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用粘贴碳纤维片材加固钢筋混凝土受弯构件时应注意的四个问题
    将粘贴碳纤维片材方法用于工程结构补强加固在我国已有十多年时间了。自从我国编制了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECSI46:2003)以后,粘贴碳纤维片材加固法在我国发展神速,已成为我国结构加固的一种主要方法。
粘贴碳纤维片材加固法之所以被广泛应用,主要是因为它具有很高的抗拉强度,它的抗拉强度标准值不低于3000N/mm2,设计值一般取2000N/mm2。它的抗拉强度设计值是HPB235钢的9.5倍,是HRB335钢的6.7倍,是极限强度为1860N/mm2钢绞线的1.5倍。
这样高的抗拉强度是否能充分发挥作用?这个问题还很少有人作深入研究,例如超筋问题、裂缝宽度问题、刚度问题和粘结剂提前损坏问题。
下面将就这些问题进行深入探讨。
一、 超筋问题:
我们知道,普通钢筋砼梁和预应力砼梁当配筋大到一定程度时,受压区混凝土首先破坏,受拉配筋在梁的极限状态时会达不到规范的设计强度,而且使得构件的极限变形太小,呈脆性破坏状态,我们称这种梁为超筋梁。对于采用粘贴碳纤维片材加固的梁,由于碳纤维布的强度很高,充分发挥作用时需要达到的拉应变比普通钢筋要高出很多倍,所以超筋的问题更加突出,更有必要加以深入探讨。
1、 超筋界限值的定义:
我们把超筋界限值定义为:在手压边缘砼达到极限压变时,受拉区的碳纤维片材的规定设计强度刚好达到,此时的截面特征值称超筋界限值。
超筋界限值有多种表示方法,可用受压区高度。配筋率、含钢特征值、极限曲率、极限弯矩或极限拉力来表示。
对于采用粘贴碳纤维片材进行加固的钢筋砼梁,很难采用配筋率和含钢特征值来表示超筋界限值。同时,当截面的受压区带有翼缘或受压钢筋时,也很难采用极限弯矩和极限拉力来表示超筋界限值。我们采用极限状态时的等矩形压应力图块的高度x与截面高度h的比值ξ来表示超筋界限值,这种表示方法在设计中应用起来很方便。
假定配筋达超筋界限值时的截面在极限状态下的ξ为ξcfb,则可以把ξcfb称为采用粘贴碳纤维片材加固的受弯构件的超筋界限值。
二、 裂缝跨度问题:
在标准使用荷载作用下,如果构件的最大裂缝宽度已超出国家设计规范的最大限值,则此时的碳纤维片材也不能充分发挥其高度的作用。
最大裂缝宽度的计算方法规范中没有提供,只是为了控制加固后构件的裂缝宽度,将正截面承载力的提高幅度限制在40%以内。实际上,最大裂缝宽度的计算值一般是满足不了要求。因为当原构件的受拉钢筋达到屈服强度时,碳纤维片材的拉应力还不足设计强度的20%,而此时的裂缝宽度计算值一般已超出设计规范(GB50010-2002)的允许限值;而当受拉钢筋的应力达到屈服强度以后,钢筋所产生的塑性伸长将阻止已出现的裂缝在卸载以后完全闭合,因此,应谨慎使用粘贴碳纤维片材覆盖,梁上出现的裂缝不会发现,对梁的耐久性影响不大。
三、 刚度问题:
采用粘贴碳纤维片材加固受弯构件,对构件的刚度没有明显增加。当受弯承载力提高幅度很高时,对于跨高比较大的受弯构件,使用阶段构件的刚度有可能满足不了要求,此时碳纤维片材的高强度也不能充分发挥作用。
四、 粘结强度问题:
粘结碳纤维片材加固法是依靠碳纤维片材与砼之间的粘结力来实现的,如果片材与砼之间剥离,则碳纤维片材的高强度就不能充分发挥作用。
粘贴碳纤维片材加固法是依靠碳纤维片材与砼之间的粘结力来实现的,如果片材与砼之间发生剥离,则碳纤维片材的高强就不能充分发挥作用。
为了避免这种情况发生,加固构件的强度等级不得低于C15;火灾受损的梁也不能采用,还要考虑耐久性问题和高温作用问题。
为了确保碳纤维片材与混凝土之间的粘结力,加固规范还对构造和锚固措施作了一系列规范。
由于碳纤维片材高强度的发挥受制于截面超筋界限值、使用阶段裂缝宽度的要求和刚度的要求,以及与砼之间的粘结力,所以这种加固方法往往不能充分发挥碳纤维片材高强度的特点,对材料是一种浪费。在高强度发挥不了作用的情况下,倒不如采用粘贴强度较低。价格较便宜的其他纤维片材,如玄武岩纤维片材和玻璃纤维片材等。
为了充分发挥碳纤维片材的高强度,还有一个途径是对碳纤维片材预先施加拉应力,不过这种加固方法施工难度较大,施工成本较高。
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