碳纤维加固混凝土结构的研究
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碳纤维加固混凝土结构的研究

文章出处:悍马加固材料人气:-发表时间:2018-08-02 09:45【

碳纤维加固混凝土结构的研究

碳纤维在加固改造应用中,用得最多的材料形式是片材。在片材中,布状材料使用量最大,且技术最为成熟,美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了相应的标准、规范。而筋材在结构加固中主要用于桥梁的体外预应力加固。由于良好的耐腐烛性、耐疲劳性能以及易于施工等性能,近年来其用量正逐渐增长,目前,国内关于碳纤维加固结构的应用,主要可以归纳为以下几个方面:

一、抗弯加固性能

在混凝土结构的受拉区粘贴碳纤维,可有效提高其承载能力,抑制裂缝扩展。碳纤维加固后混凝土结构的破坏特征与普通混凝土结构以及粘钢加固的混凝土结构有较大的区别,其承载力的计算方法也不相同。国内外学者的研究主要集中在碳纤维加固混凝土梁的抗弯性能、破坏形态、承载力计算、影响参数以及碳纤维加固后混凝土梁的截面变形、裂缝开展等方面。近几年来,不少学者对负载状态下碳纤维加固梁展开了受力性能试验研究和理论分析,试图建立考虑二次受力的抗弯承载力计算方法、滞后应变及跨中挠度的计算公式。

二、抗剪加固性能

在混凝土梁的受剪区侧面粘贴碳纤维能有效提高其抗剪能力,工程中常用的受剪加固方法有侧面粘贴、U型粘贴和包裹粘贴3 种方式,其中以包裹粘贴效果最好。影响碳纤维抗剪加固性能的主要参数有梁的配箍率、混凝土强度、碳纤维配筋率、梁的剪跨比、碳纤维的粘贴方式与锚固性能、碳纤维及粘结胶本身的材料性能等。目前,国内外对抗剪加固的研究主要包括破坏机制和承载力的计算等方面,其中承载力计算的理论模型,一般是在钢筋混凝土构件桁架理论模型的基础上,增加碳纤维对抗剪承载力贡献项。

三、抗震加固性能

通过外包碳纤维约束塑性铰区混凝土以提高混凝土的极限压应变,可提高构件延性,有利于结构的抗震加固。目前国内外不少学者进行了外包碳纤维加固混凝土柱、梁柱节点乃至框架的抗震性能试验研究、理论分析和工程应用研究,提出了相应的碳纤维约束混凝土应力-应变关系的计算模型。

研究表明,侧向约束模量和侧向约束强度是影响碳纤维约束混凝土结构延性特征和滞回耗能性能的两个重要参数。此外,研究在钢管混凝土和套管混凝土的研究基础上,首次提出了约束钢管混凝土的概念,在这种新型钢管混凝土柱中,为增强结构的抗震性能,在可能出现塑性铰的部位设置了碳纤维横向附加约束。附加套箍能有效地防止或延迟钢管混凝土柱中通长的钢管在塑性铰区域发生局部屈曲,提高了结构的承载性能与延性,从而改善抗震性能。国内外已有许多应用碳纤维加固房屋结构柱与桥柱的成功案例。为方便施工,还开发出了碳纤维自动缠绕系统。

四、抗疲劳加固性能

碳纤维片材加固构件的疲劳分为弯曲疲劳和剪切疲劳2种,根据荷载形式又可分为常幅荷载和变幅荷载下的疲劳问题。碳纤维片材加固构件的疲劳强度,除了与原有混凝土结构的抗疲劳能力有关外,还与碳纤维加固部分的疲劳断裂能力以及碳纤维片材与混凝土界面的抗疲劳破坏能力有关。混凝土抗弯疲劳理论可以用来评价原有混凝土结构的抗疲劳能力,碳纤维片材自身的抗疲劳能力可以通过材料力学实验解决,但关于碳纤维片材与混凝土的界面的抗疲劳破坏能力的研究积累甚少,目前仅有少量试验结果,这些研究表明,在重复、移动荷载作用下,界面的粘结能力有下降的趋势。

五、预应力技术

对于挠度过大的受弯构件或开裂严重的混凝土梁、板,简单的碳纤维贴片加固法难以有效地增强其刚度,材料的作用得不到充分利用。采用预应力碳纤维加固技术可平衡加固梁的部分荷载,有效减少加固梁的挠度变形,延缓梁开裂,减少裂缝宽度,降低早期剥离破坏的可能性,提高梁的承载力。目前,一些学者对碳纤维预应力加固技术在不同负载下的碳纤维预应力张拉工艺、端部锚固措施、预应力损失及承载力计算、界面应力传递及抗疲劳性能等方面进行了一些试验研究和理论分析,并开始了工程实际应用。

六、耐久性加固性能

国内外对碳纤维加固混凝土构件的耐久性能开展了多项内容的试验研究,研究参数包括构件类型(梁、柱)、碳纤维类型(AFRP,CFRP,GFRP)、粘贴方式(环向、轴向)、环境类型(室温、干湿、冻融)、树脂类型等。研究表明,在恶劣环境下CFRP比GFRP性能好,干湿作用下,CFRP约束试件的强度与延性没有降低,刚度得到提高,而GFRP约束试件的强度与延性都降低了,刚度未受影响;冻融循环作用下,CFRP和GFRP约束试件的强度与延性显著降低,刚度未受影响,与室温及干湿循环作用下试件相比,受冻融作用试件的破坏方式更具灾害性。海水腐蚀后,普通钢筋混凝土梁、柱与CFRP加固钢筋混凝土梁、柱的承载力都降低,但CFRP加固混凝土梁的刚度几乎未受到任何影响。

七、砌体结构加固性能

国外大量文献研究了碳纤维片材加固混凝土砌块墙与砖墙的抗剪性能、平面外与平面内抗弯性能、沿通缝的抗剪性能、单调荷载作用下的短期力学性能、低周往复荷载试验以及模拟地震荷载试验,并给出了碳纤维加固砌体结构的设计建议;

对采用碳纤维缠绕加固砖柱的力学性能、砖拱和穹顶的加固性能也进行了研究。试验结果表明,墙体的破坏形式由加固前的脆性剪切破坏变成了加固后延性弯曲破坏,极大提高墙体的变形能力、强度和延性,能有效减小剪切变形,改善结构整体的延性与抗震性能,提高砌体结构的承载力。从国内研究现状看,大部分的内容集中在碳纤维加固后的墙片在平面内水平低周反复荷载作用下的抗震性能研究上,研究结果表明,碳纤维加固能够明显提高墙体的平面内水平抗剪强度,增强变形能力,改善结构的延性。   

八、钢结构加固性能

碳纤维除了用于钢结构的防腐蚀、防老化及其他一般性的加固外,对钢结构建筑及钢制品等的加固方法革新也越来越成为人们所关心的问题。目前研究重点主要围绕碳纤维对钢结构的失稳加固、界面黏结性能及荷载的传递效应、承载力计算方法以及加固后抗疲劳性能等方面开展。

九、其他加固性能

面对以爆炸为主的恐怖主义以及人为灾害日趋严重的威胁,结构抗爆逐渐成为研究的热点,碳纤维由于其众多优越性,在结构抗爆中有广阔的应用前景。已有的研究成果表明,碳纤维用于抗爆加固可有效提高构件和结构的抗爆性能抗冲击以及抗人为灾害性能。国内外一些学者对碳纤维加固火灾后混凝土结构、碳纤维加固结构的抗扭性能、可靠性以及加固木结构、节点、隧道等特种结构均做了一些研究。


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