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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)計標準的提高等,這些出現(xiàn)問題的建筑物,當實際情況不允許推倒重建時,則只能采取適當?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.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)標準組合下受拉鋼筋的拉應(yīng)力不宜超過鋼筋的抗拉強度標準值,。

當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,。

一般碳纖維的密度為1750kg/m3，導(dǎo)熱能力高但傳電能力低,，碳纖維的比熱容量亦比銅低,。當加熱的時候，碳纖維會變厚,、變短,。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但科學(xué)家可以把它染成不同的顏色,。 我國碳纖維的生產(chǎn)和使用尚處于起步階段,,，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4％左右，國內(nèi)用量的90％以上靠進口,。而PAN原絲質(zhì)量一直是制約我國碳纖維工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的瓶頸,。另外，碳纖維*以來被視為戰(zhàn)略物資,，發(fā)達國家一直對外實行封閉,。因此,業(yè)內(nèi)專家認為，強化基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之本,，是發(fā)展國內(nèi)碳纖維工業(yè)的根本出路,。 　　我國早在上世紀六七十年代就開始了碳纖維的研究工作，幾乎與世界同步,。經(jīng)過30多年的努力,，已經(jīng)研制出接近日本東麗公司T300水平的碳纖維產(chǎn)品，但產(chǎn)量和品質(zhì)都遠不能滿意國內(nèi)需求,，與國外差距甚遠,。與進步前輩水平相比，國產(chǎn)碳纖維的突出標題題目是碳纖維強度低,，均勻性和穩(wěn)定性都較差,，發(fā)展水平比發(fā)達國家落后了近20年～30年，而且生產(chǎn)規(guī)模小,，技術(shù)設(shè)備落后,，生產(chǎn)效益不理想。 目前碳纖維產(chǎn)能約3.5萬噸,，我國市場年需求量6500噸左右,，屬于碳纖維消費大國，但我國碳纖維2007年產(chǎn)量僅200噸左右,，而且主要是低性能產(chǎn)品,，沒有形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè),，絕大部分依賴進口,，價格非常昂貴，比如標準型T300市場價格每千克曾高達4000元~5000元,。由于缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐,，國內(nèi)企業(yè)目前尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。 我國碳纖維的質(zhì)量,、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模與國外差距很大,，其中高性能碳纖維技術(shù)更是被日本及西方國家壟斷和封閉。因此碳纖維要真正實現(xiàn)國產(chǎn)化需要一個漫長的過程,。由于市場短缺，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了“碳纖維熱",，眾多科研院所和企業(yè)紛紛啟動了碳纖維研究或千噸級產(chǎn)業(yè)化項目,。雖然當前國內(nèi)市場對碳纖維產(chǎn)品需求較大,，但盲目發(fā)展低于檔次品類存在很大風險，尤其現(xiàn)有產(chǎn)品研發(fā)停滯不前,，不能開發(fā)出新型配套系列產(chǎn)品,，這些千噸級項目實施后，市場產(chǎn)能出現(xiàn)過剩趨勢將成為必然,。 國內(nèi)企業(yè)不再照搬國外現(xiàn)成的技術(shù),，關(guān)鍵設(shè)備也在加快研發(fā)，某些關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)已取得了突破性成果,，而且原材料供應(yīng)充足,。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)特點十分明顯，技術(shù)多元化越來越受到重視,。從2000年開始,，我國已*放棄了硝酸法原絲技術(shù)，采用以亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù),。目前,，國產(chǎn)碳纖維百分級產(chǎn)品能與日本東麗的T700相媲美?？梢哉f,，我國多年來碳纖維產(chǎn)、學(xué),、研相結(jié)合研發(fā)的技術(shù)成果已不遜色于東麗的相應(yīng)技術(shù),。在我國完整的碳纖維研發(fā)鏈條下的碳纖維工程化研發(fā)出現(xiàn)了加速發(fā)展的勢頭。

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