2.3 碳纖維布加固法
2.3.1 碳纖維布加固機理
工程材料的進步及新材料的出現(xiàn)歷來是土木結構工程發(fā)展的先驅和動力。碳纖維材料的出現(xiàn)和成功應用于土木工程的加固和補強上，使土木工程加固技術研究更上一個臺階。碳纖維是一種新型材料,因其質輕、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高而被廣泛應用。碳纖維布(片)加固法亦被視為梁式橋加固補強、提高承載能力,尤其是當高度受限制時的首選加固方法,其施工工藝也很簡單。
2.3.2 碳纖維布加固法受力分析與設計計算
2.3.2.1 加固受力特點分析
(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原有結構的應力分布，保證在設計荷載范圍內與原結構共同受力；
(2)將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布用粘結材料粘貼到梁體底面或箱梁內壁上，使其與原結構一起參與受力，即碳纖維布可以與原結構內布置的鋼筋共同承受拉力，以提高橋梁的承載能力；
(3)沿橋梁的主拉應力方向(或與裂縫正交方向)粘貼碳纖維布，兩端分別設置錨固端；據(jù)此可約束混凝土表面裂縫、防止裂縫再擴展，從而達到提高構件抗彎剛度、減少構件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的；
(4)目前可用于橋梁結構加固用的碳纖維布、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)不同的結構部位和受力特點與方向等，選擇相應的碳纖維布進行加固；
(5)碳纖維布加固混凝土構件，在提高其受彎承載力的同時還可能影響受彎構件的破壞形態(tài)。當碳纖維布用量過多時，構件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉變?yōu)榛炷帘煌蝗粔核槠茐�。與此同時，由于碳纖維為完全彈性材料，它與鋼筋的共同工作會減弱鋼筋塑性性能對構件延性的影響。碳纖維布用量過多，構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強時，應根據(jù)實際情況合理使用；
(6)由于碳纖維布加固后在最后破壞時的突然性(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，一般應按碳纖維抗拉強度的2/3進行抗彎承載力計算；
(7)試驗研究證實，碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力，其作用機理與箍筋類似，同時還能明顯改善構件的變形性能，增強構件的變形能力；
(8)碳纖維布與混凝土基層界面，可分為兩個界面區(qū)，即混凝土層與粘結樹脂界面區(qū)、粘結樹脂與碳纖維布界面區(qū)。粘結性能的本質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械鎖結，微觀上表現(xiàn)為分子擴散后相互纏結作用，或化學鍵作用，或靜電吸引作用，或其復合作用。
2.3.2.2 碳纖維布加固計算要點
(1)采用碳纖維布加固橋梁，目前一般的計算方法是將碳纖維布按照一定的標準(例如強度或容許應力)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行理論分析。雖然是近似計算方法，但理論分析結果與實驗數(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 ——鋼筋的抗拉設計強度；
Rcf ——碳纖維布抗拉設計強度。
(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
(1)不增加恒載及斷面尺寸
碳纖維布的自重僅為200～300g/m2，設計厚度為0.111～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂系列的粘結材料的自重也很輕，對整個結構重量及橋下凈空的影響很小，可忽略不計。同時，碳纖維布可以多層粘結。根據(jù)加固的要求，碳纖維布可以在一個部位重疊粘貼，充分滿足加固的要求。這一優(yōu)點是傳統(tǒng)加固補強方式所難以比擬的。
(2)可適應不同構件形狀，成型很方便
斜、彎、坡及異型結構的補強，采用傳統(tǒng)的方法，施工難度大。采用碳纖維布補強法，因碳纖維布的隨型性極強的特點，可以隨結構外形變化任意施工，從而降低施工難度，減少施工成本，縮短施工工期，產(chǎn)生極大的社會及經(jīng)濟效益。
(3)施工簡便
特別是當箱梁內部的作業(yè)空間受到限制時，碳纖維布加固法是可選擇的一種方法。該法工藝簡便，無需大型設備、模板、夾具及支撐，操作起來簡單易行，因而施工所需工作面小，在作業(yè)空間受限制時，該優(yōu)點是其它加固方法無法比擬的。
(4)采用碳纖維布加固補強，對原結構不產(chǎn)生新的損傷
碳纖維布加固補強系采用環(huán)氧樹脂系列的粘結材料進行粘貼，不需要設置錨固螺栓及開鑿混凝土等，因而不會對已經(jīng)損傷的結構產(chǎn)生新的破壞，更可避免鉆孔時與結構內原有鋼筋和預應力索發(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，其高強高模量的特性還約束了混凝土結構裂縫的產(chǎn)生和擴展，改變了裂縫的形態(tài)，使寬而深的裂縫變成分散的細微的裂縫，從而提高了混凝土構件的整體剛度。
(6)碳纖維布(片)具有良好的耐化學腐蝕性
碳纖維布(片)一種復合材料，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，而且當應用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時，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)不影響結構的外觀
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構外觀顏色一致的涂料，而不影響結構的外觀。
2.4 粘貼鋼板加固法
2.4.1 粘貼鋼板法加固機理
貼鋼法加固橋梁一般采用環(huán)氧樹脂或建筑結構膠將鋼板、鋼筋或玻璃鋼等抗拉強度較高的材料粘貼在鋼筋混凝土受彎構件表面，使之與結構物形成整體，從而取得提高構件的抗彎能力，以及減少裂縫擴展的效果。該加固方法具有施工簡便，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、范圍與強度可視設計構造需要靈活設置，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 粘貼鋼板法計算理論
2.4.2.1 受彎構件的計算
受彎構件截面強度不足時在受拉區(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，按截面受彎承載力計算，可按照現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定進行，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 —原結構縱向鋼筋抗拉強度設計值；As0—原結構縱向受拉鋼筋截面面積；fay—加固鋼板抗拉強度設計值；Aa—加固鋼板截面面積；—原結構縱向受壓鋼筋抗拉強度設計值；A’so—原結構縱向受壓鋼筋截面面積；fcm0—原結構混凝土彎曲抗壓強度設計值；X—混凝土受壓區(qū)高度；b0—原構件的寬度；h0—原構件的有效高度；—原構件的受壓區(qū)保護層厚度；0.9—考慮加固鋼板的應力滯后、以及撕脫力影響等強度折減系數(shù)。
2.4.2.2 鋼板錨固長度計算
(1) 受拉鋼板在其加固點外的錨固粘結長度L1 ,按式(2-6)確定。
L1≥2fayta/fcv (2-6)
式中，Ta—受拉加固鋼板厚度; fcv—被粘混凝土抗剪強度設計值。
公式中數(shù)值2為錨固區(qū)剪應力分布不均勻系數(shù),近似按三角形考慮。
(2) 若鋼板粘結長度無法滿足上述要求,可在鋼板的端部錨固區(qū)粘結U型箍板，如圖4。
圖4 粘貼鋼板法加固計算圖式
此時，錨固區(qū)的長度應滿足下列規(guī)定：
當fvb1≤2fcvLu時
f≤0.5f(2-7)cvb1L1+0.7nfvbbb1 ayAa
當fvb1>2fcvLu時
f ayAa≤(0.5b1L1+ nbuLu) fcv (2-8)
式中，n—每端箍板數(shù)量; bu—箍板寬度; Lu—箍板單肢的梁側混凝土的粘結長度;fv—鋼與鋼粘結抗剪強度設計值。
2.4.2.3 斜截面粘結鋼板加固計算
當構件斜截面受剪承載力不足時,按下圖所示方法粘結并聯(lián)U型箍板進行加固。
如圖5，此時斜截面受剪承載力
V≤Vo+2fayAalLu /S (2-9)
同時，必須滿足以下條件：
L≥(2-10) 1.5 u /S
式中，V—斜截面剪力設計值; V0—原構件斜截面受剪承載力設計值; Aal—單肢箍板截面面積; S—箍板軸線間距。
|
公司新聞
