淺談鋼筋混凝土柱碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：碳纖維CFRP是整個(gè)土木工程界使用最為廣泛且熱門(mén)的加固材料，該項(xiàng)加固技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，于90年代后期在我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多科研單位和高校就碳纖維CFRP加固混凝土構(gòu)件這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。隨著試驗(yàn)研究的深入，該加固技術(shù)的適用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用技術(shù)不斷改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：加固 碳纖維 鋼筋混凝土 　　近年來(lái)，碳纖維材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐疲勞及其溫度穩(wěn)定性而受到土木工程界的日益關(guān)注，成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明：采用碳纖維對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行抗震加固，可以有效約束混凝土的變形，增強(qiáng)耗能能力,從而使其承載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。碳纖維片材由于其強(qiáng)度高、彈性模量大，用于橫向包裹鋼筋混凝土柱時(shí)，可以有效提高柱的承載能力和延性性能，其作用機(jī)理體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，碳纖維片材橫向包裹，其作用類(lèi)似受剪鋼筋，協(xié)同鋼筋承受剪力。由于碳纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋的抗拉強(qiáng)度,相當(dāng)于配筋率大大提高，使其抗剪承載力得以顯著提高，斜裂縫出現(xiàn)以后構(gòu)件的變形性能也得以明顯改善，另一方面，橫向包裹碳纖維,還會(huì)對(duì)其內(nèi)部的混凝土起到有效的約束作用，當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力后，具橫向膨脹變形急劇增大，碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增大，環(huán)向約束力增大，這就使得混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的下降變得平緩，極限壓應(yīng)變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的破壞過(guò)程，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善構(gòu)件的延性。 　　在實(shí)際加固工程中，因設(shè)計(jì)失誤、施工不當(dāng)或使用功能改變等，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)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)研究相對(duì)較少，但試驗(yàn)研究結(jié)果表明碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱具有施工簡(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。 一、鋼筋混凝土柱CFRP加固機(jī)理分析 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(chēng)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%. 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(chēng)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。 3、鋼筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的應(yīng)力分布情況 　  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)。 　　 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??；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。 二、碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)及施工要點(diǎn) 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、CFRP外包鋼筋混凝土加固技術(shù) 3、加固施工要點(diǎn)： 鋼筋混凝土柱加固前的卸荷，此項(xiàng)工作往往被忽視，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。 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，很多試驗(yàn)表明即使如此CFRP的破壞仍然發(fā)生在拐角部位。 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。 三、結(jié)論 1、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、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、技術(shù)含量低、工藝簡(jiǎn)單，約束效果好、抗腐蝕能力強(qiáng)，只需保護(hù)而不需要刻意做保養(yǎng)。 4、維CFRP加固技術(shù)也不能做到面面俱到，其缺點(diǎn)有：由于有機(jī)膠耐高溫性能差，所以在高溫環(huán)境下以及防火等級(jí)要求特別高的建筑中不能使用維CFRP加固 技術(shù)；不規(guī)則或大截面矩形柱應(yīng)該去限制條件使用。 綜上所述，碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱有高強(qiáng)高效，良好的耐久性及耐腐蝕性、重量輕，厚度薄、適用面廣和施工便捷高效等特點(diǎn)，實(shí)踐證明，碳纖維加固技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固效果十分明顯，該技術(shù)在施工工期、施工質(zhì)量方面均能達(dá)到預(yù)期的目的，而且不受場(chǎng)地、構(gòu)件形狀的影響，相信在未來(lái)，隨著碳纖維材料研究的不斷深入，碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景。   參考文獻(xiàn) [1]李全旺,趙樹(shù)紅.碳纖維加固鋼筋混凝土梁受剪承載力試驗(yàn)分析.清華大學(xué)土木工程系.  [2]滕智明,朱金栓.混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社于　　 [3]王春燕,貝晨.鋼筋混凝土構(gòu)造柱的質(zhì)量控制措施淺析[J].黑龍江科技信息.2009