鋼筋混凝土柱碳纖維加固應用技術

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在實際加固工程中，因設計失誤、施工不當或使用功能改變等，造成的結構或構件不能滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的正常設計使用要求，要使其結構或構件能夠繼續(xù)安全、正常的使用，則必須采取一定的措施進行補強修復。碳纖維CFRP是整個土木工程界使用最為廣泛且熱門的加固材料，該項加固技術興起于20世紀80年代，于90年代后期在我國迅速發(fā)展起來，國內外很多科研單位和高校就碳纖維CFRP加固混凝土構件這項新技術進行了大量的研究。隨著試驗研究的深入，該加固技術的適用范圍不斷擴大，應用技術不斷改進。碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的試驗研究相對較少，但試驗研究結果表明碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱具有施工簡單、抗腐蝕能力強、約束效果好、基本不需要維修保養(yǎng)等特點，下面就該加固技術進行簡要介紹。1、鋼筋混凝土柱CFRP加固機理分析1.1、碳纖維CFRP材料碳纖維CFRP一般是直徑為5μm～20μm的連續(xù)纖維，基材由樹脂和固化劑組成，用樹脂（內加固化劑）浸潤碳纖維，待樹脂固化后便形成了碳纖維增強塑料（簡稱CFRP）。其特性：密度小，為普通鋼材的1/6；強度高，抗拉強度約為普通鋼筋的4～6倍；抗腐蝕性能好，強度不受酸堿腐蝕介質的影響；非磁性，不影響電磁信號的傳播；抗疲勞性能優(yōu)良，疲勞壽命普遍高于鋼材；溫變系數(shù)和混凝土相當；彈性模量和鋼材相近；極限延伸率1%.1.2、鋼筋混凝土柱CFRP加固原理鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時，構件是由于受到極限值非常小的橫向擴張引起的，如能在構件四周創(chuàng)造橫向約束，以阻止受壓構件的這種橫向擴張，從而提高構件抗壓承載力和變形能力。碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增強帶之間產(chǎn)生約束作用，（它們之間的相互作用力稱為界面約束應力）受橫向界面約束應力的作用，塑性區(qū)的核心混凝土處于三向應力狀態(tài)，與單向受力狀態(tài)相比，混凝土的極限壓應變和承載力會提高，在柱彎曲承載力沒有明顯下降的情況下，并不考慮失穩(wěn)的影響，加固后鋼筋混凝土柱具有較大的延性變形與耗能能力。1.3、鋼筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的應力分布情況1.3.1、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束后使CFRP形成軸向拉伸應力，而CFRP的抗彎能力極弱（一般不考慮），矩形柱在CFRP包裹約束下其最終極限軸向抗壓強度相對圓柱而言大大降低，主要由于側向約束應力不均勻。矩形柱邊中央側向約束弱，拐角處側向應力集中約束較大，柱邊只有在發(fā)生側向塑性變形時CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束應力才能極速增長。1.3.2、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的約束為界面約束，只有當混凝土向外橫向擴張時（產(chǎn)生塑性變形）CFRP方能對混凝土產(chǎn)生約束應力，因此柱環(huán)向外包CFRP在承受荷載時表現(xiàn)出兩階段的受力過程：第一階段，混凝土軸向壓應力較小，橫向變形較小，CFRP受力較小；第二階段，隨著荷載的增加，柱混凝土變形增大，CFRP環(huán)向應力顯著增長，環(huán)向約束力迅速增加，直到當CFRP達到其極限拉伸應變時發(fā)生斷裂。1.3.3、約束混凝土與無約束混凝土應力—應變關系2、碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的技術及施工要點2.1、適用范圍及工況要求CFRP加固鋼筋混凝土柱適用于圓柱或小截面矩形柱（截面邊長一般小于800mm），在未失穩(wěn)狀態(tài)下能大幅提高鋼筋混凝土柱的軸壓承載能力。加固的前提條件是構件的核心混凝土未被破壞，尚具有一定的承載和變形能力。2.2、CFRP外包鋼筋混凝土加固技術2.3、加固施工要點：2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷，此項工作往往被忽視，混凝土構件在負荷外包CFRP時，外包CFRP相對于混凝土柱表面存在應變滯后，常發(fā)生CFRP尚未被拉斷混凝土已被壓壞的情況，這種效應使得CFRP的補強效果降低，不能充分發(fā)揮CFRP的高強抗拉性能。2.3.2、矩形柱拐角倒角的半徑不得小于20mm，柱側最好修成外凸面，減輕角部CFRP的集中應力，很多試驗表明即使如此CFRP的破壞仍然發(fā)生在拐角部位。2.3.3、混凝土構件表面的修復工作極為重要，其直接影響CFRP對混凝土橫向約束效果。3、結論1）碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱，能使混凝土承受軸向受力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，約束混凝土的承載力和變形能力得到提高，特別對軸壓比不能滿足抗震設計規(guī)范要求的鋼筋混凝土柱加固效果比較明顯。2）提高塑性鉸區(qū)的承載力及延性，鋼筋混凝土柱在地震荷載的重復作用下，上下端會首先出現(xiàn)塑性鉸區(qū)，承載能力及延性迅速下降，用CFRP進行纏繞加固后，塑性鉸區(qū)核心混凝土受到約束極限強度及變形能力大幅提高。3）施工技術含量低、工藝簡單，約束效果好、抗腐蝕能力強，只需保護不需要保養(yǎng)。4）碳纖維CFRP加固技術并非萬能“處方”，有其缺點：有機膠耐高溫性能差，高溫環(huán)境及防火等級要求高的建筑不能使用；不規(guī)則或大截面矩形柱應有條件使用。