淺談碳纖維布加固預應力混凝土空心板新技術(shù)
關(guān)鍵詞：碳纖維布，大跨度結(jié)構(gòu)，加固技術(shù)
碳纖維增強復合材料因其優(yōu)異的力學性能，成為近年來被大量應用于多種結(jié)構(gòu)補強加固中的一種新型材料。同時隨著橋梁加固技術(shù)的不斷進步，碳纖維粘貼補強技術(shù)在理論設(shè)計和施工等方面也得到了進一步完善和發(fā)展，成為目前研究的熱點。在這方面，廣大學者和橋梁工作者進行了大量的研究，取得了不少成果。
采用碳纖維加固的混凝土結(jié)構(gòu)，屈服荷載和極限承載力都有明顯提高，碳纖維高強高彈模的特性對結(jié)構(gòu)的剛度提高也有所貢獻，結(jié)構(gòu)破壞形式明顯改善，從脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。
一、碳纖維材料及其性能特點
碳纖維又稱碳纖維增強復合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，簡稱CFRP)，是把聚丙烯晴、人造纖維、石油或煤瀝青、苯酚樹脂等原料，在不活潑氣體中經(jīng)2000℃～3000℃的高溫燒成紡線形狀，并使其碳素化而制造出來的高性能無機纖維。
碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。我國《CECS146-2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的碳纖維布的主要力學性能指標要求有：碳纖維片抗拉強度標準值不小于3000Mpa，彈性模量不小于2.1x105Mpa，伸長率不小于1.5%；碳纖維板抗拉強度標準值不小于2000Mpa，彈性模量不小于1.4x105Mpa，伸長率不小于1.5%。
碳纖維增強復合材料是一種理想的新型復合材料，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固材料相比，碳纖維加固材料具有明顯的性能優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：
1.強度高。由于碳纖維材料具有很高的強度(其抗拉強度約為普通鋼筋強度的10多倍)，在加固修補結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固修補的目的。
2.施工簡便，工效高。沒有濕作業(yè)，不需要大型施工機具，施工占用場地少�，F(xiàn)場使用時可根據(jù)需要用剪刀或刀片將其任意裁剪。施工方法簡便，質(zhì)量容易保證，功效高。
3.耐腐蝕性能及耐久性能良好。試驗表明，碳纖維材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)有良好的耐腐蝕性能及耐久性能，可以抵御建筑物遇到的各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。使用該種加固修補方法對結(jié)構(gòu)進行處理后，維護費用較低，而且其本身也可以對內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)起到保護作用。
4.施工質(zhì)量容易保證。從材料本身來講，由于碳纖維材料是柔性的，即使被加固結(jié)構(gòu)的表面不是非常平整也能夠基本保證較高的有效粘貼率，即使粘貼后發(fā)現(xiàn)局部有氣泡，也可將樹脂用注射器注入氣泡中，將空氣趕走就可以了。而其它加固方法很難達到這樣的效果。
5.對結(jié)構(gòu)的影響小。碳纖維材料質(zhì)量輕且厚度薄，粘貼后每平方米重量不到1.0千克(包括樹脂重量)，一層粘貼后厚度僅0.1mm左右，加固修補后基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原結(jié)構(gòu)尺寸。
6.耐疲勞性能好。一般金屬的疲勞強度為其抗拉強度的40%～50%，而碳纖維材料可達70%～80%�！ �
二、碳纖維布的加固原理
用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又要確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達到加固的目的�！ �
三、針對該技術(shù)的實驗研究
1.試驗材料
選用冷軋帶肋鋼筋預應力混凝土空心板，圖集號：L95G404，板號為YK-BL33-22d，尺寸為3280mm×59mm×120mm，受力主筋為650級8φ5冷軋帶肋鋼筋，混凝土強度等級C25。
其中B1、B2為對比試驗板，未進行加固處理；B3~B6底部通長粘貼日本產(chǎn)FTS-C1-20碳纖維120mm寬2道。
試驗用FTS-C1-20碳纖維材料性能指標：厚度0.111mm，單位面積重量200g/m2，密度1.8g/cm3，拉伸強度3550MPa，拉伸模量235GPa，粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)膠選用日本產(chǎn)FR-E3P。
2.試驗方案
在預應力混凝土空心板跨中混凝土及碳纖維上粘貼電阻應變片，按《預制混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢驗評定標準》(GBJ321-90)對預應力混凝土空心板進行結(jié)構(gòu)性能試驗。在1.0倍正常使用短期荷載檢驗值作用下持荷30min，其余每級荷載作用下持荷10min。持荷結(jié)束時，使用靜態(tài)電阻應變采集儀跟蹤記錄混凝土及碳纖維在各級荷載作用下的應力應變情況，用百分表量測空心板在各級荷載作用下的撓度變化，用讀數(shù)顯微鏡觀測裂縫寬度并記錄裂縫開展情況。為檢驗預應力混凝土空心板的承載力情況，所有試驗均做到破壞為止。
3.試驗分析
板底粘貼碳纖維加固正截面抗彎驗算，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范抗彎設(shè)計計算的基本原理，參照國內(nèi)外有關(guān)碳纖維加固混凝土受彎構(gòu)件正截面抗彎設(shè)計的試驗研究成果，假定：
(1)預制混凝土空心板受彎后，變形規(guī)律符合平截面；
(2)忽略混凝土的抗拉強度；
(3)在極限狀態(tài)下，碳纖維的應力達到抗拉設(shè)計強度。正截面內(nèi)力平衡方程：
ΣFx=0Acffcf+Asfy=bxfcm(1)
ΣM=0Mu=Acffcf(h-x/2)+Asfy(h0-x/2)(2)
4.試驗結(jié)論
(1)采取粘貼碳纖維加固預應力混凝土空心板，可以有效地提高預應力混凝土空心板的承載力。
(2)在同樣荷載作用下，粘貼碳纖維加固后可以有效減少預應力混凝土空心板的撓度。
(3)粘貼碳纖維加固后預應力混凝土空心板的開裂荷載增大。
(4)采取粘貼碳纖維加固預應力混凝土空心板，基本不影響構(gòu)件的截面高度及自重，對用戶空間的凈高度及建筑物的其他結(jié)構(gòu)沒有影響。
(5)試驗中碳纖維最大拉應變?yōu)?2000με，建議設(shè)計時碳纖維抗拉強度取2000MPa�！ �
四、結(jié)束語：
隨著人們對碳纖維材料的進一步深入研究以及碳纖維加固技術(shù)的推廣和實踐，碳纖維加固的不足會逐步得到克服，碳纖維材料的性能會更加優(yōu)良，碳纖維加固理論及加固技術(shù)將逐步走向成熟，碳纖維加固技術(shù)在工程加固領(lǐng)域?qū)缪菰絹碓街匾慕巧?/p>
參考文獻：
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