混凝土结构碳纤维加固技术

混凝土结构碳纤维加固技术

李建文

鸡西博联热电有限公司

摘要：现如今，在建设工程中，混凝土是一种十分常见的施工材料，为了能够使混凝土结构更加坚固，一般还会结合工程实际进行相应的加固。在混凝土结构中使用碳纤维加固技术就是为了增大混凝土的整体性和稳固性。但是实际上碳纤维加固技术自身有着一定的使用范围，一般如果混凝土结构的变形幅度过大或者刚度较低，则不适宜使用碳纤维加固技术。而若要对结构进行抗弯加固处理，则比较适合碳纤维加固技术。现本文就主要探讨了混凝土结构中碳纤维加固技术的应用及其相关注意事项，仅供参考。

关键词：混凝土；碳纤维；加固；适用性

碳纤维本身的自重不是很大，因而在对混凝土结构进行加固的过程中不会额外增加太大的重量，从而具有更好的加固优势，且耐性也较为强，也不会加大混凝土结构的截面与荷载力，因而目前碳纤维加固技术已经被广泛应用在混凝土结构施工中。尤其是在结构抗震、抗弯、抗剪等性能加固上发挥了非常积极的作用。不过值得一提的是，碳纤维加固技术也不是在所有混凝土结构中都适用的，这需要结合实际情况，合理选择加固技术。在此本文就以抗震加固和楼板抗弯加固为例，谈谈碳纤维加固技术的适用性。

一、碳纤维加固技术用于混凝土结构的抗震加固

通过大量实际数据调查来看，使用碳纤维材料来对钢筋混凝土柱体进行包裹，利用对纤维方向以及柱轴线进行互相垂直的方式，能够极大的提升整个柱体的承重能力以及延性，并且还能够增强柱体在地震过程中的耗能状态。除此之外剪力墙作为绝大多数工程结构的主要组成部分，使用碳纤维材料来对剪力墙进行加固时，只要其加固的方式科学合理，就能够极大的提升剪力墙自身的延性和承载力。所以，钢筋混凝土结构的加固，对于碳纤维来说是一个十分重要的加固应用领域，但是，还必须要清楚知道的是，由于碳纤维自身是属于柔性的加固材料，使用结构胶来对加固结构进行粘结，才能够使得需要加固的混凝土结构能够充分的满足实际工程强度需要，也只能够利用这一方式，才能够发挥出碳纤维材料所具有的加固效果。下文依据某工程使用碳纤维进行加固的混凝土柱体抗震性能进行改善的有效方式作为案例。

某多层钢筋混凝土框架结构,施工验收时发现有9根框架柱混凝土强度不能满足设计要求,致使轴压比过大,无法满足轴压比限值所需的延性要求,对此确定采用碳纤维布对柱进行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纤维的包裹对柱混凝土产生环箍作用,可在一定程度上提高混凝土的轴心抗压强度;另一方面,碳纤维对柱的横向约束作用还可显著提高柱在水平荷载下的延性,满足轴压比的延性要求。

二、碳纤维加固技术用于楼板结构的抗弯加固

碳纤维材料由于具有很高的抗拉强度,可以用于混凝土构件的抗弯加固。碳纤维用于抗弯加固时,纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向,另外,计算加固结构的抗弯承载力时,也应考虑对碳纤维极限强度的折减。下面以工程实例说明碳纤维抗弯加固方法。

1、工程概况

某现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构,原楼板厚120mm,现拟在其上增加一大型鱼缸。重3.6t,鱼缸底座尺寸4.6m×1.2m。由于新增荷载较大,须对原结构进行加固。

2、内力分析

鱼缸合力作用点离剪力墙轴线1.4m。内力计算采用有限元法,将楼板按1m宽板带划分为若干单元。原结构荷载中,恒载考虑板的自重,装修层按水磨石地面考虑,活载标准值取2.5kN/m2。剪力墙部位对板带的约束按固定支座考虑,柱对梁的约束亦按固定支座考虑,梁板节点按刚接计算。主要内力计算结果说明如下。

(1)在鱼缸作用下,板的弹性挠度为0.9cm左右,满足正常使用要求,但前提是板的抗弯能力能够抵抗新增的荷载。

(2)放置鱼缸部位的楼板在剪力墙部位新增的负弯矩为4.6kNm,在板跨中部位新增的正弯矩为1.8kNm,而原结构所能抵抗的弯矩基本与原荷载持平。板的抗剪能力也足以承担新增荷载。

3、加固方案

首先,楼板负弯矩区在剪力墙部位需要加固,由于碳纤维不易锚固,故采用粘钢板加固法,本文不予详述。对于楼板正弯矩区,可采用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明,一方面,当加固碳纤维布用量较大时,在楼板承载力极限状态所能达到的强度较低,无法充分发挥其强度;另一方面,若减少碳纤维材料用量,其在承载力极限状态可达到较高的应力,但由于碳纤维弹性模量与钢材接近,在正常使用极限状态下板就可能由于挠度过大而破坏。

三、碳纤维加固技术的适用性

通过以上的描述，可以明显的看出，将碳纤维应用于混凝土结构的抗弯、抗剪、加固处理中，能够取得极为明显的效果。但是，还应当明确指出的是，由于碳纤维材料自身加固、所具有特性，该材料并不能使用在所有的加固领域之中，所有，在使用碳纤维材料的过程中，要先对需要加固的结构进行详细分析之后才能够决定加固方案。

1、刚度问题

当混凝土楼层以及屋盖等位置的结构由于自身混凝土刚度不足的情况出现时，就可能会导致大面积变形、裂缝的情况出现，这对于建筑的质量来说有着直接的影响，但是碳纤维材料并不适用于这类结构的加固。大量数据已经明确指出，建筑的梁、板等位置属于横向受力的构件，如果使用碳纤维来对其进行加固，那么，在某些极限状态之下，碳纤维所带来的加固效果仅仅不到10%左右，个别情况下可能不会发生任何变化。

2、碳纤维抗弯加固的适用范围

当混凝土结构由于抗弯承载力不够,采用碳纤维布进行加固时,加固结构的破坏形态一方面取决于原结构的配筋情况,另一方面取决于碳纤维的用量。现假设原结构为适筋构件,则加固结构的破坏形态可分为如下三种情况。

(1)碳纤维用量较少。破坏时受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维可以达到较高的拉应变。

(2)碳纤维用量适中。破坏时受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维可达到某一中等拉应变。

(3)碳纤维用量较多。破坏时,受压区边缘混凝土压碎,受拉钢筋屈服,碳纤维拉应变很低。

第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。这主要是由于对板或扁梁而言,在碳纤维未达到很高的拉应变时,结构就可能由于变形过大而破坏。具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。

四、结束语

总之，虽然碳纤维加固技术在混凝土结构加固中发挥了其他加固技术所不具备的优势，但是其适用性相对较小，只有在抗震、抗弯、抗剪等性能加固上才有较高的应用价值。为此，在对钢筋混凝土结构进行加固时，一定要充分考虑实际需求，不可将碳纤维加固技术盲目的应用到新领域中，必须要进行相应试验，确保可行再进行应用。同时还需要考虑到碳纤维加固技术的应用经济性，以达到效益最大化。

参考文献

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