鋼結(jié)構(gòu)使用碳纖維材料加固方案研究

劉 石

(吉林建筑大學(xué)土木學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的施工環(huán)節(jié)質(zhì)量，服役期間的維護(hù)保養(yǎng)對(duì)其性能有著重要的影響。東北城市由于環(huán)境條件變化劇烈，季節(jié)性酸雪酸雨及雨雪消融對(duì)鋼材產(chǎn)生一定的腐蝕，早些年施工技術(shù)相對(duì)落后，維保經(jīng)驗(yàn)不足等因素使得一些已建造二十幾年的鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了局部腐蝕、破損，造成強(qiáng)度下降及一定的安全隱患。傳統(tǒng)的焊接加固補(bǔ)強(qiáng)方法易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和損傷，缺乏施工操作空間及不夠美觀。借鑒于碳纖維材料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的維修加固，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)隨著各類纖維材料的發(fā)展變得更加有效、快速和易于施工。

2 加固方案研究

碳纖維材料的兩個(gè)類別一是高彈性模量，二是高強(qiáng)度。施工時(shí)均需用膠粘劑把碳纖維材料貼附于鋼構(gòu)件表面，提高構(gòu)件剩余疲勞壽命，一定程度上延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展。加固方案設(shè)計(jì)涉及以下因素：材料方面：纖維含量比例、纖維的彈性模量、鋼材的力學(xué)特征；施工方面：貼附的長(zhǎng)度寬度厚度，粘貼工藝和膠的強(qiáng)度，貼附位置和數(shù)量。以下設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn)，研究加固方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和適用性。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)使用靜力加載三向彎曲試驗(yàn)，以等剛度原則設(shè)計(jì)，利用特殊制作的拉伸錨具對(duì)鋼梁施加預(yù)應(yīng)力，產(chǎn)生一定的反向預(yù)變形，此時(shí)粘附碳纖維板材。參考已有的各研究資料，為避免剝離破壞，碳纖維加固板及試件的不連續(xù)部位加工為45°角。粘結(jié)劑采用高分子合成材料，避免厚度過大及氣泡出現(xiàn)引起粘結(jié)部位強(qiáng)度不足。碳纖維材料參數(shù)見表1，加固方案如圖1所示。

表1 碳纖維加固板特征參數(shù)

2.2 理論分析

在役結(jié)構(gòu)在加固前已承受使用荷載，處于變形狀態(tài)，加固材料在加固初始階段不承擔(dān)荷載和變形，與原有結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上存在滯后現(xiàn)象。在彈性變形階段，按照平截面假定，加固纖維材料和鋼材按照線性關(guān)系作截面換算。

截面慣性矩I：

(1)

(2)

其中，As,Af分別為鋼構(gòu)件截面面積和碳纖維加固板截面面積；Ef,Es分別為碳纖維加固板和鋼材的彈性模量；y0,y1分別為鋼構(gòu)件中性軸到梁底距離和中性軸至梁底距離；t為碳纖維加固板厚度；Ix為工字鋼截面對(duì)形心軸的慣性矩。

跨中撓度：

(3)

3 分析與結(jié)論

試驗(yàn)測(cè)得的加固前后強(qiáng)度值見表2。

表2 加固前后構(gòu)件強(qiáng)度

試驗(yàn)測(cè)得的跨中撓度與力學(xué)分析的理論值見表3。

表3 加固試驗(yàn)跨中撓度數(shù)值表

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)碳纖維材料加固鋼構(gòu)件，加固效果明顯，其中高彈性模量材料的加固使得構(gòu)件在早期階段屈服強(qiáng)度提升明顯，高強(qiáng)度材料則大幅提升了最后階段的極限強(qiáng)度。變形方面，高彈性模量材料使得構(gòu)件跨中變形比較均勻，受力較為理想。說(shuō)明采用高彈性材料進(jìn)行加固，適用于加固較早，對(duì)美觀要求較高，結(jié)構(gòu)使用荷載與設(shè)計(jì)極限荷載比值較小的鋼結(jié)構(gòu)。2)對(duì)加固構(gòu)件做截面換算，計(jì)算跨中撓度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算比較吻合，因理論計(jì)算忽略了一些約束條件，有一定誤差，理論計(jì)算偏于保守，綜合實(shí)際施工中可能出現(xiàn)的偏差，可以采用該線性關(guān)系的界面換算來(lái)設(shè)計(jì)加固方案。