碳纖維布加固補強受力分析與設計計算

那傲峰

(黑龍江省林業設計研究院)

用膠結材料把碳纖維增強復合材料貼于被加固構件的受拉區域,使其與被加固截面共同工作達到提高構件承載能力的目的。除具有粘貼鋼板相似的優點外還具有耐腐蝕、耐潮濕、幾乎不增加結構自重、耐用、維護費用較低等優點,但要專門的防火處理,適用于各種受力性質的混凝土結構構件和一般構筑物。

粘貼碳纖維片加固修復混凝土結構時,應按國家規行規范進行承載能力計算和驗算。

1 碳纖維布加固舊橋的特點

1.1 不增加恒載及斷面尺寸

碳纖維布的自重僅為 200～300 g/m3,設計厚度為0.111～0.167mm,加上環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微乎甚微,可忽略不計。同時,碳纖維布可以多層粘貼。根據補強的要求,碳纖維布可以在一個部位重疊粘貼,充分滿足補強的要求。

1.2 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,采用傳統的方法,施工難度極大,采用碳纖維布補強法,因碳纖維布具有隨形性極強的特點,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,能產生巨大的社會效益及經濟效益。

1.3 施工簡便

特別是當箱梁內部的作業空間受到限制時,碳纖維布加固方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,因而施工時所需工作面小,在作業空間受限制時。該優點是其他加固方法所無法比擬的。

1.4 采用碳纖堆布加固補強,對原結構不產生新的損傷

碳纖維布加固補強系采用環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,因而不會對已經損傷的結構產生新的破壞,更可避免鉆孔時與結構內原有鋼筋和預應力索發生沖突而引起新的問題。

1.5 能有救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生成與擴展,改變了裂縫的形態,使寬而深的裂縫變成分散的細微裂縫,從而提高了混凝土構件的整體剛度。

1.6 碳纖維布(片)具有優良的耐化學腐蝕性

碳纖維布(片)是一種復合材料,幾乎無腐蝕性和磁性,并且具有較好的耐熱性,不僅能經得起水泥堿性的侵蝕,而且當應用于經常受鹽害侵蝕等腐蝕性環境時,其壽命也較長。因而碳纖維布加固法,在不利環境下較其他方法更顯出其優越性。

1.7 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有結構外觀顏色一致的涂料,而不影響結構的外觀。

2 加固受力特點分析

(1)與傳統的其他加固方法相比,采用碳纖維市加固舊橋能最小程度地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)將抗拉性能優良的碳纖維布用粘結材料粘貼到梁體底面或箱粱內壁上,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一道共同承受拉力,以提高舊橋的承載能力。

(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、改善梁體受力狀態的目的。

(4)目前可用于舊橋結構加固用的碳纖維布有單向碳纖維布、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,可根據不同的結構部位和受力特性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。當碳纖維布用置過多時,構件的破壞形態將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉變為混凝土被突然壓碎破壞。與此同時,由于碳纖維為完全彈性的材料,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,構件延性將有所降低。因此,磷纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋的加固樸強時,應根據實際情況合理使用。

(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.即混凝土基層與粘結樹脂界面區、粘結樹脂與碳纖維布界面區。牿結性能的本廈是接觸面間的相互作用,宏觀上表現為液態聚臺物浸潤表面后形成的機械鎖結,微觀上表現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,或其復臺作用。

3 碳纖維布加固設計計算要點

(1)采用碳纖維布加固舊橋,目前一般的計算方法是將碳纖維布按照一定的標準(例如強度或允許應力)近似換算成一定用量的鋼筋,然后按照傳統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據吻合得很好,因此在一般情況下是適用的。

(2)碳纖維布加固用量,可按式估算

式中:Acf為碳纖維布用量(面積);As為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積;Ry為鋼筋的抗拉設計強度;Rcf為碳纖維布的抗拉設計強度。

(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、角廢料等裁剪損耗等。