選混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)及其適用性

【摘要】混凝土本身作為建筑工程建設(shè)過程中至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)材料，目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了各種不同形式的建筑工程之中。但隨著人們要求的不斷提升，以及技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)形式的混凝土已經(jīng)無法更好的滿足工程結(jié)構(gòu)性能需求，而要讓混凝土的結(jié)構(gòu)性能有所提升，就務(wù)必要對相應(yīng)的加固技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。本篇文章主要針對選混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)以及技術(shù)適用性進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討。

【關(guān)鍵詞】混凝土結(jié)構(gòu)；碳纖維；加固技術(shù)；適用性

通過高性能的纖維類型材料，例如碳纖維材料來對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固之后，混凝土所呈現(xiàn)出的耐久性更強(qiáng)，再無需增大結(jié)構(gòu)截面的情況下，能夠使得荷載性能大幅度提升，同時(shí)外觀也不會(huì)有任何差異性。該碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)目前已經(jīng)開始在抗震結(jié)構(gòu)、抗剪結(jié)構(gòu)、抗彎結(jié)構(gòu)的加固中得到了應(yīng)用。并且就實(shí)際情況來看，碳纖維加固技術(shù)本身實(shí)際上有著相對的適應(yīng)范圍，使用的過程中要依據(jù)實(shí)際情況來確定。下文主要對于選混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)以及技術(shù)性進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討。

1、碳纖維用于抗震加固

1.1工程概況和加固方案

某多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在完成施工后進(jìn)行驗(yàn)收期間，明顯發(fā)現(xiàn)有9根框架柱所呈現(xiàn)出的強(qiáng)度與工程要求不符合，其中的軸壓比超過正常水準(zhǔn)，根本無法切實(shí)有效的滿足軸壓比限值要求，針對該情況進(jìn)行研究后，決定使用碳纖維布的方式對柱體進(jìn)行加固。原因有兩個(gè)方面：碳纖維包裹加固后，混凝土?xí)艿江h(huán)箍影響，提升軸心抗壓強(qiáng)度；碳纖維包裹下呈現(xiàn)出的橫向約束效果，能夠極大的提升柱體本身在水平荷載下的延性。

1.2加固承載力和延性分析

經(jīng)碳纖維加固后，可以顯著提高框架柱的抗剪承載力和延性。

原結(jié)構(gòu)為800mm×800mm框架柱，層高3.6m。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，碳纖維加固后抗剪承載力的提高可按下式計(jì)算：

VCFS=νρCFSfCFSbho

對本工程的全包裹加固方案，該公式可改寫為：

VCFS=2νtfCFSho

式中，t為包裹的碳纖維厚度，fCFS為碳纖維的極限抗拉強(qiáng)度，ho為混凝土截面有效高度，ν為碳纖維布受剪系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中n為軸壓比，λ為剪跨比，λsv+λCFS為總配箍特征值。

設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C40，按此計(jì)算，單根柱的抗剪承載力應(yīng)為1312KN。對強(qiáng)度較低的3根柱，最低混凝土強(qiáng)度為28.3Mpa，未加固時(shí)的抗剪承載力為1031KN。包裹3層碳纖維，可算出承載力提高值為319KN，則加固后總承載力為1350KN，高于設(shè)計(jì)承載力。對另6根柱，最低混凝土強(qiáng)度為35Mpa，未加固時(shí)的抗剪承載力為1209KN。包裹2層碳纖維，可算出承載力的提高值為246KN，加固后總承載力為1455KN，也高于設(shè)計(jì)承載力。

根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)軸壓比確定時(shí)，碳纖維加固柱延性系數(shù)μ隨強(qiáng)剪弱彎系數(shù)Vs/VM基本呈線性增長。當(dāng)軸壓比為0.48時(shí)，有如下擬合公式：

μ=-1.278+5.233Vs/VM

由上式可見，碳纖維抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系數(shù)就越大。

另外，當(dāng)延性系數(shù)保持不變時(shí)，配箍特征系數(shù)與軸壓比有如下關(guān)系：

上式表明，當(dāng)軸壓比增大時(shí)，為保持延性系數(shù)不變，應(yīng)適當(dāng)增加配箍率。

按保守估算，對本工程假設(shè)由于混凝土強(qiáng)度降低導(dǎo)致柱軸壓比增大值為0.3，則對應(yīng)所需的配箍特征系數(shù)增量為0.066，本加固方案完全滿足要求。

2、碳纖維用于樓板抗彎加固

碳纖維材料所呈現(xiàn)出的較高抗拉強(qiáng)度，實(shí)際上可以直接使用在混凝土的抗彎加固需求中。在抗彎加固中，纖維所粘貼的方向必須要完全和構(gòu)件本身的主受力方向相同。此外，在對計(jì)算機(jī)采取結(jié)構(gòu)抗彎承載力加固期間，還必須要對碳纖維帶來的強(qiáng)度折減加以考慮。

3、碳纖維加固方法的適用性

通過以上的描述，能夠明顯看到的是，碳纖維材料能夠直接使用到抗彎、抗震、抗剪等方面的加固中。但需要了解的是，由于碳纖維所呈現(xiàn)出的加固特性有受力的特點(diǎn)，這導(dǎo)致部分混凝土結(jié)構(gòu)無法使用碳纖維加固，必須要針對其具體適用性加以探討。

3.1剛度問題

在屋蓋結(jié)構(gòu)、混凝土樓本身剛度不足，并且變形量過大的情況下，將可能會(huì)給建筑安全帶來隱患，而這類型的混凝土結(jié)構(gòu)便無法使用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固處理。大量研究證據(jù)表明，某些梁板式橫向受力構(gòu)件，如果說使用碳纖維加固，那么所呈現(xiàn)出的剛度提升幅度不會(huì)超過10%，甚至沒有任何提升。

3.2碳纖維抗彎加固的適用范圍

在混凝土結(jié)構(gòu)是由于抗彎承載能力無法滿足各方面需求的情況下，需要直接使用碳纖維布材料進(jìn)行加固的情況下，那么加固結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的破壞形態(tài)本身主要是在原結(jié)構(gòu)的配筋參數(shù)下受到直接影響，而另外一方面情況下，則是由具體所使用的碳纖維量大小來決定。就目前階段來說，在原結(jié)構(gòu)本身為適筋構(gòu)件形式的情況下，那么加固結(jié)構(gòu)具體的破壞形態(tài)主要會(huì)表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

⑴碳纖維用量較少。在發(fā)生破壞的過程中，其受壓區(qū)域的邊緣，會(huì)由于碳纖維用量不足，而導(dǎo)致鋼筋受拉之后，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，但利用加大碳纖維用量的方式，能夠使得結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)變大幅度提升。

⑵碳纖維用量適中。在遭受破壞時(shí)，其結(jié)構(gòu)邊緣的混凝土?xí)粔核椋芾摻钜餐耆?，通過對碳纖維的利用，可以使得結(jié)構(gòu)本身達(dá)到一個(gè)中等的拉應(yīng)變狀態(tài)下。

⑶碳纖維用量較多。在遭受破壞影響的過程中，受壓區(qū)域的邊緣，混凝土?xí)恢苯訅核椋瑫r(shí)鋼筋在受拉影響下完全屈服，碳纖維在這一過程中所呈現(xiàn)出的應(yīng)變性較差。

從以上三方面問題，能夠明顯看出的是，第三種情況下，由于過量的碳纖維使用，所呈現(xiàn)出的強(qiáng)度利用率并不高；第一種加固措施，能夠使用在截面高度等級大的梁柱上，而第二類適中的添加方式，則可以使用在高度小的扁梁或者是板結(jié)構(gòu)中。

3.3抗扭問題

對于碳纖維材料進(jìn)行的混凝土結(jié)構(gòu)抗扭加固方面，我國實(shí)際上還沒有進(jìn)行過多的研究。而僅僅從混凝土結(jié)構(gòu)本身呈現(xiàn)出的破壞機(jī)理上進(jìn)行觀察來看，碳纖維的使用方向無論是與軸線平行還是垂直，都可以起到一定程度的扭轉(zhuǎn)斜裂縫約束效果，達(dá)到結(jié)構(gòu)性能加固的目的。

但在實(shí)際使用的過程中，其構(gòu)件的裂縫實(shí)際上已經(jīng)形成，裂縫走向也基本穩(wěn)定；其碳纖維本身的極限應(yīng)變能力雖然說能夠達(dá)到10000με以上，但是普通的鋼筋應(yīng)用僅僅在不到2000με的狀況下便會(huì)屈服，如果說應(yīng)變達(dá)到4000με以上，那么裂縫寬度已經(jīng)較大，結(jié)構(gòu)破壞已經(jīng)形成。所以，碳纖維具體呈現(xiàn)出的受扭構(gòu)件加固效果還需要進(jìn)行深入研究。

4、結(jié)論

綜上所述，碳纖維加固法雖然能夠強(qiáng)化結(jié)構(gòu)本身的抗剪、抗彎、抗震等方面的性能，但是使用范圍有所局限，進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)化能力計(jì)算期間，必須要將碳纖維的強(qiáng)度折減效果加以考慮。要注意的是，碳纖維加固技術(shù)無法使用在本身剛度不足的極限加固需求，即便是要使用，所呈現(xiàn)出加固效果和經(jīng)濟(jì)性也并不高，這方面的問題還需要全面深入的研究。