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用碳纤维cfrp镶嵌法加固砼梁
发布时间:2014-07-15
用碳纤维粘贴在梁底进行加固时,需对梁底砼进行认真处理,粘贴不好会出现开胶剥落现象。 镶嵌法是把碳纤维做成矩形棒,将它嵌入用锯开好的沟槽内,再用胶粘结。这种办法不用处理梁底砼保护层。由于它有3个面与砼结合,故传力性能好。纤维棒藏于砼内,可以产生很好的耐久性。
所有结构都有其使用功能和预期寿命,桥梁也是如此,它们经历着不同的老化和破坏进程。除了客观上的破坏原因外,还可能在设计、施工时就埋下了隐患。此外,交通部不断提出的新标准,也需要桥梁结构不断升级换代。在桥梁进入病态时,要使其结构能够继续安全使用,则必须采取一定的措施进行加固补强。
碳纤维CFRP是整个土木工程界使用最为广泛且热门的加固材料,该项加固技术兴起于20世纪80年代,于90年代后期在我国迅速发展起来,国内外很多科研单位和高校就碳纤维CFRP加固砼构件这项新技术进行了大量研究。随着试验研究的深入,该项加固技术的适用范围和应用技术也在不断扩大和改进,CFRP加固梁的做法在桥梁加固中得到了迅速普及。大量实践证明,这是一种非常有效的方法,对砼结构起到了很好的加固效果。
碳纤维CFRP材料性能
碳纤维CFRP一般是直径为5μm~20μm的连续纤维,基材由树脂和固化剂组成,用树脂(内加固化剂)浸润碳纤维,待树脂固化后便形成了碳纤维增强塑料,简称CFRP。其特性是:密度小、,为普通钢材的1/6;强度高,抗拉强度约为普通钢筋的4倍~6倍;抗腐蚀性能好,强度不受酸碱腐蚀介质的影响;抗疲劳性能优良,疲劳寿命普遍高于钢材;温普系数和砼相当,弹性模量和钢材相近;极限延伸率1%。
粘贴加固的特点及方法
粘贴碳纤维布加固指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在结构件表面,使粘结后构件和碳纤维布两者共同作用,提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力,由此达到对结构加固、补强的目的。
CFRP的比强度(一般为普通钢材的10倍)和刚度高;自重轻(约200g/?),加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸;柔性好,对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面具有特别的优势;具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能;密封性好,减少了渗漏甚至腐蚀的隐患;施工简便,效率高,在狭小空间亦可施工,特别适合现场修复;施工过程中无明火,适用于各种特殊环境。
CFRP加固结构方案可分为两种:一是传统的直接粘贴法,将CFRP两端锚固并施加预应力后,通过胶粘剂粘贴在钢结构的表面,一般适用于构件表面较平整的拉杆,对构件或其局部进行加固;二是镶嵌法,将CFRP束作为预应力拉索调整应力,一般适用于整个结构进行整体加固。
镶嵌法加固砼结构
常规的办法是将纤维布贴在梁底面,而镶嵌法是将碳纤维复合材料制成矩形棒,然后镶嵌进事先在保护层内锯好的沟槽内。显然,碳纤维棒藏在砼内,受到了很好的保护。另外一个优点是,砼表面没有被完全遮盖,避免出现湿气不能逸出而使砼遭到冻融破坏。采用镶嵌法时,3个面同时与砼表面接触,而原先在表面粘贴时只有一个面接触。显然,它是在传递剪力时更有效。这里必需着重指出,施工时必须保证碳纤维棒和砼有很好的粘结,这一方面要依赖粘贴工艺,同时也依赖于被加固构件的质量。
将碳纤维棒嵌入砼内,可以保证两种材料之间暴力行动的传递。棒的几何尺寸和间距会影响传力面积的大小,如果棒的距离太小,可能会由于两棒之间的相互作用而破坏,也可能和原有的钢筋相互作用而破坏。
在传统的粘贴方法中,要先对砼保护层进行认真处理。砼的砂浆层要去掉,需要露出集料来,之后才能进行复合材料的粘贴,以保证它们的有效结合。在大多数情况下,采用喷砂的办法实施,这种做法虽然不复杂,但对表面非常不规则的情况,单靠喷砂则不足以使表面平整。
如果把加固材料嵌入保护层内的沟槽中,则不需要进行表面处理。只需用压力水(大约150pa)将锯好的沟槽清洗干净,就可以形成一道顺直的、具有粗糙面的沟槽。
这种工艺,除增强了力的传递能力外,还增加了它的耐久性,减少了桥下撞击的危险。如果不是嵌入而是外露在梁的表面,一旦被车辆撞击,或遇火灾、偷窃等事件时,会对结构造成严重后果。
施加预应力
只把碳纤维棒嵌入沟槽进行粘结,加固材料是被动受力,即刚粘上去的材料并不受力,只有活载上去后才会受力。变被动为主动的办法是给碳纤维棒施加预应力,施加预应力有4个好处:充分利用了加固材料的强度;使砼裂缝变小、分布均匀;为钢筋卸载;提高钢筋的屈服荷载,即提高结构的承载力。
在正常使用阶段,减小裂缝宽度,裂缝间距变小、变均匀,这对结构的使用性能极为重要,还提高了结构的耐久性和刚度。研究表明,这种加固办法可使原有钢筋卸载,可以提高钢筋的屈服荷载25%~50%,还可以提高砼的开裂荷载。
施加预应力的步骤为:首先用锯在梁底开槽15?×15?,清理沟槽中的污物和小颗粒;在沟槽内涂抹充足的粘结剂;将正方形的碳纤维棒(10?×10?)嵌入槽内,修整挤出的粘结剂;张拉碳纤维棒并保持张拉力;持荷5天后放张。这种工艺属于先张法,两端不设金属锚具,放张后通过粘结剂把力传给大梁,使梁底胺压,梁顶受拉。
几点认识
通过足量试验表明,将碳纤维棒嵌入砼保护层内加固砼结构的办法是可行的。它具有传力性能好、耐久性好的优点,在防火、防盗、防撞击等主面可以对加固材料进行很好的保护。可以安排预应力进行加固,也可以施加预应力。它能使砼的开裂荷载和钢筋的屈服荷载大幅度提高,使裂缝变小、变密,对改善使用性能和延长使用年限起着重要的作用。
毋庸置疑,CFRP加固法在经济上的优势给它的发展提供了广阔的空间。然而,采用这项技术需要进一步理解这种系统的工作原理和使用性能,还要继续改进粘贴工艺。要特别强调的是,只有把加固材料和被加固构件形成一个整体结构,才会取得理想的效果。目前,大多数情况下采用“无稍大力”的纤维布进行加固,即纤维布刚贴上去的时候是不胺力的,这虽然也能够提高结构的承载力,但碳纤维的强度没能得到充分的利用。只有对碳纤维施加预应力,结构才能获得更好的使用性能。

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