2.3 碳纖維布加固法
2.3.1 碳纖維布加固機(jī)理
工程材料的進(jìn)步及新材料的出現(xiàn)歷來是土木結(jié)構(gòu)工程發(fā)展的先驅(qū)和動(dòng)力。碳纖維材料的出現(xiàn)和成功應(yīng)用于土木工程的加固和補(bǔ)強(qiáng)上，使土木工程加固技術(shù)研究更上一個(gè)臺(tái)階。碳纖維是一種新型材料,因其質(zhì)輕、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強(qiáng)度高而被廣泛應(yīng)用。碳纖維布(片)加固法亦被視為梁式橋加固補(bǔ)強(qiáng)、提高承載能力,尤其是當(dāng)高度受限制時(shí)的首選加固方法,其施工工藝也很簡(jiǎn)單。
2.3.2 碳纖維布加固法受力分析與設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.2.1 加固受力特點(diǎn)分析
(1)與傳統(tǒng)的其它加固方法相比，采用碳纖維布加固橋梁能最小程度的改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力；
(2)將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布用粘結(jié)材料粘貼到梁體底面或箱梁內(nèi)壁上，使其與原結(jié)構(gòu)一起參與受力，即碳纖維布可以與原結(jié)構(gòu)內(nèi)布置的鋼筋共同承受拉力，以提高橋梁的承載能力；
(3)沿橋梁的主拉應(yīng)力方向(或與裂縫正交方向)粘貼碳纖維布，兩端分別設(shè)置錨固端；據(jù)此可約束混凝土表面裂縫、防止裂縫再擴(kuò)展，從而達(dá)到提高構(gòu)件抗彎剛度、減少構(gòu)件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的；
(4)目前可用于橋梁結(jié)構(gòu)加固用的碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單向碳纖維層壓材料等，可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力特點(diǎn)與方向等，選擇相應(yīng)的碳纖維布進(jìn)行加固；
(5)碳纖維布加固混凝土構(gòu)件，在提高其受彎承載力的同時(shí)還可能影響受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)。當(dāng)碳纖維布用量過多時(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷帘煌蝗粔核槠茐�。與此同時(shí)，由于碳纖維為完全彈性材料，它與鋼筋的共同工作會(huì)減弱鋼筋塑性性能對(duì)構(gòu)件延性的影響。碳纖維布用量過多，構(gòu)件的延性將有所降低。因此，碳纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋加固補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理使用；
(6)由于碳纖維布加固后在最后破壞時(shí)的突然性(拉斷或剝離等脆性破壞)，其承載力極限狀態(tài)不能按普通鋼筋混凝土的定義，一般應(yīng)按碳纖維抗拉強(qiáng)度的2/3進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算；
(7)試驗(yàn)研究證實(shí)，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機(jī)理與箍筋類似，同時(shí)還能明顯改善構(gòu)件的變形性能，增強(qiáng)構(gòu)件的變形能力；
(8)碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個(gè)界面區(qū)，即混凝土層與粘結(jié)樹脂界面區(qū)、粘結(jié)樹脂與碳纖維布界面區(qū)。粘結(jié)性能的本質(zhì)是接觸面間的相互作用，宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚合物浸潤表面后形成的機(jī)械鎖結(jié)，微觀上表現(xiàn)為分子擴(kuò)散后相互纏結(jié)作用，或化學(xué)鍵作用，或靜電吸引作用，或其復(fù)合作用。
2.3.2.2 碳纖維布加固計(jì)算要點(diǎn)
(1)采用碳纖維布加固橋梁，目前一般的計(jì)算方法是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)(例如強(qiáng)度或容許應(yīng)力)近似換算成一定用量的鋼筋，然后按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進(jìn)行理論分析。雖然是近似計(jì)算方法，但理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，因此在一般情況下是適用的。
(2)碳纖維布加固用量，可按式(2-3)估算。
Acf=As(Ry/Rcf) (2-3)
式中，Acf ——碳纖維布用量(面積)；As ——為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積；Ry ——鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；
Rcf ——碳纖維布抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
(3)除按上式估算的碳纖維布加固用量(面積)外，還必須考慮必要的錨固長度和搭接長度所需面積，以及必要的邊、角廢料等裁減損耗等。
2.3.2.3 碳纖維布加固橋梁特點(diǎn)
(1)不增加恒載及斷面尺寸
碳纖維布的自重僅為200～300g/m2，設(shè)計(jì)厚度為0.111～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響很小，可忽略不計(jì)。同時(shí)，碳纖維布可以多層粘結(jié)。根據(jù)加固的要求，碳纖維布可以在一個(gè)部位重疊粘貼，充分滿足加固的要求。這一優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)加固補(bǔ)強(qiáng)方式所難以比擬的。
(2)可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀，成型很方便
斜、彎、坡及異型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度大。采用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)法，因碳纖維布的隨型性極強(qiáng)的特點(diǎn)，可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期，產(chǎn)生極大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。
(3)施工簡(jiǎn)便
特別是當(dāng)箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時(shí)，碳纖維布加固法是可選擇的一種方法。該法工藝簡(jiǎn)便，無需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐，操作起來簡(jiǎn)單易行，因而施工所需工作面小，在作業(yè)空間受限制時(shí)，該優(yōu)點(diǎn)是其它加固方法無法比擬的。
(4)采用碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷
碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)系采用環(huán)氧樹脂系列的粘結(jié)材料進(jìn)行粘貼，不需要設(shè)置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會(huì)對(duì)已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞，更可避免鉆孔時(shí)與結(jié)構(gòu)內(nèi)原有鋼筋和預(yù)應(yīng)力索發(fā)生沖突而引起新的問題。
(5)能有效地封閉混凝土的裂縫
碳纖維布(片)粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，其高強(qiáng)高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，改變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成分散的細(xì)微的裂縫，從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。
(6)碳纖維布(片)具有良好的耐化學(xué)腐蝕性
碳纖維布(片)一種復(fù)合材料，幾乎無腐蝕性和磁性，具有良好的耐熱性，不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕，而且當(dāng)應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時(shí)，其壽命也較長。因而碳纖維布加固法，在不利環(huán)境下較其它方法更顯出其優(yōu)越性。
(7)不影響結(jié)構(gòu)的外觀
碳纖維布(片)的厚度很薄，粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原結(jié)構(gòu)外觀顏色一致的涂料，而不影響結(jié)構(gòu)的外觀。
2.4 粘貼鋼板加固法
2.4.1 粘貼鋼板法加固機(jī)理
貼鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強(qiáng)度較高的材料粘貼在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件表面，使之與結(jié)構(gòu)物形成整體，從而取得提高構(gòu)件的抗彎能力，以及減少裂縫擴(kuò)展的效果。該加固方法具有施工簡(jiǎn)便，粘鋼所占空間小，不減少橋梁凈空，加固施工周期短，消耗材料少，粘鋼加固部位、范圍與強(qiáng)度可視設(shè)計(jì)構(gòu)造需要靈活設(shè)置，并可在不影響或少影響交通的情況下施工。所以，貼鋼法是常用的加固方法。
2.4.2 粘貼鋼板法計(jì)算理論
2.4.2.1 受彎構(gòu)件的計(jì)算
受彎構(gòu)件截面強(qiáng)度不足時(shí)在受拉區(qū)加固，可采取在受拉區(qū)表面粘貼鋼板的方法，如圖3。此時(shí)，按截面受彎承載力計(jì)算，可按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行，其受壓區(qū)高度和截面受彎承載力可按式(2-4)和式(2-5)確定。
圖3 粘貼鋼板法加固圖示
(2-4) (2-5)
式中，fy0 —原結(jié)構(gòu)縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As0—原結(jié)構(gòu)縱向受拉鋼筋截面面積；fay—加固鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aa—加固鋼板截面面積；—原結(jié)構(gòu)縱向受壓鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A’so—原結(jié)構(gòu)縱向受壓鋼筋截面面積；fcm0—原結(jié)構(gòu)混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；X—混凝土受壓區(qū)高度；b0—原構(gòu)件的寬度；h0—原構(gòu)件的有效高度；—原構(gòu)件的受壓區(qū)保護(hù)層厚度；0.9—考慮加固鋼板的應(yīng)力滯后、以及撕脫力影響等強(qiáng)度折減系數(shù)。
2.4.2.2 鋼板錨固長度計(jì)算
(1) 受拉鋼板在其加固點(diǎn)外的錨固粘結(jié)長度L1 ,按式(2-6)確定。
L1≥2fayta/fcv (2-6)
式中，Ta—受拉加固鋼板厚度; fcv—被粘混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
公式中數(shù)值2為錨固區(qū)剪應(yīng)力分布不均勻系數(shù),近似按三角形考慮。
(2) 若鋼板粘結(jié)長度無法滿足上述要求,可在鋼板的端部錨固區(qū)粘結(jié)U型箍板，如圖4。
圖4 粘貼鋼板法加固計(jì)算圖式
此時(shí)，錨固區(qū)的長度應(yīng)滿足下列規(guī)定：
當(dāng)fvb1≤2fcvLu時(shí)
f≤0.5f(2-7)cvb1L1+0.7nfvbbb1 ayAa
當(dāng)fvb1>2fcvLu時(shí)
f ayAa≤(0.5b1L1+ nbuLu) fcv (2-8)
式中，n—每端箍板數(shù)量; bu—箍板寬度; Lu—箍板單肢的梁側(cè)混凝土的粘結(jié)長度;fv—鋼與鋼粘結(jié)抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
2.4.2.3 斜截面粘結(jié)鋼板加固計(jì)算
當(dāng)構(gòu)件斜截面受剪承載力不足時(shí),按下圖所示方法粘結(jié)并聯(lián)U型箍板進(jìn)行加固。
如圖5，此時(shí)斜截面受剪承載力
V≤Vo+2fayAalLu /S (2-9)
同時(shí)，必須滿足以下條件：
L≥(2-10) 1.5 u /S
式中，V—斜截面剪力設(shè)計(jì)值; V0—原構(gòu)件斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值; Aal—單肢箍板截面面積; S—箍板軸線間距。
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