浅谈碳纤维布加固对桥梁结构承载能力影响

时间:2022-09-07 10:55:33

浅谈碳纤维布加固对桥梁结构承载能力影响

摘要:通过广大学者们对桥梁加固技术以及加固后的桥梁承载力的影响研究,总结了碳纤维布对桥梁加固后极限承载力的影响以及简单的计算方法,并证实了碳纤维布在桥梁加固技术应用上的可行性、先进性和其符合“新材料、新技术”理论的发展。

关键字:碳纤维布;桥梁加固;极限承载力

1 前言

粘贴碳纤维加固法是近几年兴起的新型结构加固技术。碳纤维增强复合材料是一种性能优良的混凝土结构加固材料,它具有强度高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点,是近十年来在日本以及欧美等发达国家兴起的一项新型结构加固技术。该技术是将碳纤维这种高性能纤维应用于土木工程,利用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构件表面,形成复合材料体,通过其与结构或构件的协同工作,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

在旧桥加固中,碳纤维布可利用环氧粘合剂直接固定于桥梁加固部位,施工质量易于保证,不象粘贴钢板法那样还需要用螺栓固定。与粘贴钢板加固法相比,粘贴碳纤维片加固技术对原结构几乎没有什么损伤,减少了因不良加固带来的安全隐患。同时,由于加固用碳纤维布是一种抗拉强度高而抗剪强度较低的材料,因此可在施工现场非常方便地进行裁剪,除混凝土粘贴基面打磨需要小型打磨机具外,整个施工过程不需要其它施工设备,因此施工非常方便、快捷。从美观角度,碳纤维复合材料加固层厚度仅为几毫米,基本不改变原结构的设计尺寸,这对于位于景观要求较高地区的桥梁以及城市桥梁也是非常重要的。

2 碳纤维布加固对结构承载力的影响

对碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯构件的破坏形态、极限抗弯承载力的计算方法及影响承载力的各项因素如配筋率、混凝土强度、梁的高跨比、剪跨比、碳纤维用量等进行研究表明,粘贴碳纤维布后,可以提高梁的承载能力,但随着碳纤维布用量的增加,承载力提高的幅度减少。在钢筋混凝土梁开裂以后,碳纤维布能够约束裂缝的发展,随着荷载的增大裂缝发展缓慢,裂缝宽度和高度较钢筋混凝土梁小,裂缝间距小、数量多;钢筋屈服后,裂缝长度和宽度发展较快。钢筋屈服后由于碳纤维布的约束作用,加固梁仍然能够承受一定的荷载。

采用有限元法对碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件的受力特性进行了计算机仿真分析。由于旧有桥梁加固时,加固前已承受原桥恒载,即加固构件存在二次受力问题。加固后碳纤维布的应变滞后于试件的应变,因此应对二次受力情况下承载力的计算方法进行分析。碳纤维布粘贴前,构件受初始荷载作用,梁底部粘贴碳纤维位置存在一定的初始应变,此微应变即为碳纤维的滞后应变。粘贴碳纤维后,构件继续承受荷载,极限状态下碳纤维发展的应变为碳纤维的实际应变。实际应变和滞后应变之和即为极限状态下构件在该位置的应变,即应满足平面变形假定的应变。因此,二次受力加固梁的关键问题是碳纤维滞后应变的计算。国内外许多学者研究成果表明,碳纤维布加固梁的计算破坏状态与试验破坏状态基本吻合,但计算值存在一定程度的偏高。这主要是由碳纤维强度指标是由材料试验中标准试件的强度确定的,而实际结构中碳纤维的施工条件、受力状态与标准试件不同,因此在碳纤维布加固结构中应考虑降低碳纤维的作用。如果在碳纤维布加固梁承载力的计算公式中均考虑碳纤维的降低系数,那么各研究者的降低程度不统一,有的甚至存在较大的差异。

影响碳纤维布加固效果的参数很多,可以分成两类:第一类是加固梁本身的性能及原始情况,包括荷载情况、支撑情况、梁的高跨比、剪跨比、混凝土强度、配筋率、配箍率等;第二类是加固材料的性能,包括CFRP的厚度(层数)、弹性模量、极限延伸率以及胶层的剪切强度、厚度等。其中对极限承载力及破坏特征影响较大的是配筋率、CFRP的厚度(层数)及胶的剪切强度等。

抗弯承载力计算

碳纤维加固梁破坏时混凝土受压区不一定达到极限状态,因此对于不同的破坏状态应采取不同的等效矩形应力图。当破坏状态为混凝土压碎时,可采用按普通钢筋混凝土梁受弯理论计算时的等效矩形应力图;当破坏状态为碳纤维拉断时,受压区混凝土应力的分布较为复杂,应采用简化方法计算其等效矩形应力图。

(1)特征破坏受压区高度

(2)碳纤维加固梁破坏状态的判定及适用条件

3 结语

就目前的形势来看,碳纤维布加固技术在桥梁加固方案中的越来越受具有影响力,这不仅使桥梁加固后得到了更大的极限承载力,更是使桥梁加固技术推向了新技术、新材料的新境界。不过此技术尚不成熟,还需要广大学者的进一步研究。

参考文献

[1] 于天来.《碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能研究》[D]. 东北林业大学,2005.

[2] 沈浩《桥梁承载力时变规律研究》[D].长安大学,2011.

[3] 李松辉.《碳纤维布加固桥梁的设计理论研究》[D].大连理工大学,2003.

[4] 陈淮,邹旭岩,王艳,朱俊涛,钱辉.预应力碳纤维布加固空心板桥极限承载力全过程分析[J].公路交通科技,2010,27(9):68-72.

[5] 张文全.浅谈桥梁碳纤维加固技术[J].工程技术,2011.

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