碳纖維材料在加固混凝土結構中的應用研究

易義東

摘要:隨著碳纖維材料的技術的成熟,碳纖維材料(CFRP)已成為應用于土木工程加固修復中最廣泛應用的一種高科技材料。本文簡單介紹了碳纖維加固技術的發展,重點對CFRP加固混凝土結構原理及設計原則進行了探討。

關鍵詞:碳纖維材料;加固技術;設計原則

1 碳纖維加固技術的發展概況

二十世紀60年代,為解決近海地區和氣候寒冷地區的鋼筋混凝土結構遭受鹽蝕危害的問題,美國Mashsll-vega公司生產出玻璃纖維(GFRP)加強筋用于混凝土結構,這是CFRP研究和應用的開始。從七十年代末期開始了這種產品的商業應用。八十年代初,纖維增強塑料(FRP)加強筋逐漸大量地應用于有特殊性能要求的結構物,尤其是受有嚴重化學侵蝕的結構物。例如,對于有磁共振圖象醫療設備的混凝土結構,傳統的鋼筋混凝土就不能適用,而選擇無磁性的GFRP加筋鋼筋混凝土是很適用的。此外,在一些海堤、工廠廠房屋面板、處于侵蝕性環境的混凝土樓板等,FRP產品越來越得到廣泛的應用。

1983年,荷蘭AK20與HBG決定合作研究以芳族聚酞胺纖維為材料的預應力構件,并起名叫Arapee,Arapee包含有成束的裹在環氧樹脂中的芳族聚酞胺纖維。制作的構件荷圓柱狀。實際工程中的應用是很有限的。主要集中在截面尺寸較小的部位。因為與普通鋼筋混凝土構件相比,Arapee制作的構件不需要混凝土的保護層,就焊就可以減少截面的尺寸。

加拿大第一座預應力公路大橋及中央大街大橋,由采用CFRP預應力絞線的大梁組成,這座橋在1994年完工。同樣,在Pontethaven大橋計劃用4根91股 5的CFRP線材所組成的絞線代替相應預應力鋼絞線。這說明CFRP布或板進行混凝土結構加固的技術在一些國家己經很成熟了。我國在土木工程中CFRP材料的研究和制備,開始得較早,幾乎與國外同步。但因種種原因,發展較慢,只是最近幾年,FRP的研究相應有了較大的發展。概括起來,碳纖維材料在土木工程中應用有以下幾種途徑:

在攪拌混凝土的同時加入短纖維制成碳纖維混凝土,用于新建結構,現已應用于某些工程。

CFRP預應力索、絞線,可取代鋼絞線,建成預應力結構或單獨使用于錨桿及懸索橋等結構中。

長絲制成束狀(棒材)在現澆混凝土中代替鋼筋用于新建結構,主要用于海洋結構及電磁波有特殊要求的結構,現己有研究并開始應用于實際工程。

將碳纖維制成織物(片材),粘貼到混凝土表面用于結構的補強與加固是實際工程中應用最多的一種。

2CFRP加固混凝土結構原理

CFRP加固混凝土結構受力性能與一般未經加固的普通混凝土結構有較大差異。結構屬二次受力結構,即加固前原結構己經承受荷載受力(即第一次受力),尤其是當結構因承載能力不足而進行加固時,截面應力、應變水平一般都很高,然而,新加部分在加固后并不立即分擔荷載,而是在新增荷載下,即第二次加載情況下,才開始受力。這樣,整個加固結構在其后的第二次載荷受力過程中,新加部分的應力、應變始終滯后于原結構的累計應力、應變,原結構的累計應力、應變值始終高于新加部分應力、應變值,原結構達極限狀態時,新加部分的應力應變可能還很低,破壞時,新加部分可能達不到自身的極限狀態,其潛力可能得不到充分發揮。而目前的許多簡化計算碳纖維布抗彎加固計算中普遍不考慮結構的二次受力,這種簡化方法過高地估算了構件的實際抗彎承載力。當在恒載較少的情況下,引起的誤差較小,但若須加固的結構所受的恒載較大的情況,這種計算方法是偏向不安全。因此,在加固結構的設計計算時,考慮二次受力有著特別重要的意義。

CFRP加固混凝土結構屬二次組合結構,纖維布加固混凝土結構的整體效果主要通過其與混凝土之間良好的粘結來實現。任何引起粘結區域破壞的因素都可能導致結構發生突然破壞而達不到加固的預期效果,因此設計CFRP加固混凝土構件時必須考慮CFRP布在切斷點以及彎曲引起的裂紋處的剪力和法向剝離應力最大值。當碳纖維布與混凝土粘結區域中多種應力作用形成的主應力

超過混凝土的抗拉(剪)強度時就會發生剝離破壞。

CFRP加固混凝土結構基本計算假定。CFRP加固混凝土結構的承載力與新舊兩部分的應力差值或應變差值直接相關,與原混凝土結構的極限變形值有關,與兩部分材料的應力-應變關系有關。

3 CFRP加固混凝土結構的設計方法

3.1抗彎設計

受壓區外貼CFRP加固的梁在荷載作用下的抗彎設計主要基于受壓區混凝土的受壓破壞、受拉區纖維的拉斷以及其它兒項提前破壞形式,而不象傳統的鋼筋混凝土梁以鋼筋屈服為標準進行設計。碳纖維抗拉強度在3000MPa-4500MPa之間,遠遠高于鋼筋的屈服強度,而且在整個加載過程中都呈線彈性,直至拉斷。因此CFRP加固后的梁在鋼筋屈服后其承載力繼續增加,最后導致脆性破壞?？偟脑瓌t設計是:

設計中材料斷面面積的要求量應根據應力-應變關系和拉區拉力的需求來確定,不能根據等量的鋼筋斷面面積來確定。

幾種在設計中應盡量避免的提前破壞形式是:1、CFRP粘結處混凝土基層的拉剪破壞(錨固破壞);

梁豎向裂縫導致的粘結剝離;

梁的斜截面抗剪破壞。為保證梁在破壞前有足夠的延性和安全儲備,ACF-440E委員會規程建議:

在混凝土受壓破壞或CFRP拉斷之前,受拉鋼筋應變值達0.5%以上,可以認為梁具有足夠的延度;可以通過合理的錨固設計來避免提前破壞的出現。CFRP層數越多,它與混凝土基面的粘結應力就越高。應驗算CFRP粘貼面積和強度是否足夠;極限拉應力主要由不考慮CFRP貢獻的部分承擔。沒有CFRP的梁應能持續承受靜載、部分活荷載及環境荷載,這個考慮是為了防止諸如火災、意外破壞等造成意外倒塌。

原則上按照ACI318有關強度功能要求進行設計,當對材料、基本情況等不確定時,應選擇使用保守的強度折減系數。

3.2抗剪設計

CFRP的抗剪作用可以通過沿假定裂縫方向上的纖維的應力和面積來計算分析,在設計時應滿足:

計算CFRP的作用時,CFRP的受拉應變值應限制在0.4%以內,以保證此時混凝土的抗剪作用有效(齒合作用有效)并減小撓度變形。應對粘結應力進行細致分析,以保證該加固方法的有效性。對CFRP條的間距進行限制,使其能保證抗剪的有效性。整個抗剪約束作用之和,即FRP對抗剪強度的提高部分與箍筋的作用之和應小于其有關規定。

3.3 抗壓及延性的提高

圓形及矩形截面的受壓構件均可以采用外包CFRP的方法進行加強。CFRP的約束作用可以顯著提高混凝土的極限應變及極限強度。

矩形截面的加強效果不如圓形截面的好,根據構件的幾何尺寸,相關比率、鋼筋的約束形式可以確定兩者的有效性系數。

CFRP的應變依據應變協調原理,根據軸向壓力引起的徑向壓應變來計算。

延性的提高來源于在混凝土受壓破壞前壓應變的提高能力,CFRP外套也能防止縱向鋼筋在受壓時的屈服?？梢圆捎肅FRP箍來加強混凝土受壓構件在地震時的塑性變形能力。

二十一世紀,隨著碳纖維材料的國產化進程和材料技術的不斷進步,碳纖維材料無疑將會帶來最大的經濟效益和社會效益,因此研究這種新興材料的設計原理和設計方法及有關施工技術具有十分重要的現實意義。

參考文獻

[1]龍海燕,纖維增強材料加固柱型構件性能研究評述,建筑技術開發,2002.

[2]王敬,碳纖維片加固混凝土結構經濟技術分析,工業建筑,2002.

[3]羅荃隆,碳纖維布加固技術應用及發展中的幾個問題,四川建筑科學研究,2001.