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梁桥加固粘贴碳纤维加固法

发布日期:2017-03-02 05:50:39 浏览量:1767

粘贴碳纤维加固法是利用粘结剂将碳纤维增强复合材料( CFRP) 粘贴在混凝土构件表面,如图7-4-1 所示。当结构荷载增加时,碳纤维布因与混凝土协调变形而共同受力,从而提高了混凝土构件的承载能力与刚度, 对构件起到了加固作用。

碳纤维加固法示意

一、适用范围
粘贴碳纤维加固法可用来加固主梁、墩台等承重构件, 也可用来加固非承重构件。
碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强中, 以提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力, 提高构件的刚度以及延性等。此外可用于控制混凝土构件裂缝宽度的发展。
碳纤维片材( 特别是碳纤维布) 质量轻且厚度薄, 具有一定柔度, 可在混凝土桥的某些部位灵活粘贴加固。
二、施工要点
粘贴碳纤维加固法的施工要点见图7-4-3。

粘贴碳纤维加固对策施工流程

现对粘贴碳纤维加固法具体施工工艺进行说明:
( 1) 施工前的准备: 熟悉施工现场和被加固构件混凝土的实际情况, 拟出施工大纲;
提前准备好所需的纤维布、配套树脂、机具等。

( 2) 混凝土表面的处理: 用砂轮机清除和打磨混凝土表面层, 凿除被加固构件表面的剥
落、疏松、蜂窝、腐蚀等部分混凝土,并用修复材料将表面修复平整。在裂缝部分注入环氧
树脂浆进行修补。基面的错位与凸出部分要磨平, 可在锚固加强区每隔5cm 刻痕一道, 以
加强粘贴效果。转角部位要进行倒角处理并打磨成圆弧状, 圆弧半径不应小于2cm 。清除
工作面的灰尘并保持干燥。
( 3) 清洗基面: 用钢丝刷刷去表面松散浮渣, 再用压缩空气除去粉尘。用丙酮或无水
酒精擦拭表面, 也可用清水冲洗, 保证其充分干燥。
( 4) 配制底层树脂并涂刷: 按比例准确配制好底胶并搅拌均匀, 注意一次调和量在规
定时间内用完( 超过时间的绝不可使用,以确保粘接质量。用毛刷将底层树脂均匀地涂抹在
基面上, 注意直横均匀涂抹, 自然风干( 冬季施工时胶的粘度较高, 不能涂得太厚)。底胶
硬化后,若表面有凸起部分,应用砂纸或磨光机打光,待底胶指触干燥后再进行下一道工序。
( 5) 配制找平材料并整平: 用找平胶填补粘贴面上的凹陷部位, 消除棱角; 用找平材料将转角处修复为光滑的圆弧, 待找平胶指触干燥后再进行下一道工序。
( 6) 配制粘结树脂。
( 7) 粘贴碳纤维( 碳纤维片): 在粘贴面上划出各层位置, 按设计尺寸裁剪碳纤维布,根据现场施工经验和作业空间确定下料长度, 若需接长时, 接头的长度一般不小于15cm。裁剪好的纤维布必须呈卷状妥善摆放,不得展开平铺放置。配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位。粘贴碳纤维布时,应依设计位置由上而下,由左至右有秩序地粘贴(见表7-4-1)。用一次性软毛刷或特制滚筒沿纤维方向多次涂刷,挤去气泡,并使浸渍树脂充分浸透纤维布,涂刷时不得损伤纤维布。多层粘贴重复上述步骤,待纤维表面指触干燥时即进行下一层的粘贴。及时观察贴片是否粘贴密实, 若发现有间隙或气泡, 应及时处理。

( 8) 罩面防护处理: 粘贴完碳纤维布后, 及时在最后一层的碳纤维布表面再直横均匀涂抹一层浸渍树脂,并使其自然风干。贴片表面已充分风干结合后,在其表面涂抹罩面胶或采取其它措施处理, 以保证防护材料与原有纤维布之间有可靠的粘结。

三、施工材料
粘贴碳纤维加固的施工材料主要有碳纤维片材或碳纤维板材、底涂胶、找平胶和粘贴
胶等。
1. 碳纤维复合材料
加固混凝土构件所用的碳纤维布, 是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维
布在编织时, 将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺, 用极少的非主方向碳纤维丝将
主方向碳纤维丝编织连接在一起, 形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的
抗拉强度一般可达到3550MPa, 弹性模量为2.35 × 105MPa。根据碳纤维布的品质不同, 其
厚度为0.11~ 0.43mm,幅宽在20~ 100cm,卷材长度为50~ 100m。除此之外,还有一种叫
碳板的材料, 较布材厚, 厚度在1.2mm 以上, 性能与布材相似。
2. 粘结材料
粘结材料的性能是保证碳纤维布与混凝土共同工作的关键, 也是两者之间传力途径中
的薄弱环节。粘结材料应有足够的刚度与强度以保证碳纤维与混凝土间剪力的传递, 同时
应有足够的韧性以避免因混凝土开裂导致脆性粘结破坏。粘结材料还应能在一般气候条件
下固化, 且固化时间合适( 一般保证有3 小时左右), 对组分含量不敏感,具有适宜的流动
性和粘度,固化收缩率小。粘结材料主要包括底涂胶、找平胶、浸渍树脂和罩面胶等四种,
详见图7-4-3。

粘贴碳纤维布的各层材料示意

( 1) 底涂胶:在处理好的混凝土表面,涂一层很薄的底涂胶,既可以浸入混凝土表面,强化混凝土表面强度,又可以改进胶接性能,使混凝土与碳纤维布能够更好的粘接。底涂胶必须具有很低的粘度,以及与混凝土良好的粘结性能,以便涂刷后,胶粘剂能渗入混凝土结构中。为保证性能, 应尽量避免使用溶剂型胶。
( 2) 找平胶:加固补强处的混凝土表面有锐利突起物、错位和转角部位等都可能降低碳纤维布补强效果。若经过基底处理仍未彻底清除,应在涂敷底层涂胶指触干燥后,用找平胶进行找平。找平胶应具有优良的力学性能,以及良好的施工性能与触变性能。找平胶应易于施工操作, 且不随时间的延长出现明显的变形。
( 3) 浸渍树脂( 粘贴主胶): 是连接底胶与碳纤维布, 在粘结材料中起着至关重要作用的关键材料。浸渍树脂应具有一定的粘度, 防止粘贴的碳纤维布塌落而形成空洞或空隙。

浸渍树脂应具有良好的触变性,易于施工且不会发生明显的滴淌现象。浸渍树脂应具有良好的渗透性与相容性, 以利于浸透碳纤维布, 形成复合性整体, 共同抵抗外力作用。
( 4) 防护涂装( 罩面胶): 保证施工表面的美观和碳纤维布的完好。所选材料应能涂敷在碳纤维布表面,不脱层,不掉落,能长期在冷热干湿的空气中稳定,能防止复合材料被紫外线直接照射。罩面材料的选择范围较大, 丙烯酸体系、聚氨脂体系、不饱和聚脂体系、有机硅、有机氟体系等都适合。
四、施工要求
粘贴碳纤维施工的具体要求有:
( 1) 被加固构件的基面应平整且具有一定强度( 一般基面混凝土强度不低于C15)。
( 2)加固用的碳纤维布一般不宜采取沿主纤维方向的搭接( 特别是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固)。搭接部位应避开构件应力最大区段,搭接长度不应小于100mm,且搭接端部应平整无翘曲。多层搭接的各层接口位置不应在同一截面, 每层接口位置的净距宜大于200mm。
( 3) 应注意底涂胶、找平胶、粘贴主胶、罩面胶等胶粘剂间的相容性, 施工前应进行相容性试验。
( 4) 粘贴施工应在气温高于5℃ 且为晴天时进行。
( 5) 施工过程应避免在振动过大的构件上进行, 如行车引起的振动。
( 6) 施工人员应穿工作服, 戴防护口罩和手套。施工现场应保护良好的通风。

五、力学要点

碳纤维复合材料( CFRP) 通常由纤维和基体组成。碳纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性, 不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀和耐疲劳等优异的物理力学性能, 但也存在着某些弊端。
抗拉性能优良的碳纤维布粘贴到梁体底面或箱梁内壁后, 与原结构内布置的钢筋一道共同承受拉力, 提高了桥梁的承载能力。
沿桥梁的主拉应力方向( 或与裂缝正交方向) 粘贴碳纤维布, 两端分别设置锚固端,可以约束裂缝的扩展, 提高构件的抗弯刚度、改善梁体的受力状态。
试验研究证实, 碳纤维布能够提高混凝土梁抗剪承载力, 其作用机理与箍筋类似, 同时还能明显改善构件的变形性能。
碳纤维布加固混凝土构件, 在提高构件受弯承载力的同时还可能影响到受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时, 构件的破坏形态将由碳纤维被突然拉断或剥离引起的破坏转变为混凝土被突然压碎的破坏。因为这种破坏的突然性, 碳纤维加固的承载力极限状态不能按普通钢筋混凝土构件来定义, 一般应按碳纤维抗拉强度的2/3 进行抗弯承载力计算。
碳纤维为完全弹性材料, 与钢筋共同工作时会减弱钢筋塑性性能对构件延性的影响。
碳纤维布用量过多, 钢筋混凝土构件的延性将有所降低。

六、设计要点

采用碳纤维布加固桥梁, 目前一般的计算方法是将碳纤维布按照一定的标准( 例如强度或允许应力) 近似换算成一定用量的钢筋, 然后按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行分析。这一方法在一般情况下是适用的。
碳纤维布加固用量, 可按式( 7-4-1) 估算:
cf A = s A ( f / cf f ) ( 7-4-1)
式中: cf A — — 碳纤维布用量( 面积);
s A — — 为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积;
f — — 钢筋的抗拉设计强度;
c f f — — 碳纤维布抗拉设计强度。
除按上式估算的碳纤维布加固用量( 面积) 外, 还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积, 以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。
与传统的加固方法相比, 采用碳纤维布加固桥梁基本不改变原有结构的应力分布, 并保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。
碳纤维布的自重仅为200~ 300g/ m2, 设计厚度为0.111~ 0.167mm, 几乎不增加结构自重和截面尺寸, 不改变桥下的净空高度, 而且碳纤维布可以在一个部位重叠粘贴, 充分满足补强的要求, 这一点比传统加固方式更加优越。如果粘贴层数较多, 可考虑采用碳板材料。粘贴碳纤维加固法具有良好的适应性, 可适应不同构件形状, 成型方便, 如对斜、弯、坡及异型结构的补强, 碳纤维布因随型性极强, 可以随结构外形变化任意施工, 可降低施工难度, 缩短施工工期。又如当箱梁内部加固作业因空间受到限制, 无法安置大型设备、模板、夹具或支撑等, 使用该法, 施工起来简单易行。加固时不必对原结构打孔和埋
设锚固螺栓, 因而对原结构不会造成新的损伤。粘贴碳纤维加固法具有良好的耐腐蚀性,寿命较长, 可以在不利环境下使用, 并便于养护。但碳纤维会影响到受弯构件的破坏形态及其延性。
就目前来看, 碳纤维材料价格偏高, 加固时应进行经济技术比较; 另外, 粘贴碳纤维加固法对施工工艺要求很高, 非专业施工单位难以承担。
事实上, 碳纤维增强聚合物( CFRP) 只是纤维增强聚合物的一种。除此之外, 还有玻璃纤维增强聚合物( GFRP)和阿拉米德( 芳伦)纤维增强聚合物( AFRP)等。早期的GFRP强度低,不耐碱腐蚀,桥梁工程中应用不多。如今的GFRP 在抗拉强度品质方面有很大提高,应用也越来越多。AFRP 出现较晚( 上世纪七十年代),与CFRP 有类似的属性,价格较CFRP便宜。
FRP 材料除以片材、板材供应外, 还可制成如同钢筋一样的杆件材料, 某些情况下可代替钢筋。

由于CFRP 的抗拉强度很高,粘帖加固时难以发挥其材料优势,现在正发展预应力碳纤
维加固技术



文章来源: 凤凰加固公司
本文链接: http://www.nnmenye.com/a_20170228195850.html
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