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碳纤维布加固技术在现代建筑的应用-悍马碳纤维布

文章出处:人气:-发表时间:2019-10-14 16:31【

摘 要:碳纤维布轻质高强、适用面广、施工方便快捷等优点不言而喻,因而碳纤维布加固法作为一种新型的、技术含量高的结构加固技术,在加固领域得到广泛应用,具有很大的推广价值和社会经济效益。本文将碳纤维布加固技术与传统的几种加固技术进行了分析,并且全面阐述了碳纤维加固的优点和在工程应用中需注意的几点不足。另外,本文还将碳纤维布加固与粘钢加固进行对比换算,并提出在不同条件下选用不同加固方案。

引言

目前,钢筋混凝土结构己成为现代建筑、构筑物最常用的结构形式,成为我国乃至世界各国占主导地位的建筑结构,在我国社会主义经济建设中发挥着不可代替的作用。因此,确保钢筋混凝土结构的安全使用具有重大的现实意义。但是由于自然灾害、年久失修以及人为因素、荷载等级提高和设计规范修订等原因导致建筑结构承载力不足,影响正常使用和安全运行,须对其进行加固处理;加之一些结构工程中混凝土的质量不尽理想,致使加固维修问题更为突出,己成为经济建设的沉重负担并制约了进一步的发展。

加固改造具有三个突出的优点:投资少、工期短、省空间,这些都会带来显著的经济效益,特别是时间和空间的节省,对工业生产和商业活动来讲,在效益方面往往起着决定性的作用。对承载力不足的工程结构进行修复加固,不仅可以使人民的生命及财产得到保障,还可以尽可能地发挥既有结构的作用,缓解人力、物力、资金紧张的情况,使资金投到最需要的地方。

现有的加固方法

钢筋混凝土结构的加固技术越来越受到人们的重视,人们在长期地研究与实践过程中,形成了多种加固方法,传统的加固方法有以下几种①:

1)增大截面法

通过使用同质材料增大原结构的截面面积,来提高构件承载力,同时加大截面刚度,增强抗震能力,工艺简单,适用面广。缺点是现场湿作业多,施工周期长,对原结构影响较大,如:减小使用空间,增加结构自重等。

2)外包钢法

以型钢包裹于结构的四角或两角,对构件的截面和外观影响较小,较大幅度地提高承载力,施工简单,工作量小,增大延性,适用于加固混凝土柱、梁等结构;缺点是用钢量较大,抗腐蚀性和耐久性差,费用高。

3)预应力加固法

采用外加预应力拉杆或型钢撑杆进行加固,降低应力水平,提高承载力,几乎不改变使用空间。缺点是耐火性、耐腐蚀性较差,且对施工设备、工序及施工人员的素质要求较高。

4)增设支点法

增设支点是用减少构件计算跨度,从而减小结构内力,提高承载力,并且缩小裂缝宽度效果明显。缺点是影响原结构布局,使用功能受到限制。

5)托梁拔柱法

是一种托屋架拔柱、托墙拔柱及托梁拔柱的加固方法,改造时间短、费用低,缺点是技术要求高、安全隐患大。适用于工业厂房的改造。

6)粘钢加固法

粘钢加固法是将钢板粘贴在构件外部来提高结构承载能力的一种方法。该方法几乎不改变构件外形和使用空间,施工简单快速,湿作业量小,但对构件工作环境有要求,环境温度不高于60℃,相对湿度不大于70%,无化学腐蚀。

传统加固方法虽然种类较多,且每种加固方法都有各自的优点,但每种方法加固的综合效果都不能完全满足使用者的要求。随着碳纤维增强塑料的出现及对其增强加固混凝土结构效果研究的深入,这种加固技术越来越受到建筑行业的青睐,其应用越来越广泛。

碳纤维加固技术的优点

碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,下称CFRP,常以碳纤维布的形式出现),具有优异的物理力学性能、耐久性及抗腐蚀性等特点。该材料是在日本发明的,最早应用于航空航天,国外最早对纤维加固修复混凝土结构技术进行研究的是德国IBMB研究院和瑞士的EMPA实验室,日本、韩国和美国紧随其后,碳纤维塑料对钢筋混凝土进行修复加固在发达国家已成为一项成熟技术②。

与传统加固方法比较,碳纤维增强塑料具有明显的技术优势,主要体现在③:

1)强度高、延性好

碳纤维布具有优异的物理力学性质,抗拉强度2500-4500MPa(是普通钢材的10倍左右),弹性模量是普通钢材的1-2倍。以其强度来提高承载力,以其高弹性模量来改善结构的延展性,从而达到加固的目的。

2)耐久性和耐腐蚀性好

由于其固有的化学特性,致使碳纤维布能够抵抗一般酸碱盐的腐蚀,有良好的耐腐蚀性和耐久性,而且其本身还可以起到对内部混凝土结构的保护作用,间接增加了混凝土保护层,从而达到双重效果。

3)不增加构件的自重及体积

碳纤维布质量轻,厚度薄,粘贴后基本不增加结构自重和尺寸,不影响建筑物的有效使用空间和外观。

4)适用面广

碳纤维布是一种柔性材料,可以方便地裁剪,所以这种加固技术可以广泛适用于各种结构类型(如桥梁、隧道、涵洞、烟囱等)、各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、各种结构部位(梁、板、柱、节点、拱、壳等),且不改变结构形状及不影响结构外观,这是传统加固方法所不具有的。

5)施工便捷高效

碳纤维布加固,无大型机具,没有湿作业,占用场地少。施工工效高,粘贴碳纤维法是粘贴钢板施工工效的4-5倍。施工质量易保证,碳纤维预浸料轻质柔软,易贴附,即使被加固的结构表面不是非常平整,也可以保证很高的粘贴率。 

碳纤维布的这些特点,为建筑结构的加固提供了技术支持,决定了碳纤维加固技术具有很大的经济价值和社会效益。

碳纤维加固材料发展及其缺点

然而,随着碳纤维材料在加固领域发挥重要作用的同时,也存在着不足:

1)拉伸弹性模量相对于其强度过低

应用于结构加固的碳纤维拉伸强度一般在3000MPa以上,而其弹性模量只有230GPa左右,高弹性模量的也不过380-640GPa 左右。要发挥较大的强度,碳纤维布需相当大的变形,当与钢筋共同工作时,钢筋达到屈服强度时CFRP并未发挥出全部强度,从而无法充分利用碳纤维的强度,且难以有效地抑止结构的变形与裂缝的发展。

2)混凝土与碳纤维间的粘结层易破坏

环氧树脂粘结层的剪切强度与剪切变形是一定的,超过极限应变后,粘结层将产生界面微裂缝,随着微裂缝的不断扩展,最后发生剥离破坏,所以粘贴CFRP片材加固有其限度,过量粘贴会导致界面无法传递足够的剪应力使得CFRP的强度无法得到充分利用,并且在构件承受较大荷载时容易出现粘结破坏。

现有的加固手段是将CFRP非常紧密地粘贴到试件的表面,当试件的表面有一定的曲率时,CFRP在受拉的同时还会承受一个由曲率带来的剥离应力,这也会加快构件的粘结破坏。

3)无屈服点,为脆性破坏

碳纤维布是一种线性材料,没有像钢筋那样的屈服点,结构发生破坏前没有先兆,为脆性破坏。

粘贴碳纤维布和粘钢的适用性对比

现代建筑中,粘钢加固和碳纤维加固应用较多,此处将两种加固方法进行对比:

碳纤维布轻质高强,厚度为0.111-0.167mm,抗拉强度高,为普通钢材的8-10倍,但各向异性,即抗拉强度高但抗剪强度低;施工更为简便,施工速度为粘钢的2-3倍。

钢板的物理力学性能为各项同性,受力性能好;施工时需专用夹具和施工机具, 施工工序和施工操作性较碳纤维布复杂。

下表中,我们对碳纤维布与钢板进行换算,通过分析得出:

对于普通小荷载结构或构件,其补强所需面积较小,粘贴碳纤维布1-2层即可满足要求时,优先选用粘贴碳纤维布加固,其经济性和施工操作性优势明显:而当结构或构件补强所需面积较大时,即粘贴碳纤维布超过2-3层时,优先选用粘钢加固方案,可大幅提高结构的承载力或受力性能,并取得良好的经济性。表1

 钢板与碳纤维布抗弯加固等强换算结果表④(单位:mm)

结语

随着我国经济建设地迅猛发展,各类建筑结构的适用性和安全性被广泛关注,如何在确保安全的前提下,低投资带来高回报,成为新时代的焦点。以医院等公共建筑为例,新的医疗设备或者结构功能调整,对原有结构提出了需求,如何在短的时间内达到要求,尽可能减少对社会的损失,都值得我们认真思考。

碳纤维布具有强度高、延性好、耐腐蚀和耐久性好、适用面广、施工便捷等优点,在建筑加固中具有广阔的前景。随着科技的不断进步,新的加固材料、新的加固技术,必将为社会主义建设注入新的色彩。


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