淺談碳纖維加固技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用工學(xué)論文
摘要：在建筑工程中，由于各種原因，經(jīng)常需要對(duì)已有建筑物進(jìn)行維修、加固。實(shí)踐證明，應(yīng)用碳纖維材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，是一種有較高技術(shù)含量的、全新的建筑結(jié)構(gòu)加固方法。碳纖維具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長(zhǎng)壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：碳纖維 加固技術(shù) 工程建筑
1.碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)原理
外貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土技術(shù)是通過在混凝土結(jié)構(gòu)外部粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料片材，通過二者協(xié)同受力，達(dá)到加固目的。碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所有碳纖維材料主要為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的'。
2.采用碳纖維布加固具有的優(yōu)點(diǎn)：
采用碳纖維布加固結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)高效的優(yōu)點(diǎn)。由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中可以提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延展性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的。施工便捷，工效高，無濕作業(yè)，不需大型施工機(jī)具，施工占用場(chǎng)地少。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維材料是粘貼鋼板施工工效的4-8倍。具有極佳的耐腐蝕性能及耐久性。試驗(yàn)表明，碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性和耐久性，可以抗御建筑物經(jīng)常遇到的酸、堿、鹽對(duì)結(jié)構(gòu)物的腐蝕。適用面廣。粘貼碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)可廣泛適用于各種結(jié)構(gòu)類型(如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道等)、各種結(jié)構(gòu)形狀(如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等)、各種結(jié)構(gòu)部位(如梁、板、柱、節(jié)點(diǎn)、拱、殼、墩等)的加固修補(bǔ)，且不改變結(jié)構(gòu)形狀，這是目前任何一種結(jié)構(gòu)加固方法所不可比擬的。尤其重要的是，對(duì)于一些大型橋梁橋墩、橋梁、橋板以及隧道、大型筒體及殼體結(jié)構(gòu)工程等，采用舊的加固手段幾乎無法實(shí)施，而采用該項(xiàng)加固技術(shù)都能順利解決，施工質(zhì)量易保證。由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整也基本可以達(dá)到100％的有效粘貼率，而粘貼鋼板則很難達(dá)到100％的有效粘貼面，相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也只要求其達(dá)到70％就可以了。碳纖維材料質(zhì)量輕且薄，粘貼后每平方米重量不到1.0kg，粘貼一層的厚度僅1.0mm左右，加固修補(bǔ)后基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。
3.碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固方面的運(yùn)用
3.1碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍
碳纖維材料適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。具體說來可以但不限制于：利用碳纖維加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對(duì)既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開裂加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。
3.2碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范
采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)通過配套粘結(jié)材料將碳纖維片材粘貼在一起，使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，共同受力。
3.3碳纖維片材可采用下列方式對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固：
在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向一致；采用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對(duì)梁、柱構(gòu)件進(jìn)行受剪加固，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直；采用封閉式粘貼對(duì)柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當(dāng)有可靠依據(jù)時(shí)，碳纖維片材也可用采用其它形式或其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算；鋼筋和混凝土材料，根據(jù)檢測(cè)得到的實(shí)際強(qiáng)度，按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其相應(yīng)的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)；碳纖維片材應(yīng)根據(jù)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變，按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力；碳纖維片材應(yīng)取生產(chǎn)廠提供的不小于95%保證率的極限抗拉強(qiáng)度作為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)采用粘貼碳纖維片材對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)考慮加固后對(duì)結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能產(chǎn)生的影響；采用粘貼碳纖維片材進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，宜卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進(jìn)行加固，應(yīng)考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時(shí)，被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于Cl5。采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C10。
4.結(jié)語
隨著碳纖維加工技術(shù)的普及，我國(guó)各種應(yīng)用占碳纖維率需求比例不斷上升，從這個(gè)角度上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，也許在未來人類社會(huì)在材料應(yīng)用上會(huì)從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張小平，碳纖維加固技術(shù)[J]，山西建筑，2009年第八期
[2] 陳小兵等，碳纖維加固鋼筋混凝土梁的實(shí)驗(yàn)研究[J]，工業(yè)建筑2008年第六期
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