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时间:2018-08-29
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1、浅谈钢筋混凝土柱碳纤维加固技术的应用 摘要:碳纤维CFRP是整个土木工程界使用最为广泛且热门的加固材料,该项加固技术兴起于20世纪80年代,于90年代后期在我国迅速发展起来,国内外很多科研单位和高校就碳纤维CFRP加固混凝土构件这项新技术进行了大量的研究。随着试验研究的深入,该加固技术的适用范围不断扩大,应用技术不断改进。关键词:加固碳纤维钢筋混凝土 近年来,碳纤维材料以其轻质、高强、抗腐蚀、耐疲劳及其温度稳定性而受到土木工程界的日益关注,成为研究与应用的热点。工程实践和试验研究表明:采用碳纤维对钢筋混凝土柱进行抗震
2、加固,可以有效约束混凝土的变形,增强耗能能力,从而使其承载能力及延性能力有很大的提高,可取得良好的抗震加固效果。碳纤维片材由于其强度高、弹性模量大,用于横向包裹钢筋混凝土柱时,可以有效提高柱的承载能力和延性性能,其作用机理体现在两个方面:一方面,碳纤维片材横向包裹,其作用类似受剪钢筋,协同钢筋承受剪力。由于碳纤维的抗拉强度远远大于钢筋的抗拉强度,相当于配筋率大大提高,使其抗剪承载力得以显著提高,斜裂缝出现以后构件的变形性能也得以明显改善,另一方面,横向包裹碳纤维,还会对其内部的混凝土起到有效的约束作用,当受压区混凝土达到
3、峰值应力后,具横向膨胀变形急剧增大,碳纤维环向应变显著增大,环向约束力增大,这就使得混凝土应力—应变曲线的下降变得平缓,极限压应变得以提高,因而推迟了受压区混凝土的破坏过程,充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能,显著改善构件的延性。 在实际加固工程中,因设计失误、施工不当或使用功能改变等,造成的结构或构件不能满足现行规范规定的正常设计使用要求,要使其结构或构件能够继续安全、正常的使用,则必须采取一定的措施进行补强修复。碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱的试验研究相对较少,但试验研究结果表明碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱具有施工
4、简单、抗腐蚀能力强、约束效果好、基本不需要维修保养等特点,下面就该加固技术进行简要介绍。 一、钢筋混凝土柱CFRP加固机理分析 1、碳纤维CFRP材料 碳纤维CFRP一般是直径为5μm~20μm的连续纤维,基材由树脂和固化剂组成,用树脂浸润碳纤维,待树脂固化后便形成了碳纤维增强塑料。其特性:密度小,为普通钢材的1/6;强度高,抗拉强度约为普通钢筋的4~6倍;抗腐蚀性能好,强度不受酸碱腐蚀介质的影响;非磁性,不影响电磁信号的传播;抗疲劳性能优良,疲劳寿命普遍高于钢材;温变系数和混凝土相当;弹性模量和钢材相近;极限延伸
5、率1%. 2、钢筋混凝土柱CFRP加固原理 钢筋混凝土柱在承受轴向压力时,构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的,如能在构件四周创造横向约束,以阻止受压构件的这种横向扩张,从而提高构件抗压承载力和变形能力。 碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用,受横向界面约束应力的作用,塑性区的核心混凝土处于三向应力状态,与单向受力状态相比,混凝土的极限压应变和承载力会提高,在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下,并不考虑失稳的影响,加固后钢筋混凝土柱具有较大的延性变形与耗能能力。 3、钢
6、筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的应力分布情况 由于CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束后使CFRP形成轴向拉伸应力,而CFRP的抗弯能力极弱,矩形柱在CFRP包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆柱而言大大降低,主要由于侧向约束应力不均匀。矩形柱边中央侧向约束弱,拐角处侧向应力集中约束较大,柱边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束应力才能极速增长。 由于CFRP对钢筋混凝土柱的约束为界面约束,只有当混凝土向外横向扩张时CFRP方能对混凝土产生约束应力,因此柱环向外包CFRP在承受荷载时表现出两阶段的
7、受力过程:第一阶段,混凝土轴向压应力较小,横向变形较小,CFRP受力较小;第二阶段,随着荷载的增加,柱混凝土变形增大,CFRP环向应力显著增长,环向约束力迅速增加,直到当CFRP达到其极限拉伸应变时发生断裂。 二、碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱的技术及施工要点 1、适用范围及工况要求 CFRP加固钢筋混凝土柱适用于圆柱或小截面矩形柱,在未失稳状态下能大幅提高钢筋混凝土柱的轴压承载能力。加固的前提条件是构件的核心混凝土未被破坏,尚具有一定的承载和变形能力。 2、CFRP外包钢筋混凝土加固技术 3、加固施工要点:
8、 钢筋混凝土柱加固前的卸荷,此项工作往往被忽视,混凝土构件在负荷外包CFRP时,外包CFRP相对于混凝土柱表面存在应变滞后,常发生CFRP尚未被拉断混凝土已被压坏的情况,这种效应使得CFRP的补强效果降低,不能充分发挥CFRP的高强抗拉性能。 矩形柱拐角倒角的半径不得小于20mm,柱侧最好修成外凸面,减轻角部CFR
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