鋼筋混凝土柱碳纖維加固應用技術

  在實際加固工程中,因設計失誤、施工不當或使用功能改變等,造成的結構或構件不能滿足現行規範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補強修複。

 
  碳纖維CFRP是整個土木工程界使用最為廣泛且熱門的加固材料,該項加固技術興起於20世紀80年代,於90年代後期在我國迅速發展起來,國內外很多科研單位和高校就碳纖維CFRP加固混凝土構件這項新技術進行了大量的研究。隨著試驗研究的深入,該加固技術的適用範圍不斷擴大,應用技術不斷改進。
 
  碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的試驗研究相對較少,但試驗研究結果表明碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱具有施工簡單、抗腐蝕能力強、約束效果好、基本不需要維修保養等特點,下麵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,待樹脂固化後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,疲勞壽命普遍高於鋼材;溫變係數和混凝土相當;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,構件是由於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麵約束應力)受橫向界麵約束應力的作用,塑性區的核心混凝土處於三向應力狀態,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,並不考慮失穩的影響,加固後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、由於CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束後使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,主要由於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,柱邊隻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、由於CFRP對鋼筋混凝土柱的約束為界麵約束,隻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。
 
  1.3.3、約束混凝土與無約束混凝土應力—應變關係
 
  2、碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的技術及施工要點
 
  2.1、適用範圍及工況要求
 
  CFRP加固鋼筋混凝土柱適用於圓柱或小截麵矩形柱(截麵邊長一般小於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
 
  2.3、加固施工要點:
 
  2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷,此項工作往往被忽視,混凝土構件在負荷外包CFRP時,外包CFRP相對於混凝土柱表麵存在應變滯後,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、矩形柱拐角倒角的半徑不得小於20mm,柱側最好修成外凸麵,減輕角部CFRP的集中應力,很多試驗表明即使如此CFRP的破壞仍然發生在拐角部位。
 
  2.3.3、混凝土構件表麵的修複工作極為重要,其直接影響CFRP對混凝土橫向約束效果。
 
  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範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複作用下,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進行纏繞加固後,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)施工技術含量低、工藝簡單,約束效果好、抗腐蝕能力強,隻需保護不需要保養。
  4)碳纖維CFRP加固技術並非萬能“處方”,有其缺點:有機膠耐高溫性能差,高溫環境及防火等級要求高的建築不能使用;不規則或大截麵矩形柱應有條件使用。