摘要: 碳纖維增強塑料( 簡稱CFRP) , 是一種新型的工程建筑材料,目前在土建加固工程中運用十分廣泛。本文對CFRP 約束鋼筋混凝土柱在承載狀態下的力學原理進行了分析, 以及CFRP 加固鋼筋混凝土柱的適用范圍、施工技術、施工要點。
關鍵字: CFRP 補強修復約束混凝土界面約束應力抗拉強度
概述
在實際加固工程中, 因設計失誤、施工錯誤、材料質量不符合要求、荷載增加、使用功能改變或因遭受火災、水災、風災、地震等災害造成的結構或構件不能滿足現行規范規定的正常設計使用要求, 要使其結構或構件能夠繼續安全、正常的使用, 則必須采取一定的措施進行加固修復。
碳纖維CFRP 補強加固混凝土結構技術于20 世紀80 年代興起于發達國家, 90 年代后期在我國迅速發展起來的一項新的結構補強加固技術, 其采用專用結構膠將碳纖維粘貼于需加固區域, 使碳纖維與混凝土的構件牢固的粘結成一個整體, 并很好地協同工作, 從而達到加固結構的目的。與傳統加固手段相比, 具有高強高效、施工便捷, 工效高、施工質量易保證等明顯的技術優勢。在加固鋼筋混凝土柱時施工簡單、抗腐蝕能力強、約束效果好、基本不需要維修保養等特點, 下面就該加固技術進行簡要介紹。
1、鋼筋混凝土柱CFRP 加固機理分析
1.1、碳纖維CFRP 材料
碳纖維CFRP 一般是直徑為5μm～20μm 的連續纖維, 基材由樹脂和固化劑組成, 用樹脂( 內加固化劑) 浸潤碳纖維, 待樹脂固化后便形成了碳纖維增強塑料( 簡稱CFRP) 。其特性: 密度小, 為普通鋼材的1/6; 強度高, 抗拉強度約為普通鋼筋的4～6 倍; 抗腐蝕性能好, 強度不受酸堿腐蝕介質的影響; 非磁性, 不影響電磁信號的傳播; 抗疲勞性能優良, 疲勞壽命普遍高于鋼材; 溫變系數和混凝土相當; 彈性模量和鋼材相近; 極限延伸率1%。
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, 構件是由于受到極限值非常小的橫向擴張引起的, 如能在構件四周創造橫向約束, 以阻止受壓構件的這種橫向擴張, 從而提高構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 增強帶之間產生約束作用,( 它們之間的相互作用力稱為界面約束應力) 受橫向界面約束應力的作用, 塑性區的核心混凝土處于三向應力狀態, 與單向受力狀態相比, 混凝土的極限壓應變和承載力會提高, 在柱彎曲承載力沒有明顯下降的情況下, 并不考慮失穩的影響,加固后鋼筋混凝土柱具有較大的延性變形與耗能能力。
1.3、鋼筋混凝土柱在CFRP 包裹作用下的應力分布情況
1.3.1、由于CFRP 對鋼筋混凝土柱的橫向約束后使CFRP 形成軸向拉伸應力, 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度相對圓柱而言大大降低, 主要由于側向約束應力不均勻。矩形柱邊中央側向約束弱, 拐角處側向應力集中約束較大, 柱邊只有在發生側向塑性變形時CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束應力才能極速增長。
1.3.2、由于CFRP 對鋼筋混凝土柱的約束為界面約束, 只有當混凝土向外橫向擴張時( 產生塑性變形) CFRP 方能對混凝土產生約束應力, 因此柱環向外包CFRP 在承受荷載時表現出兩階段的受力過程: 第一階段, 混凝土軸向壓應力較小, 橫向變形較小, CFRP 受力較小; 第二階段, 隨著荷載的增加, 柱混凝土變形增大, CFRP 環向應力顯著增長, 環向約束力迅速增加, 直到當CFRP 達到其極限拉伸應變時發生斷裂。CFRP 對混凝土產生約束應力、應變值的提高幅度, 與使用CFRP 材料的規格、粘貼形式、粘貼層數有關, 應通過試驗確定。
2、碳纖維CFRP 加固鋼筋混凝土柱的技術及施工要點
2.1、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( 截面邊長一般小于800mm) , 在未失穩狀態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。
2.2、CFRP 外包鋼筋混凝土加固技術
2.2.1、前期準備
鋼筋混凝土柱在加固前, 需要對構件采取一定量的卸載工作,減少外包CFRP 對于混凝土柱表面的應變滯后。構件表面清理, 清除表層松動的混凝土, 打磨至堅硬層, 粘貼面找平處理并清除粘貼面上的油污、浮漿、粉塵。矩形柱還須倒角處理以緩解角部的集中應力, 倒角半徑不小于20mm。
2.2.2、混凝土表面粘貼CFRP
根據混凝土補強要求和試驗情況, 可采用單層或多層CFRP 箍帶間隔加固或全截面外包加固的方法。
CFRP 粘貼膠均為特殊設計的環氧樹脂, 構件加固質量的優劣與粘貼膠有直接影響, 因此選擇優質的粘貼膠和對粘貼膠施工前的檢測至關重要。
CFRP 粘貼程序: 刷底層粘貼膠→粘貼第一層CFRP 纖維布→環氧樹脂浸漬CFRP 纖維布→若采用多層CFRP 粘貼,則重復上述工序。
2.3、加固施工要點:
2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷, 混凝土構件在負荷外包CFRP 時, 外包CFRP 相對于混凝土柱表面存在應變滯后, 常發生CFRP 尚未被拉斷混凝土已被壓壞的情況, 這種效應使得CFRP 的補強效果降低, 不能充分發揮CFRP 的高強抗拉性能。
2.3.2、混凝土構件表面的修復工作極為重要, 其直接影響CFRP 對混凝土橫向約束效果。矩形柱拐角倒角的半徑不得小于20mm, 柱側最好修成外凸面, 減輕角部CFRP 的集中應力。
2.3.3、必須選擇優質的CFRP 纖維布和粘貼膠, 施工中應進行嚴格的過程質量控制, 并保證纖維布和粘貼膠的配套。
3、結論
1) 碳纖維CFRP 加固鋼筋混凝土柱, 能使混凝土承受軸向受力狀態變為三向受力狀態, 約束混凝土的承載力和變形能力得到提高, 特別對軸壓比不能滿足抗震設計規范要求的鋼筋混凝土柱加固效果比較明顯。
2) 提高塑性鉸區的承載力及延性, 鋼筋混凝土柱在地震荷載的重復作用下, 上下端會首先出現塑性鉸區, 承載能力及延性迅速下降, 用CFRP 進行纏繞加固后, 塑性鉸區核心混凝土受到約束極限強度及變形能力大幅提高。
3) 施工工藝簡單、技術要求不高、質量易于保證、約束效果好、抗腐蝕能力強, 在后期的使用過程中不需做定期維護, 因此綜合經濟效益好。
4) 耐高溫性能差, 對于高溫環境及有防火要求的建筑物, 必須按照要求選擇防火材料并進行防護處理; 不規則或大截面矩形柱應有條件使用。
