那傲峰

(黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院)

用膠結(jié)材料把碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料貼于被加固構(gòu)件的受拉區(qū)域,使其與被加固截面共同工作達(dá)到提高構(gòu)件承載能力的目的。除具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點(diǎn)外還具有耐腐蝕、耐潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、耐用、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn),但要專門的防火處理,適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和一般構(gòu)筑物。

粘貼碳纖維片加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)按國(guó)家規(guī)行規(guī)范進(jìn)行承載能力計(jì)算和驗(yàn)算。

1 碳纖維布加固舊橋的特點(diǎn)

1.1 不增加恒載及斷面尺寸

碳纖維布的自重僅為 200～300 g/m3,設(shè)計(jì)厚度為0.111～0.167mm,加上環(huán)氧樹(shù)脂系列的粘結(jié)材料的自重也很輕,對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響微乎甚微,可忽略不計(jì)。同時(shí),碳纖維布可以多層粘貼。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)的要求,碳纖維布可以在一個(gè)部位重疊粘貼,充分滿足補(bǔ)強(qiáng)的要求。

1.2 可適應(yīng)不同構(gòu)件形狀,成型很方便

斜、彎、坡及異型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng),采用傳統(tǒng)的方法,施工難度極大,采用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)法,因碳纖維布具有隨形性極強(qiáng)的特點(diǎn),可以隨結(jié)構(gòu)外形變化任意施工,從而降低施工難度,減少施工成本,縮短施工工期,能產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 施工簡(jiǎn)便

特別是當(dāng)箱梁內(nèi)部的作業(yè)空間受到限制時(shí),碳纖維布加固方法是可選擇的一種方法。該法工藝簡(jiǎn)便,無(wú)需大型設(shè)備、模板、夾具及支撐,操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行,因而施工時(shí)所需工作面小,在作業(yè)空間受限制時(shí)。該優(yōu)點(diǎn)是其他加固方法所無(wú)法比擬的。

1.4 采用碳纖堆布加固補(bǔ)強(qiáng),對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生新的損傷

碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)系采用環(huán)氧樹(shù)脂系列的粘結(jié)材料進(jìn)行粘貼,不需要設(shè)置錨固螺栓及開(kāi)鑿混凝土等,因而不會(huì)對(duì)已經(jīng)損傷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的破壞,更可避免鉆孔時(shí)與結(jié)構(gòu)內(nèi)原有鋼筋和預(yù)應(yīng)力索發(fā)生沖突而引起新的問(wèn)題。

1.5 能有救地封閉混凝土的裂縫

碳纖維布(片)粘貼在混凝土的表面,不僅封閉了混凝土的裂縫,其高強(qiáng)高模量的特性還約束了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成與擴(kuò)展,改變了裂縫的形態(tài),使寬而深的裂縫變成分散的細(xì)微裂縫,從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度。

1.6 碳纖維布(片)具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性

碳纖維布(片)是一種復(fù)合材料,幾乎無(wú)腐蝕性和磁性,并且具有較好的耐熱性,不僅能經(jīng)得起水泥堿性的侵蝕,而且當(dāng)應(yīng)用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境時(shí),其壽命也較長(zhǎng)。因而碳纖維布加固法,在不利環(huán)境下較其他方法更顯出其優(yōu)越性。

1.7 不影響結(jié)構(gòu)的外觀

碳纖維布(片)的厚度很薄,粘貼固化后其表面還可以涂刷一層與原有結(jié)構(gòu)外觀顏色一致的涂料,而不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

2 加固受力特點(diǎn)分析

(1)與傳統(tǒng)的其他加固方法相比,采用碳纖維市加固舊橋能最小程度地改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,保證在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)與原結(jié)構(gòu)共同受力。

(2)將抗拉性能優(yōu)良的碳纖維布用粘結(jié)材料粘貼到梁體底面或箱粱內(nèi)壁上,使其與原結(jié)構(gòu)一起參與受力,即碳纖維布可以與原結(jié)構(gòu)內(nèi)布置的鋼筋一道共同承受拉力,以提高舊橋的承載能力。

(3)沿橋梁的主拉應(yīng)力方向(或與裂縫正交方向)粘貼碳纖維布,兩端分別設(shè)置錨固端,據(jù)此可約束混凝土表面裂縫,防止裂縫再擴(kuò)展,從而達(dá)到提高構(gòu)件抗彎剛度、減少構(gòu)件撓度、改善梁體受力狀態(tài)的目的。

(4)目前可用于舊橋結(jié)構(gòu)加固用的碳纖維布有單向碳纖維布、單向碳纖維交織布、雙向碳纖維交織布及單向碳纖維層壓材料等,可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力特性與方向等選擇相應(yīng)的碳纖維布進(jìn)行加固。

(5)碳纖維布加固混凝土構(gòu)件,在提高其受彎承載力的同時(shí)還可能影響受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)。當(dāng)碳纖維布用置過(guò)多時(shí),構(gòu)件的破壞形態(tài)將由碳纖維被拉斷引起的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷帘煌蝗粔核槠茐?。與此同時(shí),由于碳纖維為完全彈性的材料,它與鋼筋的共同工作會(huì)減弱鋼筋塑性性能對(duì)構(gòu)件延性的影響。碳纖維布用量過(guò)多,構(gòu)件延性將有所降低。因此,磷纖維布用于鋼筋混凝土梁式橋的加固樸強(qiáng)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理使用。

(6)由于碳纖維布加固后在最后破壞時(shí)的突然性(拉斷或剝離等脆性破壞),其承載力極限狀態(tài)不能按普通鋼筋混凝土的定義,一般應(yīng)按碳纖維抗拉強(qiáng)度的 2/3進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算。

(7)試驗(yàn)研究證實(shí),碳纖維布能夠提高混凝土梁抗剪承載力,其作用機(jī)理與箍筋類似,同時(shí)還能明顯改善構(gòu)件的變形性能,增強(qiáng)構(gòu)件的變形能力。

(8)碳纖維布與混凝土基層界面,可分為兩個(gè)界面區(qū).即混凝土基層與粘結(jié)樹(shù)脂界面區(qū)、粘結(jié)樹(shù)脂與碳纖維布界面區(qū)。牿結(jié)性能的本廈是接觸面間的相互作用,宏觀上表現(xiàn)為液態(tài)聚臺(tái)物浸潤(rùn)表面后形成的機(jī)械鎖結(jié),微觀上表現(xiàn)為分子擴(kuò)散后相互纏結(jié)作用,或化學(xué)鍵作用,或靜電吸引作用,或其復(fù)臺(tái)作用。

3 碳纖維布加固設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)

(1)采用碳纖維布加固舊橋,目前一般的計(jì)算方法是將碳纖維布按照一定的標(biāo)準(zhǔn)(例如強(qiáng)度或允許應(yīng)力)近似換算成一定用量的鋼筋,然后按照傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受力分析模型進(jìn)行理論分析。雖然是近似計(jì)算方法,但理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好,因此在一般情況下是適用的。

(2)碳纖維布加固用量,可按式估算

式中:Acf為碳纖維布用量(面積);As為抵抗不足彎矩所需的鋼筋面積;Ry為鋼筋的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度;Rcf為碳纖維布的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(3)除按上式估算的碳纖維布加固用量(面積)外,還必須考慮必要的錨固長(zhǎng)度和搭接長(zhǎng)度所需面積,以及必要的邊、角廢料等裁剪損耗等。