碳纖維復(fù)合材料加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

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1、碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用摘要:碳纖維具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能,因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法,在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。本文以一個石化行業(yè)的鋼筋混凝土框架改造工程應(yīng)用為例介紹了碳纖維復(fù)合材料在因功能改變引起荷載變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的計(jì)算方法和施工工藝。關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)?一、概述碳纖維復(fù)合材料(CarbonFiberPeinforcePlastic)加固技術(shù)是利用樹脂類粘接劑(建筑結(jié)構(gòu)膠)將碳纖維粘貼到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面,形成復(fù)合材料體,通過碳

2、纖維與構(gòu)件的協(xié)同工作,來提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力和延性的一種加固技術(shù)方法。采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點(diǎn):1、抗拉強(qiáng)度高,是普通鋼材的10倍,并具有比鋼材更好的抗疲勞性能;2、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性;3、自重輕(約200g/m2),密度只有普通鋼材的1/4;基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,適用范圍廣,適合任何形狀;4、施工簡便(不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料),沒有濕作業(yè),易于操作,經(jīng)濟(jì)性好;5、適用范圍廣,施工工期短。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國家,我國起步很晚,近年來發(fā)展十分迅速,在航空、航

3、天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國家也于2003年編制了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)。本文結(jié)合具體的石化行業(yè)一鋼筋混凝土構(gòu)架加固工程,介紹了碳纖維加固技術(shù)實(shí)例。二、結(jié)構(gòu)概況和加固設(shè)計(jì)1、工程概況本工程中需加固的構(gòu)架為齊魯石化公司催化劑廠漿液貯存鋼筋混凝土框架,結(jié)構(gòu)為一層平臺,平臺高5.200米,跨度7.3米,五榀框架,框架總長22.25米,平面尺寸見下圖所示。平臺上放置四臺漿液貯存罐,正常工作狀態(tài)下,每個罐體總重850kN,無振動,現(xiàn)要在平臺上再增加兩臺各重85kN的剝片機(jī)。原有構(gòu)

4、架設(shè)計(jì)及施工結(jié)束于2001年,由于新的混凝土規(guī)范、荷載規(guī)范及抗震規(guī)范實(shí)施于2002年,新舊規(guī)范的差異及新上設(shè)備荷載的增加,造成原有構(gòu)架明顯不能滿足使用要求,多處梁的配筋量低于現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)約25%~35%,由于工期緊,配筋差異較大,8經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較,決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固,以盡快加固完畢,安裝設(shè)備,早日投產(chǎn)運(yùn)行。加固設(shè)計(jì)時將碳纖維復(fù)合材料按強(qiáng)度換算成鋼筋量,按照與鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎計(jì)算同樣的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用極限狀態(tài)法進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算。2、材料特性⑴本工程使用德國進(jìn)口的碳纖維布(C200),其主要性能指標(biāo)見表1:表1

5、:碳纖維布主要性能指標(biāo)型號單位面積質(zhì)量(g/cm-2)抗拉強(qiáng)度fcf(Mpa)彈性模量Ecf(Mpa)備注UDO20020049002.3×105⑵粘貼用樹脂采用國產(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠,其主要性能指標(biāo)見表2:表2:配套膠主要性能指標(biāo)種類拉伸強(qiáng)度MPa壓縮強(qiáng)度MPa剪切強(qiáng)度Mpa適用溫度℃可使用時間min基底樹脂(JGN-E)---0~3815~30修補(bǔ)樹脂(LGN-F)>28>50>180~38>40粘結(jié)樹脂(JGN-D)>28>50>180~38>603、加固設(shè)計(jì)83.1基本假定碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計(jì)算采用如下基本假定:受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì);梁受

6、彎后,混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定;(3)碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。3.2加固設(shè)計(jì)根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)的規(guī)定,采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算??紤]到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除,故不考慮二次受力的影響。取圖中梁L-1為例,梁全長7.3m,截面350x1000mm,原配受拉鋼筋7Φ25+2Φ22(4196mm2),受壓鋼筋5Φ20mm(1571mm2),箍筋φ8@100~200。梁截面:b×h=350mm×1000mm,C30混凝土,原梁配有As

7、0=4196mm2As0'=1571mm2按原設(shè)計(jì)計(jì)算最大彎矩設(shè)計(jì)值:x=(fyAs-fy'As')/fcb=157mm8Mu=fcbx(h0-x/2)+fy'As'(h0-a’)=14.3x350x157x(930-78.5)+300x1571x(930-40)=1088.6kN·m本設(shè)計(jì)梁底粘貼一層碳纖維板,厚1.0mm,幅寬為梁底寬350mm,Acf=350mm2;梁端負(fù)筋處粘貼一層碳纖維布,厚0.5mm,幅寬350mm;全梁設(shè)U型碳纖維布箍,每道150寬,間距300,布厚0.167mm,加固簡圖如下所示:加固后梁的彎矩承載力按規(guī)程

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