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碳纖維布加固補強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)
近年來,人們對結(jié)構(gòu)的安全性,使用性和耐久性要求不斷增強,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化,化學(xué)腐蝕,社會需求的變化,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高等,這些出現(xiàn)問題的建筑物,當(dāng)實際情況不允許推倒重建時,則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對其進行加固補強處理。
隨著材料科學(xué)的發(fā)展,纖維材料于土木工程中的應(yīng)用成為國內(nèi)外研究的熱點,纖維材料中的碳纖維用于加固補強混凝土結(jié)構(gòu)有著其自身的技術(shù)優(yōu)勢：高效高強（可以充分的利用其高強度,高模量的特點來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善受力性能,達到高效加固的目的）,耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)）,不增加構(gòu)件的自重和體積（碳纖維質(zhì)輕而薄）,使用面廣（碳纖維是一種柔性材料,且可以任意裁剪）,便于施工（無需大型的施工機械,占用場地少,無濕作業(yè)）。碳纖維布已廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板柱的加固補強,并由國家工業(yè)建筑診斷與改造工程研究中心主編,在總結(jié)近年來國內(nèi)各高校和科研單位的研究成果以及各設(shè)計,施工單位采用碳纖維布進行結(jié)構(gòu)加固的實踐經(jīng)驗,參考國外大量相關(guān)資料,并進行大量的試算和調(diào)研的基礎(chǔ)上,制定了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,其編號為CECS146：2003。以下將針對各種情況來進行說明其簡便的計算方法。
碳纖維補強加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力：
正截面承載力全過程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用*彈塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；受壓區(qū)混凝土采用E.Hognestad建議的非線形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；混凝土受壓區(qū)沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元）,并設(shè)每條帶的應(yīng)力均勻分布。根據(jù)理論分析結(jié)合實驗數(shù)據(jù)提出了如下的簡化計算方法：偏于安全的假設(shè)碳纖維的拉應(yīng)變等于鋼筋的拉應(yīng)變,并
將碳纖維的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積：
式中 , , 和 分別表示碳纖維的面積,抗拉強度,等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。
碳纖維的面積取其凈面積即：
其中 為碳纖維的計算厚度, 為碳纖維布的幅寬, 為層數(shù)。
得到等效鋼筋面積之后,可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計公式進行計算。
對受壓區(qū)混凝土合力作用點取矩
其中 可有水平力平衡得到：
上式中 為混凝土棱柱體抗壓強度； 為鋼筋混凝土構(gòu)件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。
對于碳纖維布補強加固的鋼筋混凝土適筋梁,其適用條件為：受壓區(qū)高度 不宜大于 ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過40%；加固后在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下受拉鋼筋的拉應(yīng)力不宜超過鋼筋的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。
當(dāng)計算得到的相對受壓區(qū)高度 高度不大于 ,或者小于 時,應(yīng)對碳纖維片材的厚度進行折減,具體計算方法詳見技術(shù)規(guī)程的有關(guān)部分。其中 為碳纖維片材達到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時發(fā)生時的相對受壓區(qū)高度。
工程實例1：某混合結(jié)構(gòu),原設(shè)計為教室,后因使用要求的變化改為書庫。由于樓面荷載的增加,使得按原荷載設(shè)計的進深梁抗彎強度不足,需要進行補強加固處理。該梁跨度為5m,截面尺寸為 ,按原使用荷載計算的跨中彎矩為 。受力鋼筋為3Ф18 ,設(shè)計強度為 ,混凝土的強度等級可取為 ,使用功能改變后要求梁的抗彎承載力增加到 。按照現(xiàn)行的混凝土規(guī)范計算得到原設(shè)計能承受的彎矩為 （此建筑物按89規(guī)范設(shè)計,如果按照89混凝土規(guī)范里的材料強度取值來計算則 ）,對該梁采用碳纖維布進行補強,在梁底粘貼兩層兩條寬 ,厚度為 的碳纖維布（碳纖維布的抗拉強度為 ）。有 , ,滿足公式計算要求。則有 。選用兩條的加固方案,一是考慮到分條加固的效果比整條好,二是考慮到兩條布同時失效的概率小,可提高加固后構(gòu)件的安全度。
工程實例2：某住宅小區(qū)由于施工的原因,樓板出現(xiàn)了大量的貫通裂縫,有的出現(xiàn)于板角,有的出現(xiàn)于板跨中,在住戶中造成了很大影響。后采用碳纖維布進行補強,在用樹脂封閉裂縫后,選用 寬的碳纖維布在板角處的板面放射狀布置,在跨中的板底按間距 沿裂縫走向布置,取得了很好的效果。
碳纖維布補強加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的斜截面承載力：
碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時,其抗剪效果作用和箍筋類似,梁在彎剪受力時,傳力模型是桁架機構(gòu)與拉桿拱機構(gòu)的復(fù)合傳力機制。
剪跨比小 時,發(fā)生斜壓破壞。碳纖維的應(yīng)變發(fā)展速度較慢,在構(gòu)件達到大受剪承載力時,碳纖維的應(yīng)變相對較小,其對抗剪承載力的貢獻也較小,加固效果不明顯。
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