)度約為普通鋼材的10 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(lèi)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。
四、碳纖維布在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的機(jī)理分析
碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用廣泛，適用于各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15 即可，這里著重介紹碳纖維布加固鋼筋混凝土抗彎、抗剪、抗震構(gòu)件的機(jī)理作用，其它從略。
1. 碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件
鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過(guò)將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)，代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂前，碳纖維的應(yīng)變很?。辉诨炷灵_(kāi)裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速加快，其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。
2. 碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件
鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構(gòu)件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類(lèi)似于箍筋。在構(gòu)件屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展緩慢，所達(dá)到的最大應(yīng)變值也較??；在構(gòu)件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展加快，應(yīng)變值要高于箍筋的應(yīng)變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應(yīng)變發(fā)展緩慢。
3 . 碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱
應(yīng)用碳纖維對(duì)混凝土柱進(jìn)行抗震加固，是通過(guò)用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來(lái)提高其延性而實(shí)現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對(duì)其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，這種約束是一種被動(dòng)約束，約束機(jī)制取決于兩個(gè)因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過(guò)程：第一階段，混凝土處于類(lèi)似素混凝土的線(xiàn)彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點(diǎn)在素混凝土峰值應(yīng)力附近；第二階段，構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增長(zhǎng)，環(huán)向約束力增加，混凝土極限壓應(yīng)變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構(gòu)件的延性。
五、探討
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益；在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，碳纖維布主要是分擔(dān)鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，那么在其它的結(jié)構(gòu)中，碳纖維布能否起到加強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的作用呢？因?yàn)樘祭w維布在結(jié)構(gòu)膠的作用下強(qiáng)度很高，其它結(jié)構(gòu)在用碳纖維布加固后，會(huì)否像類(lèi)似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的超筋截面破壞一樣產(chǎn)生負(fù)面影響呢？這些問(wèn)題有待工程技術(shù)人員進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)。
參考文獻(xiàn):
[1]《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》( CECS25: 90)
[ 2]《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50367- 2006)
[ 3] 《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS146:2003)
