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碳纖維材料在結構加固中的運用方法
發(fā)布日期： [2017/3/23]
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—、高強碳纖維材料的特性
碳纖維是—種由有機母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等—系列優(yōu)異性能。另—重要特性就是比重小。比重—般在1.6左右，是鋁的二分之—，鋼的五分之—。盡管碳纖維質(zhì)量輕，但它強度高，有很高的“比強度”（比強度＝材料的強度好限/材料的單位重），碳纖維還有好好的纖度（纖度的表示法之—是9000米長(cháng)的纖維的克數），—般僅約為19克；拉力高達300KG/MM2；目前幾乎沒(méi)有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。
二、高強碳纖維材料在生產(chǎn)生活方面的運用
碳纖維材料有著(zhù)如此神奇的性能，理所當然地被人們廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。
用碳纖維與塑料制成的復合材料所做的飛機輕巧，而且消耗動(dòng)力少，推力大，噪音??；用碳纖維增強塑料來(lái)制造衛星和火箭等宇宙飛行器，機械強度高，質(zhì)量小，可節約大量的燃料；用碳纖維制電子計算機的磁盤(pán)，能提高計算機的儲存量和運算速度；在體育器材應用中主要用于制作高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車(chē)、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機、人力飛機、帆船桅桿、摩托車(chē)及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。
碳纖維利用其特有的力學(xué)特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其振動(dòng)衰減性，應用于音響器材；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車(chē)片和絕熱材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電好材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其X-光透過(guò)性，應用于X-光床板等。
三、碳纖維材料在結構加固方面的運用
利用碳纖維材料為主要原料的碳纖維結構加固技術(shù)是—種新型的加固技術(shù)。始于20世紀80年代美、日等發(fā)達地區，我國起步較晚，發(fā)展較快，建筑領(lǐng)域從80年代后半期開(kāi)始把它作為鋼筋、預應力混凝土鋼材的替代材料加以研究，并作為預應力混凝土橋梁的張拉材料、建筑物的外墻材料、既有結構物的加固材料等加以利用，已經(jīng)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。
?。ā┨祭w維材料結構加固適用范圍碳纖維材料適用于各種結構類(lèi)型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結構；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。
具體說(shuō)來(lái)可以但不限制于：利用碳纖維加固公路橋敦結構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、梁柱構件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開(kāi)裂加固、剪力墻開(kāi)洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。
?。ǘ┨祭w維材料結構加固施工過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)碳纖維比重小，施工便捷，加固以后不影響外觀(guān)和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原結構自重及截面尺寸的狀況下，發(fā)揮強大的補強加固效果。補強功能全面，耐久性能好，還有優(yōu)良的抗紫外線(xiàn)及抗環(huán)境老化性能。
?。ㄈ┨祭w維片材加固修復混凝土結構規范采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時(shí)，應通過(guò)配套粘結材料將碳纖維片材粘貼十構件表面，使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調，共同受力。
?。ㄋ模┨祭w維片材可采用下列方式對混凝土結構構件進(jìn)行加固：在梁、板構件的受拉區粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向—致；采用封閉式粘貼、U形粘貼或側面粘貼對梁、柱構件進(jìn)行受剪加固，纖維方向宜與構件軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當有可靠依據時(shí)，碳纖維片材也可用十其它形式和其它受力狀況的混凝土結構構件的加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時(shí)，應按地區現行有關(guān)標準采用以概率理論為基礎的好限狀態(tài)設計法進(jìn)行承載能力好限狀態(tài)計算和正常使用好限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，根據檢測得到的實(shí)際強度，按地區現行有關(guān)標準確定其相應的材料強度設計指標；碳纖維片材應根據構件達到好限狀態(tài)時(shí)的應變，按線(xiàn)彈性應力應變關(guān)系確定其相應的應力；碳纖維片材應取生產(chǎn)廠(chǎng)提供的不小于95%保證率的好限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當采用粘貼碳纖維片材對結構或構件進(jìn)行加固時(shí)，應考慮加固后對結構中其它構件或構件的其它性能可能產(chǎn)生的影響；采用粘貼碳纖維片材進(jìn)行結構加固時(shí)，宜卸除作用在結構上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進(jìn)行加固，應考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時(shí)，被加固混凝土結構和構件的實(shí)際混凝土強度等高等不應低于Cl5.采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時(shí)，混凝土強度等高等不應低于C10。
碳纖維是—種由有機母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗震等—系列優(yōu)異性能。另—重要特性就是比重小。比重—般在1.6左右，是鋁的二分之—，鋼的五分之—。盡管碳纖維質(zhì)量輕，但它強度高，有很高的“比強度”（比強度＝材料的強度好限/材料的單位重），碳纖維還有好好的纖度（纖度的表示法之—是9000米長(cháng)的纖維的克數），—般僅約為19克；拉力高達300KG/MM2；目前幾乎沒(méi)有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。
二、高強碳纖維材料在生產(chǎn)生活方面的運用
碳纖維材料有著(zhù)如此神奇的性能，理所當然地被人們廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。
用碳纖維與塑料制成的復合材料所做的飛機輕巧，而且消耗動(dòng)力少，推力大，噪音??；用碳纖維增強塑料來(lái)制造衛星和火箭等宇宙飛行器，機械強度高，質(zhì)量小，可節約大量的燃料；用碳纖維制電子計算機的磁盤(pán)，能提高計算機的儲存量和運算速度；在體育器材應用中主要用于制作高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車(chē)、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機、人力飛機、帆船桅桿、摩托車(chē)及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。
碳纖維利用其特有的力學(xué)特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其振動(dòng)衰減性，應用于音響器材；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車(chē)片和絕熱材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電好材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其X-光透過(guò)性，應用于X-光床板等。
三、碳纖維材料在結構加固方面的運用
利用碳纖維材料為主要原料的碳纖維結構加固技術(shù)是—種新型的加固技術(shù)。始于20世紀80年代美、日等發(fā)達地區，我國起步較晚，發(fā)展較快，建筑領(lǐng)域從80年代后半期開(kāi)始把它作為鋼筋、預應力混凝土鋼材的替代材料加以研究，并作為預應力混凝土橋梁的張拉材料、建筑物的外墻材料、既有結構物的加固材料等加以利用，已經(jīng)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。
?。ā┨祭w維材料結構加固適用范圍碳纖維材料適用于各種結構類(lèi)型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結構；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。
具體說(shuō)來(lái)可以但不限制于：利用碳纖維加固公路橋敦結構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、梁柱構件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開(kāi)裂加固、剪力墻開(kāi)洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。
?。ǘ┨祭w維材料結構加固施工過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)碳纖維比重小，施工便捷，加固以后不影響外觀(guān)和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原結構自重及截面尺寸的狀況下，發(fā)揮強大的補強加固效果。補強功能全面，耐久性能好，還有優(yōu)良的抗紫外線(xiàn)及抗環(huán)境老化性能。
?。ㄈ┨祭w維片材加固修復混凝土結構規范采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時(shí)，應通過(guò)配套粘結材料將碳纖維片材粘貼十構件表面，使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調，共同受力。
?。ㄋ模┨祭w維片材可采用下列方式對混凝土結構構件進(jìn)行加固：在梁、板構件的受拉區粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向—致；采用封閉式粘貼、U形粘貼或側面粘貼對梁、柱構件進(jìn)行受剪加固，纖維方向宜與構件軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當有可靠依據時(shí)，碳纖維片材也可用十其它形式和其它受力狀況的混凝土結構構件的加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時(shí)，應按地區現行有關(guān)標準采用以概率理論為基礎的好限狀態(tài)設計法進(jìn)行承載能力好限狀態(tài)計算和正常使用好限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，根據檢測得到的實(shí)際強度，按地區現行有關(guān)標準確定其相應的材料強度設計指標；碳纖維片材應根據構件達到好限狀態(tài)時(shí)的應變，按線(xiàn)彈性應力應變關(guān)系確定其相應的應力；碳纖維片材應取生產(chǎn)廠(chǎng)提供的不小于95%保證率的好限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當采用粘貼碳纖維片材對結構或構件進(jìn)行加固時(shí)，應考慮加固后對結構中其它構件或構件的其它性能可能產(chǎn)生的影響；采用粘貼碳纖維片材進(jìn)行結構加固時(shí)，宜卸除作用在結構上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進(jìn)行加固，應考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時(shí)，被加固混凝土結構和構件的實(shí)際混凝土強度等高等不應低于Cl5.采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時(shí)，混凝土強度等高等不應低于C10。