碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”及其提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力的分析

【摘? 要】我國(guó)是碳纖維制造大國(guó)，中國(guó)擁有世界上最多的碳制造加工業(yè)，當(dāng)今世界面臨著環(huán)境日益惡劣的嚴(yán)重考驗(yàn)，各國(guó)都開(kāi)始應(yīng)用一些節(jié)能環(huán)保能源，隨著我國(guó)的工業(yè)技術(shù)的不斷完善，我國(guó)對(duì)于碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”也越來(lái)越更加地成熟，碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”在我國(guó)的許多工業(yè)都有著不可替代的應(yīng)用技術(shù)，在某些輕工業(yè)中用途非常廣泛，有著不可取代的作用，在鋼結(jié)構(gòu)作為主體的部分，碳纖維是整個(gè)結(jié)構(gòu)的支架，鑒于此，筆者將對(duì)碳纖維的一些有關(guān)知識(shí)概念進(jìn)行具體分析，以及重點(diǎn)描述碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”及其提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力的分析。

【關(guān)鍵詞】碳纖維;加固;反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù);鋼結(jié)構(gòu)承載能力

1.碳纖維基本特征介紹

碳纖維是目前研發(fā)出來(lái)的一種由有機(jī)纖維加熱處理過(guò)后的高強(qiáng)度的化工合成材料，含有碳量在90%以上，有高穩(wěn)定性和高強(qiáng)度性和材料輕盈的特點(diǎn)，不僅耐高溫，而且減震性能良好，操作方便，使用起來(lái)用途廣泛，已經(jīng)獲得了在鋼筋水泥鋼架橋的上應(yīng)用，當(dāng)然還有其他的化工用途，在許多的橋梁加固中也經(jīng)常能看到它的身影，并且取得了人們的廣泛好評(píng)，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的許多專家科研單位對(duì)碳纖維的這種材質(zhì)做了大量的理論研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維在不同的領(lǐng)域都可以相互應(yīng)用，而且發(fā)現(xiàn)碳纖維可以有效恢復(fù)化工結(jié)構(gòu)材料同時(shí)提高橋梁等一些大型建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，多年來(lái)，我國(guó)的鐵路橋的鋼結(jié)構(gòu)上經(jīng)常會(huì)有破損出現(xiàn)，過(guò)去對(duì)于在鐵路橋的鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)與加固，我們都是通過(guò)焊接和增大截面的方法，但是這些方法都有一定的缺陷，不能完全彌補(bǔ)常年要經(jīng)受風(fēng)吹日曬的鐵路橋的維護(hù)，而且這些方法施工難度較大，工藝復(fù)雜，耗費(fèi)人力財(cái)力較大，使結(jié)構(gòu)自重，造成更多的不可控安全因素，現(xiàn)在由于有了碳纖維的出現(xiàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用碳纖維可以更快有效的地恢復(fù)與提高橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，通過(guò)我國(guó)的一些科研專家的不懈研究，結(jié)合即降碳，微合金化和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，包括冶金工藝精煉，控?zé)峥乩湟约氨匾獣r(shí)的熱處理，這種由碳纖維生產(chǎn)出來(lái)的鋼板有著優(yōu)良穩(wěn)定的質(zhì)量，取代了傳統(tǒng)的在鐵路橋上利用焊接加固的形式。

隨著我國(guó)對(duì)有些高復(fù)合材料的需求不斷加大，碳纖維一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，從玻璃纖維與有機(jī)樹(shù)脂合成的玻璃鋼問(wèn)世以來(lái)，碳纖維也成功研制成功，發(fā)現(xiàn)這種材料材質(zhì)輕盈，穩(wěn)定性更強(qiáng)，同時(shí)經(jīng)過(guò)不斷的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)這種材料加固后的鋼結(jié)構(gòu)明顯比之前更加牢固，有效地提高了鋼結(jié)構(gòu)的剛度與柔韌性，而且多了防高溫的特性，但是這種材料也有許不足，碳纖維的橫截面積較小，而且它的彈性模量與鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量相近，于是在相同環(huán)境下經(jīng)過(guò)壓力的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩者的受壓力與承載力幾乎沒(méi)有變化，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)受到的形變沒(méi)有得到有效的減小。而鋼結(jié)構(gòu)是按照傳統(tǒng)模式加工制造而成，一般在強(qiáng)度設(shè)計(jì)，剛材篩選方面沒(méi)有過(guò)多要求，沒(méi)有考慮材料的塑性承載能力，因而在現(xiàn)有的技術(shù)上采用碳纖維貼合鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)還不夠完善，于是在這基礎(chǔ)上，我們提出了一種全新的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)——“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”。

2.如何進(jìn)行碳纖維的加固

碳纖維加固是建筑加固工程中的一種常用的加固手段，可以運(yùn)用到的地方很多，尤其是在建筑行業(yè)中，碳纖維加固越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，很多的施工單位都會(huì)優(yōu)先選擇碳纖維加固的方法，作為加固行業(yè)的寵兒，碳纖維加固有著很好的優(yōu)勢(shì)，那到底我們應(yīng)該如何進(jìn)行碳纖維的加固呢？筆者將碳纖維加固的方法進(jìn)行探討

2.1施工的準(zhǔn)備階段

在我們開(kāi)始一件工作事情之前，都需要了解這件工作的所需要的基本材料與知識(shí)，同樣地碳纖維加固也不例外，在進(jìn)行碳纖維加固工作之前，我們首先要熟悉施工圖紙，這樣有利于后面加固施工的進(jìn)行。通過(guò)對(duì)不同的施工要求和施工現(xiàn)場(chǎng)分析，對(duì)整體施工的材料選擇也極具意義，在進(jìn)行碳纖維的加固工作之前，我們首先也要做好準(zhǔn)備工作。

2.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面處理

在進(jìn)行碳纖維加固處理的時(shí)候，我們要對(duì)加固的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面進(jìn)行一定程度的清潔處理，對(duì)破損部分和殘缺部分進(jìn)行完全的排除，保證粘貼表面的堅(jiān)固性是符合可以粘貼碳纖維的基本要求，裸露的鋼筋外面也要進(jìn)行一定的雜物處理，加工的溫度和適度的控制同樣重要，環(huán)境的潔凈是對(duì)碳纖維加固工程施工以后更好的保養(yǎng)作保證。

2.3涂抹結(jié)構(gòu)膠

在進(jìn)行碳纖維加固時(shí)，會(huì)運(yùn)用到結(jié)構(gòu)膠，我們需要按照說(shuō)明書(shū)配制使用，按照比例混合均勻，粘貼碳纖作為加工工具的時(shí)候，需要有相對(duì)應(yīng)的環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠作為粘貼材料，為了保證粘貼的強(qiáng)度，以及粘貼的黏合度，需要底層的粘接劑完全地滲透到鋼筋混凝土的表面結(jié)構(gòu)種，在實(shí)際應(yīng)用中，黏度要經(jīng)過(guò)多次的實(shí)際測(cè)驗(yàn)來(lái)保證粘合程度符合安全范圍。

2.4粘貼碳纖維布

在構(gòu)件表面經(jīng)過(guò)相應(yīng)的清潔處理之后，要使用調(diào)配好的環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠，將根據(jù)要求裁剪好的碳纖維布料進(jìn)行粘接。手工粘貼過(guò)程中，應(yīng)該用手輕輕粘貼于構(gòu)件表面上，利用專用滾筒來(lái)實(shí)現(xiàn)氣泡的排除。這一過(guò)程應(yīng)該多次重復(fù)，從而保證樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠能夠完全的和碳纖維布料充分的結(jié)合。

2.5 表面防護(hù)及碳纖維布表面處理

鋼結(jié)構(gòu)的一般養(yǎng)護(hù)時(shí)間為一到兩周，當(dāng)然，可以根據(jù)施工環(huán)境的特點(diǎn)適當(dāng)延長(zhǎng)或者縮短。根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度的不同，來(lái)進(jìn)行操作和檢查，固化樹(shù)脂結(jié)構(gòu)之后，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求在碳纖維表面刷一層防曬漆或者防火漆，來(lái)保證工程的整體安全性。在碳纖維加固的時(shí)候，對(duì)于材料的選擇也是很重要的，因?yàn)椴煌奶祭w維加固材料所起到的作用是有差別的，還有的就是不同品牌的碳纖維材料加固的效果是不一樣的。碳纖維加固是需要按照施工步驟來(lái)進(jìn)行的，這樣可以確保加固施工的順利完成，也可以保證碳纖維加固的質(zhì)量。

2.6碳纖維加固的數(shù)學(xué)計(jì)算公式：

我們知道在傳統(tǒng)的碳纖維加固的技術(shù)下，為了滿足鋼結(jié)構(gòu)器材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)截面的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變應(yīng)該滿足他們的數(shù)學(xué)表達(dá)如圖1所示：

3.碳纖維的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”

碳纖維的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”是最新的一種科研技術(shù)，它主要是靠傳統(tǒng)的外部作用力與碳纖維技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，在具體實(shí)施的時(shí)候，考慮結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的基礎(chǔ)上，給出了利用碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)正截面上的預(yù)應(yīng)力與應(yīng)變分布的解析解，在理論推導(dǎo)上說(shuō)明了該技術(shù)可以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力，首先利用合適的作用力對(duì)剛體表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行可塑性形變，讓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反向變形，并在該變形的形態(tài)下面加工碳纖維，當(dāng)碳纖維與鋼梁等結(jié)構(gòu)兩者結(jié)合在一起，并可靠穩(wěn)定后，撤掉施加壓力的設(shè)備，該過(guò)程如圖2所示。

4.鋼結(jié)構(gòu)承載能力測(cè)試

碳纖維加固的鋼結(jié)構(gòu)的鋼材都要進(jìn)行一定的鋼結(jié)構(gòu)承載能力測(cè)試，在該階段的測(cè)試可以分為兩個(gè)階段，一種是由于反拱作用施加在梁或者鋼結(jié)構(gòu)上面的預(yù)應(yīng)力，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如圖3表示（通過(guò)圖二的三個(gè)計(jì)算公式可以求該次測(cè)試的預(yù)應(yīng)力大小）;二是在荷載作用在鋼結(jié)構(gòu)上引起的應(yīng)變作用，由于碳纖維與鋼結(jié)構(gòu)材料的彈性強(qiáng)度相似，所產(chǎn)生的形變量相似，即當(dāng)材料達(dá)到最大的形變程度時(shí)，應(yīng)變?cè)黾拥耐瑫r(shí)，應(yīng)力卻保持不變，即在纖維應(yīng)力達(dá)到纖維斷裂程度的極限之前，認(rèn)為該材料可以滿足鋼結(jié)構(gòu)的最大承載力，因?yàn)橐坏├w維斷裂后便不再承受任何應(yīng)力，而此次的鋼結(jié)構(gòu)的承載能力測(cè)試也就以失敗而告終。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)碳纖維加固方法的介紹以及重點(diǎn)介紹“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”，以及在碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的承載力方面作了部分理論知識(shí)推導(dǎo)，通過(guò)理論知識(shí)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)傳統(tǒng)碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的方法效果不明顯的問(wèn)題，將“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”應(yīng)用于碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)，給出了應(yīng)用該技術(shù)加固鋼結(jié)構(gòu)極限承載力的計(jì)算公式，結(jié)果表明該方法可以作為鋼結(jié)構(gòu)加固的有效方法，顯著提高鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫寶俊：現(xiàn)代PRC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).南京：南京出版社，1995

[2] 岳清瑞：我國(guó)碳纖維加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望.工業(yè)建筑，2001（10）：23-26

作者簡(jiǎn)介：張昊（1985.11-），男，漢族，甘肅人，本科，工程師（中級(jí)），研究方向?yàn)楣I(yè)建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型（結(jié)構(gòu)專業(yè)）。

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司合肥分公司? ? 安徽合肥? ? 230000