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碳纤维布的物理力学性能优异。该材料的优异的物理力学性能使它可以有效应用于结构物的抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的补强工程,并且可以取得优异的加固补强效果,且它质量轻、强度高的特点使它可以在基本不增加结构体积和不改变结构外形的情况下加固结构体,这是其它维修加固方法无法相比的特点。
碳纤维加固
碳纤维加固是以专门配制的改性环氧树脂胶黏剂等将碳纤维布紧密粘贴于混凝土结构物表面,与原结构共同参与受力,在不增大原结构断面的前提下,大幅度提高结构物的受力性能。碳纤维与传统的加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比,具有节省空间,施工简便,不需要现场固定设施,施工质量易保证,基本不增加结构尺寸及自重,耐腐蚀、耐久性能好等特点。另外,采用该工法,可大大提高建筑物的使用寿命,降低加固成本。因此,碳素纤维作为划时代的补强材料,而备受青睐和关注。(1)抗拉强度高,是同等截面钢材的7-10倍。(2)重量轻,密度只有普通钢材的1/4。(3)耐久性好,可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的破坏。(4)施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。(5)适用范围广,混凝土构件、钢结构、木结构均可进行加固。可大幅度提高构件的承载能力、抗震性能和耐久性能。
碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维可成功地用于混凝土结构的抗震、抗剪和抗弯加固。但应该指出,由于碳纤维加固结构固有的一些受力特点,许多混凝土结构问题不适于用碳纤维进行加固,因此有必要对其适用性作出分析。
对于碳纤维加固工艺进行了16根抗弯加固混凝土梁的破坏试验,并且利用有限元理论分析方法,建立了考虑曾加荷载初始效应和材料非线性的有限元模型,对试验梁进行受力分析,以下是实验分析后得出的结果,即碳纤维布抗弯加固的适用范围:
1、刚度问题
当混凝土楼、屋盖结构由于刚度不足,导致变形过大、开裂严重而影响使用时,不适合用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明,对于梁、板等横向受力构件,当用碳纤维进行加固时,在正常使用极限状态,碳纤维对结构刚度的提高作用小于10%,或基本没有提高。
2、当混凝土结构由于抗弯承载力不够,采用碳纤维布进行加固时,加固结构的破坏形态一方面取决于原结构的配筋情况,另一方面取决于碳纤维的用量。现假设原结构为适筋构件,则加固结构的破坏形态可分为如下三种情况:
⑴碳纤维用量较少。破坏时受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维可以达到较高的拉应变。
⑵碳纤维用量适中。破坏时受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维可达到某一中等拉应变。
⑶碳纤维用量较多。破坏时受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维应变很低。
上述三种情况,第三种情况由于碳纤维用量大且强度利用率低,不宜采用。第一种加固方法适用于截面高度较大的梁,第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。这主要是由于对板或扁梁而言,在碳纤维未达到很高的拉应变时,结构就可能由于变形过大而破坏。具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。
3、抗扭问题
关于用碳纤维材料进行混凝土结构的抗扭加固,目前国内外进行的研究很少。从混凝土结构的受扭破坏机理上看,不论使碳纤维的纤维方向垂直于轴线,还是平行于轴线,均可以约束扭转斜裂缝的发展,起到一定的加固效果。
但是,由于用碳纤维加固时,一方面构件裂缝已经形成,裂缝分布已经确定;另一方面由于碳纤维的极限应变与普通钢筋的应变程度不能匹配,导致混凝土裂缝宽度已开展很大,必然开始向其他表面发展,结构即已接近破坏,而此时碳纤维所能达到的应力可能还很低,因此碳纤维加固受扭构件的效果有必要通过深层研究确定。