中国混凝土与水泥制品协会预制混凝土桩分会

碳纤维加固混凝土技术研究进展综述

来源:第一视频[2015/09/21]

核心提示:纤维增强塑料(FRP)加固混凝土结构技术是土木工程中发展起来的一项新型加固技术。由于具有强度高、高模量、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点,这种新型的碳纤维加固材料在钢筋混凝土加固领域的应用越来越广泛。

  纤维增强塑料(FRP)加固混凝土结构技术是土木工程中发展起来的一项新型加固技术。由于具有强度高、高模量、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点,这种新型的碳纤维加固材料在钢筋混凝土加固领域的应用越来越广泛。通过FRP材料外包混凝土能够使混凝土在三相受压状态下工作,其抗压承载能力和变形能力显着提高,并且能够使结构中的轴压构件与抗弯构件的力学性能得到改善,在加固领域具有巨大的应用空间。碳纤维加固技术开始于20世纪80年代,于90年代后期在我国迅速发展起来,目前国内外很多科研单位和高校就碳纤维加固混凝土构件这项新技术进行了大量的理论研究和探索。

  1碳纤维加固技术的特点

  (1)化学性能稳定。碳纤维材料对温度具有良好的适应性,对酸性、碱性,盐也有良好抗性,并且抗紫外线和防水等方面性能也比较好。

  (2)具有较高的强度。比重仅为钢材的四分之一,它的碳纤维拉伸强度却为钢材的7~10倍,在对钢筋混凝土结构进行加固补强过程中,碳纤维材料强度高、模量高等优异的物理性能可以得到很好的利用,从而可以提高结构及构件的承载力和延性。

  (3)施工简单。用碳纤维加固不需要大型工具,占用施工场地少,并且不用湿作业,现场使用时根据尺寸需要可以采用剪刀或刀片裁剪,其施工工效是粘贴钢板工效的4~8倍。

  (4)适用范围广。碳纤维材料可以根据需要任意裁剪,不仅不改变结构形状,而且不影响结构外观,所以被广泛应用于不同结构类型。

  2国外研究应用现状

  在20世纪80年代初,日本人就开启了碳纤维技术在加固技术中的应用,专门研究发展修复加固新技术,把碳纤维布像贴钢板一样贴到混凝土上。政府机构组织协调,制造商们研制材料,工程公司进行运用研究,迅速地将这门技术运用到工程实践中。1991年,瑞士首先进行桥梁碳纤维加固试验研究,并在同年7月成功用于伊巴赫桥的加固工程。1995年神户大地震后日本的碳纤维加固混凝土技术迅速发展。到1997年,英国至少有30座桥梁采用了碳纤维加固。

  GangaRao等进行了三面包裹碳纤维片材加固钢筋混凝土梁的抗弯试验和耐久性试验。结果表明:粘贴碳纤维的混凝土试件在温度、湿度、天气的变化和化学腐蚀下能够保持良好的工作性能,梁的极限强度和刚度都有提高,提高程度和碳纤维的粘贴量有关,有损伤试件用碳纤维加固后强度和刚度性能与无损伤试件加固的相似。

  Malek对受剪加固梁中FPR承担的剪力的计算进行了理论分析,讨论了各种参数对受剪承载力的计算方法,讨论了各种参数对受剪承载力的影响,并提简化计算公式。

  H.Ichinalsu采用不同类型的CFRP对板加固进行试验理论研究分析。结果表明:加固时的粘贴材料可以以网格的形式,只要净间距<200mm,板的裂缝与CFRP的相对位置对受力性能无直接影响;单向的CFRP比CFRP织物容易粘贴,工作量较少。

  Saadatmalnesh等进行了钢筋混凝土梁粘贴玻璃纤维板加固的试验,结果表明加固后的梁,尤其是低配筋梁抗弯强度提高、裂缝宽度减少,试件的延性有所降低,认为在进行加固时选择好胶黏剂的韧性和粘贴面非常重要。

  3国内研究应用现状

  我国进行土建工程碳纤维加固研究开始于90年代末,采用碳纤维加固混凝土结构也只是我国近十几年的事情,例如北京人民大会堂、历史博物馆、天津普济河道立交桥等物的补强修复,以及对河北邯郸、张家口桥梁的加固等。

  欧阳熠等在弹性理论的基础上分析了线性荷载作用下粘贴片材加固的钢筋混凝土梁端部粘结剪应力和较大粘结剪应力,提出了对较大粘结剪应力的影响因素及在均布荷载和集中荷载作用下的剪应力计算方法。

  李荣等按极限平衡法进行了粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁的设计计算,为了避免碳纤维拉断的脆性破坏,必须对碳纤维的极限应变加以限制。

  吴刚等进行了粘贴碳纤维抗弯加固无加载历史的钢筋混凝土梁实验,在极限平衡状态基础上提出了加固后梁正截面承载力的计算方法。

  赵彤等通过实验研究了碳纤维粘贴量对于钢筋混凝土梁受弯性能的影响,认为可以将碳纤维布的面积等效成钢筋面积后参照正截面承载力计算公式进行计算。

  曹双寅等进行了外贴玻璃纤维加固钢筋混凝土悬臂板的实验,认为正截面承载力计算方法能够用于对粘贴玻璃纤维加固的构件的分析。

  4碳纤维加固混凝土存在问题

  碳纤维复合材料加固混凝土虽然具有很多优点,但是在理论研究和实际应用方面还是存在诸多的不足。(1)碳纤维的力学特性的研究不足,缺乏相应的数据分析导致往往通过实践经验来加固,没有相应的施工标准和技术指南。(2)对于碳纤维疲劳以及抗震性能的研究也不够透彻。对于碳纤维布的加固方法是否可以提高节点核心的抗震承载能力需要进一步进行研究。(3)相配套的结构粘合剂的耐高温性不足。(4)碳纤维加固混凝土的造价成本过高。(5)碳纤维对某些十字交叉的混凝土构件加固难以实现。

  5结语

  主要通过碳纤维材料加固混凝土的特点、国内外研究现状及面临的主要问题对碳纤维加固混凝土技术进行了分析。可以看到随着碳纤维加固技术的不断成熟,它的应用前景将不断扩大。而且由于碳纤维材料的特性,它很有可能代替钢铁成为较广泛的材料。由于目前存在的一些问题,对于碳纤维材料在工程中的应用研究也应该继续深入。

(责任编辑:陈宗勤)

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