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碳纤维布加固混凝土结构施工方案研究本科论文
摘要
碳纤维增强塑料(CFRP)加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术,它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。
由于碳纤维材料的轻质、耐腐、高强及施工便利,在加固领域得到了大量应用,有着其它结构加固材料无法比拟的优点。
首先对碳纤维布在结构加固中的应用现状进行了总结。
简述了碳纤维材料的优缺点,碳纤维加固技术和加固优点。
重点探讨了碳纤维布加固混凝土结构的加固设计方案与加固施工方案。
通过例子,对正截面、斜截面承载力进行了内力计算和配筋核算。
对斜截面承载力进行了验算,对正截面进行了加固处理。
使得实际加固效果达到加固设计要求,满足使用要求。
对加固施工的施工工序作了详细的论述,并且指出了加固中的质量保证措施。
此外,还对加固工程质量管理作了论述,主要从施工设计两个不同方面的特点入手,针对各自的特点进行质量管理。
关键词:
碳纤维布;混凝土结构;加固;施工;设计;质量管理
Abstract
Recently,anadvancedcompositematerialnamedCarbonFiberReinforcedPlastic(CFRP)hasemergedasanalternativetotraditionalstrengtheningmaterials,TheexistingreinforcedconcretestructurescanbestrengthenedbyexternallybondedCFRPtoimprovetheirmechanicalperformances.Manyadvantagessuchaslightweight,non-corrosive,simpleconstruction,andhightensilestrengthmakeitwidelyusedinstrengtheningfield.,whichotherstructurereinforcementmaterialsisunabletocompare.
Inthebeginning,thearticlesummariestheapplicationsituationofthecarbonfibersheetsinthereinforcedstructurefield,andbrieflypointsouttheadvantagesanddisadvantagesofcarbonfibersheets.Alsothereinforcementdesigningplansofthecarbonfibersheetsreinforcedconcretestructurearediscussedprimarily.Throughthecasestudy,tothesupportingcapacityofthealignedsectionandtheobliquesection,theendogenicforcecomputationandmatchingsteelcheckingarecarriedon.Thesupportingcapacityoftheobliquesectionischeckedandreinforcementisdealtwithtothealignedsection,thesemaketheactualreinforcementeffectreachthedesigningandusingrequirements.Detailedelaborationsaremadeonthereinforcementconstructionproceduresandwhatshouldbepaidattentiontoinreinforcementconstructionarepointedoutinthisarticle.Inaddition,qualitymanagementofreinforcementprojectiselaboratedonfromtwodifferentdesigncharacters,andqualitymanagementismadetorespectivecharacter.
KEYWORDS:
carbonfibersheets;concretestructure;strengthen;construction;design
qualitymanagement
目录
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ
前言……………………………………………………………………………………1
第1章概论…………………………………………………………………………2
1.1碳纤维布加固混凝土结构的应用现状………………………………………2
1.1.1国外状况………………………………………………………………3
1.1.2国内状况…………………………………………………………………4
1.2碳纤维材料和碳纤维加固技术及加固优点…………………………………5
1.2.1碳纤维材料优点…………………………………………………………6
1.2.2碳纤维材料缺点…………………………………………………………7
1.2.3碳纤维加固技术…………………………………………………………7
1.2.4碳纤维布加固优点………………………………………………………8
1.3我国碳纤维加固技术存在的问题……………………………………………8
第2章碳纤维布加固混凝土结构设计方案的确定………………………………10
2.1粘贴碳纤维布加固工程设计的规定…………………………………………10
2.1.1加固工程设计的一般规定………………………………………………10
2.1.2加固设计原则……………………………………………………………11
2.2粘贴碳纤维布加固工程设计方案的计算……………………………………11
2.2.1工程概况…………………………………………………………………11
2.3承载力验算……………………………………………………………………12
2.3.1基本假定…………………………………………………………………12
2.3.2正截面受弯承载力验算…………………………………………………13
2.3.3斜截面受剪承载力………………………………………………………14
2.4碳纤维加固设计保证措施……………………………………………15
第3章碳纤维布加固混凝土结构施工方案的确定……………………17
3.1碳纤维布加固工程施工规定………………………………………………17
3.3.1加固工程施工一般规定…………………………………………………17
3.2碳纤维布加固施工的施工工序……………………………………17
3.2.1施工准备…………………………………………………………………18
3.2.2混凝土表面处理…………………………………………………………18
3.2.3配置并涂刷底层树脂……………………………………………………18
3.2.4找平处理…………………………………………………………………18
3.2.5粘贴碳纤维布……………………………………………………………18
3.2.6施工养护与保护…………………………………………………………19
3.4碳纤维加固施工质量保证措施…………………………………………19
第4章碳纤维布加固工程质量管理………………………………………………21
4.1碳纤维加固工程设计质量管理………………………………………21
4.1.1碳纤维加固工程设计的特点……………………………………………21
4.1.2碳纤维布加固工程设计质量管理………………………………………21
4.2碳纤维加固工程施工质量管理…………………………………………23
4.2.1碳纤维加固工程施工的特点……………………………………………23
4.2.2碳纤维布加固工程施工质量管理………………………………………24
结论…………………………………………………………………………………25
致谢…………………………………………………………………………………26
参考文献……………………………………………………………………………27
前言
我国现有的钢筋混凝土结构,有一部分受到不同程度的损伤,需要对其进行加固。
当前在工程结构加固改造市场上,最热门的加固技术莫过于碳纤维织物的粘贴加固。
其原因,固然与这种材料本身的优点,诸如:
重量轻、强度高、耐酸碱、不占原有的建筑物空间、施工简便且几乎无湿作业等等有关。
因此,在各种加固改造场合中,总会有很多碳纤维加固方案参与竞标,即使有些工程并不适宜采用碳纤维,或是有些低档次的碳纤维及其所使用的劣质胶粘剂并不能用于承重结构,但仍然会有说客把它捧的天花乱坠。
在这种情况下,很容易因使用不当,或使用了伪劣产品而造成安全事故。
调查表明,这两三年来,已有不少这类案例出现,其所造成的损失是很难估计的,因而很值得加固改造业的设计、施工、管理和业主单位重视。
为了制止上述不良行为的继续蔓延,虽然需要由多方面的管理部门共同做出努力,但若能正确掌握这种新材料的基本性能及其适用的范围和条件,以及其设计和施工要点,正确的方案设计,则仍然可以防患于未然。
进行碳纤维布(CFRP)持载加固混凝土柱和外贴碳纤维布加固钢筋混凝土的施工质量管理,对保证结构加固效果具有重要意义。
碳纤维增强材料加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术,它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。
在综合国内外加固钢筋混凝土构件的研究现状的基础上,结合当前存在的问题提出有效地施工管理措施是非常必要的。
本文通过对碳纤维加固混凝土结构的设计方案,施工方案的选定及总体的施工质量管理,对这个问题进行了简单的讨论,并提出了一些建议。
作者认为,只熟悉加固原理,熟练掌握施工工艺是不能够统观大局,只会无目的的乱干。
相反,不论加固工程如何复杂,首先对所需加固的工程进行设计方案的确定,并按设计方案进行相应施工方案的确定,严格按方案去执行和相关的施工质量管理。
会达到事半功倍的效果。
对这方面的研究有着深远的意义。
第1章概论
1.1碳纤维布加固混凝土结构的应用现状
近年来,人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求不断增强,越来越多的新型结构体系发展,尤其是高层建筑的兴起更给予工程师们以广阔的设计空间,各种建筑结构类型不断翻新,各种新型建筑材料也不断涌现以适应建筑业的发展要求。
在新建房屋不断增加的同时,对现有结构的维护和补强加固也开始引起了工程界的广泛重视。
建筑物都有一定的设计基准使用期,我国取为50年,如以此设计基准推算,四五十年代已建的混凝土结构,目前它们大多正处于需要维修加固改造的高峰。
有人预计,在21世纪初我国将出现混凝土结构物维修高潮,并将持续相当一段时间,每年所需维修费用可能高达数千亿元之多。
同时,有很多因素会缩短现有建筑结构的使用寿命,结构实际工作荷载的增加,混凝土的损坏和预埋钢筋的腐蚀,以及疲劳等原因,导致结构物裂缝宽度的增加,过度的挠曲变形。
这些出现问题的结构,大多数情况下,往往并不允许将其全部推倒重建,而从经济角度考虑,采取适当的技术措施,对其进行补强与加固处理,使这些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求,继续为社会服务,更是可行的解决方法之一。
随着我国安居工程和住宅产业化的发展,用户对工程质量和使用功能的要求越来越高,当出现更改原结构设计、施工过程中出现差错,或者发生风灾、火灾等意外损坏情况时,则需要对原建筑物进行补强加固处理。
由于我国多数地区都处于地震区,在这些地区对建筑结构进行抗震加固以及对震损结构的修复,也常常是结构工程师的主要工作内容。
总之,在现代社会中对建筑物的补强加固技术进行开发研究是非常必要的,具有重要的社会效益和巨大的经济效益。
随着时间的推移,结构加固作为结构工程的一个分支学科、正方兴未艾。
结构的加固改造技术近些年来取得了长足的进展,新材料、新技术不断应用到这一新兴领域。
原始的加固方法有很多,如
(1)加大截面加固法;
(2)外包钢加固法和粘钢加固法;(3)预应力法;(4)增加附加支撑构件加固法;(5)修补裂缝法。
但是,大多数方法虽然对改善结构的强度、刚度以及抗震性能起到了一定的作用,但它们也存在着许多缺点,
(1)自重大,由此可能会造成连锁补强问题;
(2)对建筑物的使用功能、美观造成很大影响;(3)抗腐蚀性能差,易丧失其应有功能,尤其在厂房中显得尤为突出;(4)施工复杂且周期长,影响了正常工作及生活,社会效益差。
在80年代末,基于粘钢加固法的思路,出现了以纤维增强材料(FiberReinforcedPlastics)代替钢板作为混凝土结构补强材料的新思路。
最近几年,国外通过外部粘贴纤维树脂层增强混凝上结构的研究逐渐升温,其实际应用也越来越普遍。
其技术特点是:
建筑空间利用率高、增强目的和部件多样、耐久性好、施工方便。
在利用纤维增强材料进行加固混凝土结构的研究开始,人们曾尝试采用了不同的纤维复合材料进行加固,主要包括:
碳纤维(CarbonFiberReinforcedPlastics)、玻璃纤维(GlassFiberReinforcedPlastics)、芳纶纤维(AramidFiberReinforcedPlastics)。
而碳纤维因为其优异的物理力学性能,而受到研究人员广泛关注。
目前,碳纤维已成为新型加固材料的主流。
1.1.1国外状况
己有文献显示,最早开始发展CFRP加固技术的国家是德国和瑞士,随后日本也展开了激烈的竞争开发。
从此,欧、美、日等发达国家开始了利用CFRP加固混凝土结构的研究并将其用于工程实践。
现在利用CFRP对已有建筑物进行加固的技术已开始在世界各地迅猛发展。
(1)美国状况美国是世界上最早利用复合材料的国家之将CFRP复合材料用于,混凝土结构加固是在80年代后期,已于1991年将CFRP应用于桥面板补强加固中,美国加里福尼亚州运输部在1996年春季的192号计划批准时,为该州桥梁加固工程提高抗震等级批复了20亿美元进行桥梁加固.正是这种加固的需要,带动了美国CFRP产品在加固方面的应用.1998年,美国报道了JRCI公司应用CFRP材料加固了3480座混凝土桥墩,工期仅为3个月,目前,CFRP材料正越来越多地应用到结构方面。
(2)日本、韩国状况日本于80年代初开始开发研究应用连续纤维增强材料—
CFRP补强加固已有的钢筋混凝土建筑物,各种科研机构及高等院校进行了大量的研究,取得了长足的进展,特别是对抗震加固的性能与效果进行了研究。
Merier进行了采用碳纤维板加固的可行性研究,指出可以用碳纤维板代替钢板,从而简化施工方法、降低总成本。
Saadamanesh和Ehsani研究了碳纤维板加固梁的抗弯性能,认为选择合适的粘接剂对提高校加强构件的机械性能尤为重要,还研究了不同材料性能和数量对加固梁强度的影响。
Triantafillou和Plevris研究了碳纤维加固梁不同破坏形态的破坏机理。
自从1986年第一次投入使用后,它已经被用于维护和加固公路桥面板、桥墩、隧道、烟囱、高速路和房屋等数千个修缮工程,特别是阪神大地震后,用碳纤维材料加固修补大量的混凝土结构(如Hata桥面,Hiyosh—ikura桥面、Yoshino隧道等)。
在韩国,三丰百货大楼倒塌后,大量应用碳纤维布加固、修补其混凝土结构,同时在建筑结构物方面的应用已得到认可,1996年有100m2以上的碳纤维布投入使用,并把这种方法应用到土木工程结构的其他方面。
(3)欧洲状况在欧洲,瑞士EMPA实验室、德国IBMB研究院最早开始了采用不同的FRP材料加固混凝土梁的弯曲性能实验研究,且在1990年之前就已经应用于6座桥梁的补强加固工程。
意大利于1996年首次大批量投入使用,一年进行了五项大的工程加固,涉及到了建筑物、桥梁等(如《南部地区》报社展览大厅、法拉明尼亚公路高架桥等)。
在近二十年的研究和实践中,这项技术在欧洲已近成熟,且推广开来,并形成了自己的设计和施工准则。
总之,发达国家利用CFRP进行混凝土结构加固技术己经比较成熟,尤其是在抗震加固性能与效果方面进行了大量研究,在此基础上编制了行业标准与规范,使这项技术逐步走向产业化。
1.1.2国内状况
我国的碳纤维加固修补混凝土结构技术起步较晚,是在20世纪90年代开始的,但自1997年以来,国内单位进行这方面的研究趋于活跃,已经形成了科研院所、高等院校、生产单位、商业公司共同努力,技术飞速发展的势头,取得了大量的科研成果,完成了大量的工程应用。
其中,中国国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、东南大学、天津大学等都是国内对此技术进行系统研究的单位之一。
中国国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心的岳清瑞等考虑二次受力时碳纤维布加固混凝土构件正截面受力特征,提出了一种考虑二次受力时碳纤维抗弯加固承载力的计算方法。
同时,根据不同受力状态下碳纤维布与混凝土间粘结性能的试验,统计分析了碳纤维布与混凝土之间粘结性能的变化规律,初步描述了碳纤维布与混凝土间的粘结机理,总结认为对碳纤维布与混凝土之间粘结强度有较大影响的因素有粘结界面受力的形式、混凝土强度等级、施工质量、材料性质和品种等。
根据对碳纤维布加固钢筋混凝土柱后弯矩——曲率关系分析,发现采用碳纤维布加固可以提高柱的变形能力,提高往的变形能力和滞回耗能能力,使混凝土柱的延性性能和抗震性能得到显著改善。
东南大学的吴刚、吕志涛等对用碳纤维布加固钢筋混凝土梁后的抗弯以及抗
剪破坏特征、承载力及影响因素进行了研究与分析,并提出了受弯与受剪的承载
力计算公式,供工程应用参考。
同时还利用有限元分析程序进行了粘贴碳纤维加固时梁中粘结界面应力的计算分析,发现在影响粘结界面应力的主要因素中,胶层越薄,胶层弹性模量越高,粘板端点离支座越远,粘板越厚,粘板弹性模量越高,粘结应力就越大。
此外,天津大学的赵彤、谢剑、戴自强等也从1997年开始便开始了对碳纤维材料在土木工程中的应用做了深入的研究。
在对碳纤维材料与粘接剂的材料性能、碳纤维布约束混凝土的受力特性、碳纤维布补强加固钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力及斜截面承载力、碳纤维布补强加固钢筋混凝土柱正截面承载力及改善钢筋混凝土柱的抗震性能、碳纤维布对提高高强混凝土抗压强度和改善其延性的作用、碳纤维布加固砌体结构的受力和变形特性等各个方面进行了大量的试验,并取得了一批很有价值的试验数据和研究成果。
到现在,由于从事碳纤维材料应用技术研究开发人士的大力推广,这项技术己经从基本不为人知,发展到现在的广为人知。
从主要用于工业与民用建筑的加固修复发展到加固桥梁、隧道、水利工程以及其他特种结构的加固修复。
不但加固混凝土结构的实际工程数量急剧增长,对砌体结构、木结构、钢结构等采用CFRP进行加固修复的实例也不断出现。
加固修复采用的CFRP材料从主要为碳纤维材料发展到以碳纤维材料为主,其他纤维材料为辅,以片材为主,兼用其他型材。
从单纯的结构加固到CFRP与其他建材的组合结构的趋势,应用范围不断扩大。
统计数据显示,在我国CFRP用于工业与民用建筑物结构加固修复的项目数量目前要远远大于加固修复桥梁的项目数量,这与其他国家有较大的区别,而在其他国家,FRP主要用于结构(尤其是桥梁)的抗震加固。
在我国,对桥梁结构的抗震设计要求相对较高,现阶段主要要求进行一般的承载力加固、病害后的修复随着技术的发展和社会需要的变化,CFRP用于桥梁结构抗震加固的实例也在逐渐增长,同时在水利工程、海洋及港口工程、特殊环境下工程应用FRP的研究也开始了。
1.2碳纤维材料和碳纤维加固技术及优点
1.2.1碳纤维材料优点
(1)高效高强由于CFRP优异的物理力学性能,在加固修补混凝土结构时,可以充分利用其高强度,高弹性模量的特点来提高混凝土构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固修补的目的。
这对于抗震加固修补具有重要的意义。
(2)具有良好的耐久性和耐腐蚀性由于碳纤维材料的化学特性,决定了碳纤维加固修补的混凝土结构具有良好的耐久性和腐蚀性,可以抵抗建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐等物质的腐蚀。
应用碳纤维加固修补方法对结构进行处理后,不必进行防锈维护,从而节省维修费用。
而且其本身还可以起到对内部混凝土的保护作用,达到双重加固修补的目的。
(3)适用面广碳纤维布加固修补技术可广泛应用于各种结构类型(如建筑物,构筑物,桥梁,隧道,涵洞,烟囱等),各种结构形状(如矩形,圆形,曲面结构等),各种结构部位(如梁,柱,板,拱,壳,墩等)的加固修补。
而且不改变结构形状,不影响结构的外观,这是目前任何其他结构加工方法都无法比拟的。
尤其重要的是,对于一些大型的土木工程结构,如大型桥梁的桥墩,桥梁及桥板,隧道,大型简体及壳体结构等,采用原有的传统加固方法几乎无法实施,而采用该技术都可以很顺利的解决。
(4)施工便捷,施工功效高没有湿作业,不需要大型施工机具,无须现场固定设施,施工占用场地少。
成品的碳纤维加固材料是一种织物,其幅宽可以为20cm、30cm、50cm,甚至100cm不等,长度为50~100m。
卷成卷,现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片进行裁减,不像钢板那样需要专门的切割工具,同为粘贴加固法,粘贴碳纤维布是粘贴钢板施工功效的4~8倍。
(5)施工质量容易保证由于碳纤维材料是柔性的,所以在被加固的结构表面不平整的时候可以基本可以保持近100%的有效粘贴率。
即使粘贴后发现表面局部有气泡也容易处理,只要用树脂注射器将树脂注射进气泡中将空气赶走就可以了。
(6)对结构无额外的负担碳纤维材料质量轻而且很薄,粘贴后每平方米重量不到1.0Kg(包括树脂重量),粘贴一层厚度仅为1.0mm左右,加固修补后,基本不增加原结构自重和原构件尺寸。
(7)对原结构无新的损伤通过环氧树脂系列材料与结构有效粘贴,不需要设置锚固螺栓等。
1.2.2碳纤维材料缺点
(1)延性不足这几乎是碳纤维最大的一个缺陷,无论是布材,板材或筋材,都是由许多单丝纤维组成的,纤维之间依靠树脂材料传递剪力来共同工作。
由于纤维与树脂在截面上分布不均匀,缺乏延性,使得单丝的碳纤维达到极限强度后即断裂,高应力区的纤维断裂时低应力区的纤维强度远远发挥不出来,另外,单丝强度具有一定的离散性,材料的整体强度远远低于单丝强度。
加固后碳纤维布的延性不足就会造成构件的延性不足,构件可能会发生脆性破坏。
这一点度与需要较大变形或抗震要求比较高的结构来说是十分不利的。
(2)弹性模量与强度的比值过低CFRP的强度非常高,一般都达到3000Mpa以上,而且弹性模量相对来说却低得多,常压情况下只有230Gpa。
要发挥较大的强度,碳纤维增强塑料需要相当的变形,当与钢筋共同工作时,钢筋屈服后CFRP只能达到强度的20%左右,如果按照刚度的要求采用大量的CFRP来控制结构的变形和裂缝的发展,在经济上与粘钢等加
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