探討碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

吳洪翔

摘 要：本文作者根據(jù)自己多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析探討，同時(shí)提出了自己的看法及意見(jiàn)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維；混凝土；結(jié)構(gòu)；加固

1 前言

目前應(yīng)用最廣泛的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足帶來(lái)的安全問(wèn)題仍普遍存在。究其原因，一方面，早先設(shè)計(jì)和建造的建筑物由于使用功能的改變，結(jié)構(gòu)已不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；另一方面，建筑結(jié)構(gòu)雖符合規(guī)范要求，但由于環(huán)境等因素的影響，出現(xiàn)了混凝土裂縫、表層碳化、鋼筋銹蝕、外部腐蝕和超載運(yùn)行等問(wèn)題。針對(duì)這種現(xiàn)狀，對(duì)鋼筋混凝土加固設(shè)計(jì)等方面的研究成了近年來(lái)的一個(gè)熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)碳纖維材料的特性、加固原理的研究，并結(jié)合“四方塘市場(chǎng)”的加固專項(xiàng)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固的設(shè)計(jì)與應(yīng)用介紹如下。

2 碳纖維材料

碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維（GF）相比，模量是其3倍多；與凱芙拉纖維（K-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸性和堿性中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在NaOH強(qiáng)堿溶液中，經(jīng)過(guò)20多年，至今仍保持纖維形態(tài)。高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束后，用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬，形成碳纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料片材。片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在2 400-3 400MPa之間，而普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度僅為240 MPa。與鋼材相比，碳纖維片材的單位重許多，且碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸、堿、鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，并具有良好的耐寒和耐熱性。

2.1 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理

在結(jié)構(gòu)受拉面貼上專門配制的環(huán)氧樹(shù)脂將碳纖維片材，等到樹(shù)脂固化后，碳纖維片即可與原結(jié)構(gòu)形成新的受力復(fù)合體與鋼筋共同受力。由于碳纖維片分擔(dān)了荷載、降低了鋼筋的應(yīng)力，而使結(jié)構(gòu)得到加固補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)碳纖維加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能得到顯著改善。主要表現(xiàn)為：（1）改變結(jié)構(gòu)狀態(tài)：減少結(jié)構(gòu)變形，降低原有結(jié)構(gòu)應(yīng)力，減消裂縫。（2）改變結(jié)構(gòu)體系：改變墻、柱位置和樓板開(kāi)洞。（3）糾正設(shè)計(jì)與施工失誤：解決配筋不足、構(gòu)件截面不足等問(wèn)題。

2.2 加固優(yōu)點(diǎn)

（1）高強(qiáng)高效：與普通鋼相比，碳纖維布抗拉強(qiáng)度高10-15倍，彈性模量則相近。（2）施工便捷：無(wú)濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具和現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工簡(jiǎn)單，工期短。（3）耐久性和耐腐蝕性好：耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕，不需定期維護(hù)。（4）適用面廣：可用于各種類型和形狀的混凝土結(jié)構(gòu)，不會(huì)改變結(jié)構(gòu)形狀、不影響外觀。（5）施工質(zhì)量易于保證：即使加固表面不大平整，仍可保證100%的有效粘貼。（6）加固層很薄、重量輕：加固修補(bǔ)后，基本不增加自重和不改變外形尺寸。

2.3 加固應(yīng)用范圍

可用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪加固，以及各類工業(yè)與民用建筑物、構(gòu)造物的防震、防裂、防腐的補(bǔ)強(qiáng)。

3 加固設(shè)計(jì)

3.1 基本方法

按照現(xiàn)行規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋量，與現(xiàn)有配筋量進(jìn)行比較，凡配筋不足的部分采用碳纖維材料補(bǔ)足。在加固設(shè)計(jì)中，彎曲率加固設(shè)計(jì)和抗彎強(qiáng)度計(jì)算是設(shè)計(jì)中的核心步驟。

3.2 彎曲率加固設(shè)計(jì)

（1）力的平衡條件，即計(jì)算出剖面中心軸位置。（2）從力矩平衡設(shè)想到各種材料的彈性率、剖面面積、離中心軸距離，并計(jì)算出剖面二次力矩。（3）計(jì)算出承受彎曲力矩各種材料在加固前產(chǎn)生的應(yīng)力。（4）比較各種材料上產(chǎn)生的應(yīng)力和各種材料的容許應(yīng)力，以決定是否需加固：當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力大于容許應(yīng)力，則不必加固；若小于容許應(yīng)力時(shí)，則需加固。（5）計(jì)算出加固后承受彎曲力矩的各種材料上產(chǎn)生的應(yīng)力。（6）比較各種材料上產(chǎn)生的應(yīng)力及各種材料的容許應(yīng)力，若產(chǎn)生應(yīng)力大于容許應(yīng)力，則加固量妥當(dāng)；若小于容許應(yīng)力，則加固量不妥當(dāng)。

3.3 加固抗彎強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)加固試驗(yàn)梁的破壞特性，在極限狀態(tài)下，受拉鋼筋屈服，破壞由碳纖維拉斷誘發(fā)，參照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中抗彎設(shè)計(jì)計(jì)算的基本原理，假定：

（1）混凝土梁受彎后，變形規(guī)律符合平截面。（2）鋼筋為理想彈塑性材料。（3）混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》所建議的關(guān)系式；在極限狀態(tài)下，受壓區(qū)混凝土應(yīng)力等效為矩形應(yīng)力塊，應(yīng)力強(qiáng)度為混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度。（4）忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度。（5）在極限狀態(tài)下，碳纖維的應(yīng)力達(dá)抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

以梁加固為例，在極限狀態(tài)下，加固梁的截面應(yīng)力見(jiàn)圖1。

圖1 極限狀態(tài)下截面應(yīng)力示意

圖中：Mu——截面極限彎矩；As、A s——受拉受壓鋼筋面積；fy、f s——鋼筋抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；ACF ——碳纖維截面面積；fcf——碳纖維的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，建議取極限抗拉強(qiáng)度的0.8倍；fcm——混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；bx——截面寬度；x——受壓區(qū)高度。

圖1所示截面的平衡方程為：

[Fx]=0，[0，Asfy+ACFfcf-A'sf'y-bxfcm=0]

[MAS（F）]=[0，M=bxfcm（h0-x2）+A'ff'y（h0-a's）+ACFfCFas]

式中：[Fx]——截面合力；[MAS（F）]——截面合力矩；M7——力矩；[h0]——梁的有效高度；[a's]——保護(hù)層厚度。

將試驗(yàn)梁材料的實(shí)際強(qiáng)度代入以上公式，可計(jì)算出梁的極限破壞彎矩。

4 加固設(shè)計(jì)實(shí)例

某大樓工程由于原有辦公樓改建成為商品住宅，使用功能發(fā)生了改變，故需進(jìn)行加固。其中，由于原有樓板開(kāi)洞，使板內(nèi)鋼筋切斷，故需要補(bǔ)強(qiáng)；另外，由于新增了不少內(nèi)隔墻，增加了梁上荷載，故需對(duì)梁進(jìn)行加固。

5 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維加固具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。用碳纖維加固材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，與混凝土結(jié)構(gòu)形成一體共同工作；利用碳纖維材料卓越的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的，對(duì)于提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性具有顯著作用。該大樓工程采用碳纖維進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固的工程實(shí)例，說(shuō)明采用碳纖維加固的設(shè)計(jì)方法是合理、可靠的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李俊杰.碳纖維布加固圓鋼管軸心受力有限元分析及試驗(yàn)研究[D].蘭州理工大學(xué)，2016.

[2] 劉麗娜.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土預(yù)裂梁試驗(yàn)研究[D].河北工程大學(xué)，2014.

[3] 楊輝.纖維加固混凝土柱的有限元分析[D].大連理工大學(xué)，2015.