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碳纖維布加固技術在現代建筑的應用

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碳纖維布加固技術在現代建筑的應用

發布日期:2019-12-04 作者: 點擊:

摘 要:碳纖維布輕質高強、適用面廣、施工方便快捷等優點不言而喻,因而碳纖維布加固法作為一種新型的、技術含量高的結構加固技術,在加固領域得到廣泛應用,具有很大的推廣價值和社會經濟效益。本文將碳纖維布加固技術與傳統的幾種加固技術進行了分析,并且全面闡述了碳纖維加固的優點和在工程應用中需注意的幾點不足。另外,本文還將碳纖維布加固與粘鋼加固進行對比換算,并提出在不同條件下選用不同加固方案。

引言

目前,鋼筋混凝土結構己成為現代建筑、構筑物Z常用的結構形式,成為我國乃至世界各國占主導地位的建筑結構,在我國社會主義經濟建設中發揮著不可代替的作用。因此,確保鋼筋混凝土結構的安全使用具有重大的現實意義。但是由于自然災害、年久失修以及人為因素、荷載等級提高和設計規范修訂等原因導致建筑結構承載力不足,影響正常使用和安全運行,須對其進行加固處理;加之一些結構工程中混凝土的質量不盡理想,致使加固維修問題更為突出,己成為經濟建設的沉重負擔并制約了進一步的發展。

加固改造具有三個突出的優點:投資少、工期短、省空間,這些都會帶來顯著的經濟效益,特別是時間和空間的節省,對工業生產和商業活動來講,在效益方面往往起著決定性的作用。對承載力不足的工程結構進行修復加固,不僅可以使人民的生命及財產得到保障,還可以盡可能地發揮既有結構的作用,緩解人力、物力、資金緊張的情況,使資金投到Z需要的地方。

現有的加固方法

鋼筋混凝土結構的加固技術越來越受到人們的重視,人們在長期地研究與實踐過程中,形成了多種加固方法,傳統的加固方法有以下幾種①:

1)增大截面法

通過使用同質材料增大原結構的截面面積,來提高構件承載力,同時加大截面剛度,增強抗震能力,工藝簡單,適用面廣。缺點是現場濕作業多,施工周期長,對原結構影響較大,如:減小使用空間,增加結構自重等。

2)外包鋼法

以型鋼包裹于結構的四角或兩角,對構件的截面和外觀影響較小,較大幅度地提高承載力,施工簡單,工作量小,增大延性,適用于加固混凝土柱、梁等結構;缺點是用鋼量較大,抗腐蝕性和耐久性差,費用高。

3)預應力加固法

采用外加預應力拉桿或型鋼撐桿進行加固,降低應力水平,提高承載力,幾乎不改變使用空間。缺點是耐火性、耐腐蝕性較差,且對施工設備、工序及施工人員的素質要求較高。

4)增設支點法

增設支點是用減少構件計算跨度,從而減小結構內力,提高承載力,并且縮小裂縫寬度效果明顯。缺點是影響原結構布局,使用功能受到限制。

5)托梁拔柱法

是一種托屋架拔柱、托墻拔柱及托梁拔柱的加固方法,改造時間短、費用低,缺點是技術要求高、安全隱患大。適用于工業廠房的改造。

6)粘鋼加固法

粘鋼加固法是將鋼板粘貼在構件外部來提高結構承載能力的一種方法。該方法幾乎不改變構件外形和使用空間,施工簡單快速,濕作業量小,但對構件工作環境有要求,環境溫度不高于60℃,相對濕度不大于70%,無化學腐蝕。

傳統加固方法雖然種類較多,且每種加固方法都有各自的優點,但每種方法加固的綜合效果都不能完全滿足使用者的要求。隨著碳纖維增強塑料的出現及對其增強加固混凝土結構效果研究的深入,這種加固技術越來越受到建筑行業的青睞,其應用越來越廣泛。

碳纖維加固技術的優點

碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,下稱CFRP,常以碳纖維布的形式出現),具有優異的物理力學性能、耐久性及抗腐蝕性等特點。該材料是在日本發明的,Z早應用于航空航天,國外Z早對纖維加固修復混凝土結構技術進行研究的是德國IBMB研究院和瑞士的EMPA實驗室,日本、韓國和美國緊隨其后,碳纖維塑料對鋼筋混凝土進行修復加固在發達國家已成為一項成熟技術②。

與傳統加固方法比較,碳纖維增強塑料具有明顯的技術優勢,主要體現在③:

1)強度高、延性好

碳纖維布具有優異的物理力學性質,抗拉強度2500-4500MPa(是普通鋼材的10倍左右),彈性模量是普通鋼材的1-2倍。以其強度來提高承載力,以其高彈性模量來改善結構的延展性,從而達到加固的目的。

2)耐久性和耐腐蝕性好

由于其固有的化學特性,致使碳纖維布能夠抵抗一般酸堿鹽的腐蝕,有良好的耐腐蝕性和耐久性,而且其本身還可以起到對內部混凝土結構的保護作用,間接增加了混凝土保護層,從而達到雙重效果。

3)不增加構件的自重及體積

碳纖維布質量輕,厚度薄,粘貼后基本不增加結構自重和尺寸,不影響建筑物的有效使用空間和外觀。

4)適用面廣

碳纖維布是一種柔性材料,可以方便地裁剪,所以這種加固技術可以廣泛適用于各種結構類型(如橋梁、隧道、涵洞、煙囪等)、各種結構形狀(如矩形、圓形、曲面結構等)、各種結構部位(梁、板、柱、節點、拱、殼等),且不改變結構形狀及不影響結構外觀,這是傳統加固方法所不具有的。

5)施工便捷高效

碳纖維布加固,無大型機具,沒有濕作業,占用場地少。施工工效高,粘貼碳纖維法是粘貼鋼板施工工效的4-5倍。施工質量易保證,碳纖維預浸料輕質柔軟,易貼附,即使被加固的結構表面不是非常平整,也可以保證很高的粘貼率。 

碳纖維布的這些特點,為建筑結構的加固提供了技術支持,決定了碳纖維加固技術具有很大的經濟價值和社會效益。

碳纖維加固材料發展及其缺點

然而,隨著碳纖維材料在加固領域發揮重要作用的同時,也存在著不足:

1)拉伸彈性模量相對于其強度過低

應用于結構加固的碳纖維拉伸強度一般在3000MPa以上,而其彈性模量只有230GPa左右,高彈性模量的也不過380-640GPa 左右。要發揮較大的強度,碳纖維布需相當大的變形,當與鋼筋共同工作時,鋼筋達到屈服強度時CFRP并未發揮出全部強度,從而無法充分利用碳纖維的強度,且難以有效地抑止結構的變形與裂縫的發展。

2)混凝土與碳纖維間的粘結層易破壞

環氧樹脂粘結層的剪切強度與剪切變形是一定的,超過極限應變后,粘結層將產生界面微裂縫,隨著微裂縫的不斷擴展,Z后發生剝離破壞,所以粘貼CFRP片材加固有其限度,過量粘貼會導致界面無法傳遞足夠的剪應力使得CFRP的強度無法得到充分利用,并且在構件承受較大荷載時容易出現粘結破壞。

現有的加固手段是將CFRP非常緊密地粘貼到試件的表面,當試件的表面有一定的曲率時,CFRP在受拉的同時還會承受一個由曲率帶來的剝離應力,這也會加快構件的粘結破壞。

3)無屈服點,為脆性破壞

碳纖維布是一種線性材料,沒有像鋼筋那樣的屈服點,結構發生破壞前沒有先兆,為脆性破壞。

粘貼碳纖維布和粘鋼的適用性對比

現代建筑中,粘鋼加固和碳纖維加固應用較多,此處將兩種加固方法進行對比:

碳纖維布輕質高強,厚度為0.111-0.167mm,抗拉強度高,為普通鋼材的8-10倍,但各向異性,即抗拉強度高但抗剪強度低;施工更為簡便,施工速度為粘鋼的2-3倍。

鋼板的物理力學性能為各項同性,受力性能好;施工時需專用夾具和施工機具, 施工工序和施工操作性較碳纖維布復雜。

下表中,我們對碳纖維布與鋼板進行換算,通過分析得出:

對于普通小荷載結構或構件,其補強所需面積較小,粘貼碳纖維布1-2層即可滿足要求時,優先選用粘貼碳纖維布加固,其經濟性和施工操作性優勢明顯:而當結構或構件補強所需面積較大時,即粘貼碳纖維布超過2-3層時,優先選用粘鋼加固方案,可大幅提高結構的承載力或受力性能,并取得良好的經濟性。

表1 鋼板與碳纖維布抗彎加固等強換算結果表④(單位:mm)

結語

隨著我國經濟建設地迅猛發展,各類建筑結構的適用性和安全性被廣泛關注,如何在確保安全的前提下,低投資帶來高回報,成為新時代的焦點。以醫院等公共建筑為例,新的醫療設備或者結構功能調整,對原有結構提出了需求,如何在短的時間內達到要求,盡可能減少對社會的損失,都值得我們認真思考。

碳纖維布具有強度高、延性好、耐腐蝕和耐久性好、適用面廣、施工便捷等優點,在建筑加固中具有廣闊的前景。隨著科技的不斷進步,新的加固材料、新的加固技術,必將為社會主義建設注入新的色彩。

參考文獻:

[1] 文明才. 建筑結構加固技術及發展趨勢[J]. 湖南城市學院學報(自然科學版). 2005,14 

[2] 涂智溢, 馬芹永. 國外碳纖維增強復合材料加固補強結構發展趨勢[J]. 福建建材, 2005,1

[3] 卜少磊. 碳纖維布加固鋼筋混凝土柱試驗研究與分析[J]. 華東交通大學. 2008,1

[4] 徐志武,廖新雪,劉文劼. 粘貼碳纖維布與粘鋼加固方法的適用性對比分析[J].《重慶建筑》 – 2009,1

本文作者: 江蘇省人民醫院(梁文明


本文網址:http://www.ddrjm.com/news/427.html

關鍵詞:蘭州加固公司,甘肅加固公司,甘南加固公司

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