摘要: 碳纤维增强塑料( 简称CFRP) , 是一种新型的工程建筑材料,目前在土建加固工程中运用十分广泛。本文对CFRP 约束钢筋混凝土柱在承载状态下的力学原理进行了分析, 以及CFRP 加固钢筋混凝土柱的适用范围、施工技术、施工要点。
关键字: CFRP 补强修复约束混凝土界面约束应力抗拉强度
概述
在实际加固工程中, 因设计失误、施工错误、材料质量不符合要求、荷载增加、使用功能改变或因遭受火灾、水灾、风灾、地震等灾害造成的结构或构件不能满足现行规范规定的正常设计使用要求, 要使其结构或构件能够继续安全、正常的使用, 则必须采取一定的措施进行加固修复。
碳纤维CFRP 补强加固混凝土结构技术于20 世纪80 年代兴起于发达国家, 90 年代后期在我国迅速发展起来的一项新的结构补强加固技术, 其采用专用结构胶将碳纤维粘贴于需加固区域, 使碳纤维与混凝土的构件牢固的粘结成一个整体, 并很好地协同工作, 从而达到加固结构的目的。与传统加固手段相比, 具有高强高效、施工便捷, 工效高、施工质量易保证等明显的技术优势。在加固钢筋混凝土柱时施工简单、抗腐蚀能力强、约束效果好、基本不需要维修保养等特点, 下面就该加固技术进行简要介绍。
1、钢筋混凝土柱CFRP 加固机理分析
1.1、碳纤维CFRP 材料
碳纤维CFRP 一般是直径为5μm～20μm 的连续纤维, 基材由树脂和固化剂组成, 用树脂( 内加固化剂) 浸润碳纤维, 待树脂固化后便形成了碳纤维增强塑料( 简称CFRP) 。其特性: 密度小, 为普通钢材的1/6; 强度高, 抗拉强度约为普通钢筋的4～6 倍; 抗腐蚀性能好, 强度不受酸碱腐蚀介质的影响; 非磁性, 不影响电磁信号的传播; 抗疲劳性能优良, 疲劳寿命普遍高于钢材; 温变系数和混凝土相当; 弹性模量和钢材相近; 极限延伸率1%。
1.2、钢筋混凝土柱CFRP 加固原理
钢筋混凝土柱在承受轴向压力时, 构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的, 如能在构件四周创造横向约束, 以阻止受压构件的这种横向扩张, 从而提高构件抗压承载力和变形能力。
碳纤维CFRP 加固钢筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP 增强带之间产生约束作用,( 它们之间的相互作用力称为界面约束应力) 受横向界面约束应力的作用, 塑性区的核心混凝土处于三向应力状态, 与单向受力状态相比, 混凝土的极限压应变和承载力会提高, 在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下, 并不考虑失稳的影响,加固后钢筋混凝土柱具有较大的延性变形与耗能能力。
1.3、钢筋混凝土柱在CFRP 包裹作用下的应力分布情况
1.3.1、由于CFRP 对钢筋混凝土柱的横向约束后使CFRP 形成轴向拉伸应力, 而CFRP 的抗弯能力极弱( 一般不考虑) , 矩形柱在CFRP 包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆柱而言大大降低, 主要由于侧向约束应力不均匀。矩形柱边中央侧向约束弱, 拐角处侧向应力集中约束较大, 柱边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束应力才能极速增长。
1.3.2、由于CFRP 对钢筋混凝土柱的约束为界面约束, 只有当混凝土向外横向扩张时( 产生塑性变形) CFRP 方能对混凝土产生约束应力, 因此柱环向外包CFRP 在承受荷载时表现出两阶段的受力过程: 第一阶段, 混凝土轴向压应力较小, 横向变形较小, CFRP 受力较小; 第二阶段, 随着荷载的增加, 柱混凝土变形增大, CFRP 环向应力显著增长, 环向约束力迅速增加, 直到当CFRP 达到其极限拉伸应变时发生断裂。CFRP 对混凝土产生约束应力、应变值的提高幅度, 与使用CFRP 材料的规格、粘贴形式、粘贴层数有关, 应通过试验确定。
2、碳纤维CFRP 加固钢筋混凝土柱的技术及施工要点
2.1、适用范围及工况要求
CFRP 加固钢筋混凝土柱适用于圆柱或小截面矩形柱( 截面边长一般小于800mm) , 在未失稳状态下能大幅提高钢筋混凝土柱的轴压承载能力。加固的前提条件是构件的核心混凝土未被破坏, 尚具有一定的承载和变形能力。
2.2、CFRP 外包钢筋混凝土加固技术
2.2.1、前期准备
钢筋混凝土柱在加固前, 需要对构件采取一定量的卸载工作,减少外包CFRP 对于混凝土柱表面的应变滞后。构件表面清理, 清除表层松动的混凝土, 打磨至坚硬层, 粘贴面找平处理并清除粘贴面上的油污、浮浆、粉尘。矩形柱还须倒角处理以缓解角部的集中应力, 倒角半径不小于20mm。
2.2.2、混凝土表面粘贴CFRP
根据混凝土补强要求和试验情况, 可采用单层或多层CFRP 箍带间隔加固或全截面外包加固的方法。
CFRP 粘贴胶均为特殊设计的环氧树脂, 构件加固质量的优劣与粘贴胶有直接影响, 因此选择优质的粘贴胶和对粘贴胶施工前的检测至关重要。
CFRP 粘贴程序: 刷底层粘贴胶→粘贴第一层CFRP 纤维布→环氧树脂浸渍CFRP 纤维布→若采用多层CFRP 粘贴,则重复上述工序。
2.3、加固施工要点:
2.3.1、钢筋混凝土柱加固前的卸荷, 混凝土构件在负荷外包CFRP 时, 外包CFRP 相对于混凝土柱表面存在应变滞后, 常发生CFRP 尚未被拉断混凝土已被压坏的情况, 这种效应使得CFRP 的补强效果降低, 不能充分发挥CFRP 的高强抗拉性能。
2.3.2、混凝土构件表面的修复工作极为重要, 其直接影响CFRP 对混凝土横向约束效果。矩形柱拐角倒角的半径不得小于20mm, 柱侧最好修成外凸面, 减轻角部CFRP 的集中应力。
2.3.3、必须选择优质的CFRP 纤维布和粘贴胶, 施工中应进行严格的过程质量控制, 并保证纤维布和粘贴胶的配套。
3、结论
1) 碳纤维CFRP 加固钢筋混凝土柱, 能使混凝土承受轴向受力状态变为三向受力状态, 约束混凝土的承载力和变形能力得到提高, 特别对轴压比不能满足抗震设计规范要求的钢筋混凝土柱加固效果比较明显。
2) 提高塑性铰区的承载力及延性, 钢筋混凝土柱在地震荷载的重复作用下, 上下端会首先出现塑性铰区, 承载能力及延性迅速下降, 用CFRP 进行缠绕加固后, 塑性铰区核心混凝土受到约束极限强度及变形能力大幅提高。
3) 施工工艺简单、技术要求不高、质量易于保证、约束效果好、抗腐蚀能力强, 在后期的使用过程中不需做定期维护, 因此综合经济效益好。
4) 耐高温性能差, 对于高温环境及有防火要求的建筑物, 必须按照要求选择防火材料并进行防护处理; 不规则或大截面矩形柱应有条件使用。
