3.2.1加固斷面的特性及加固構件撓度的理論計算分析
以簡支梁為例:加固前其斷面為bh,斷面慣性矩I=bh3/12,彈性模量E=2.1×105MPa,假定加固以后bh不變。因此,其斷面積A、慣性矩未變,彈性模量兩者相近,也可視為不變。對于簡支梁來說,其計算撓度值不會變。因此,構件的撓度(剛度)不變,則其抗裂(變形)能力不會提高,混凝土斷面上出現的裂縫只是表面被蒙了碳素纖維布罷了。
3.2.2加固斷面的內力分析法
基于前文提及的“平面理論”和“平衡破壞理論”的基礎上,那么構件加固后,在不出現破壞以前,斷面上各個點的應力應變關系均保持線性關系。無論是碳素纖維布儲備多大的抗拉能力,它并不能對混凝土的抗壓、抗剪能力提供任何幫助,而存在各種先天不足的混凝土隨時都有可能出現壓剪破壞的危險。在這種危險出現以前,梁的撓度不會變,碳素纖維板布的“卓越”性能得不到發揮。只有壓剪破壞出現以后,裂縫出現撓度加大才能發揮作用,限制和約束裂縫出現撓度的繼續擴大與發展。因此,碳素纖維布加固的實際功能只是一種消極的事后“保安”措施,而不是一種積極的事先“防衛”工作,其作用也不能估計太高。
3.2.3加固后的受力分析
以簡支梁為例,受到荷載后,其彎矩、剪力與變們圖形很規則、很明確。以梁底中分線上的O點作為基點來分析,其水平變位量在中分點O是零位,并逐漸向兩端聚集,到支座處水平變位發展為最大,并從這里逐漸向兩端支座處衰減至零變位。因此,粘貼面所產生的水平剪力應在梁底中分線以上為零,并向兩端聚集到最大;粘貼面所產生的正應力,在支座附近為零,并向中分線的不動點上發展為最以大值。
筆者認為,加固后的水平剪切剝離點出現在尾端而正應力拉脫剝離點則出現在梁底跨中附近,是必然現象,而不是奇異現象。由于加固對象混凝土的質量不均勻、病灶分布無規律,哪里薄弱,就從那里突破。
3.2.4加固構件的溫度應力分析
理論分析和現場調查表明,絕大部分新建工程由于出現結構裂縫隙而必須進行結構加固,其原因主要是以溫度為應力為導火線。如建筑中的框架結構、高層剪力墻結構以及橋梁中的大跨度預應力箱形連續梁結構,近年來的結構裂縫出現機率非常高,非常嚴重。在加固方案選擇時,總是首選碳素纖維布加固方案。但經研究認為,用粘貼碳素纖維布的加固方法來抑制溫度應力、抵抗溫度裂縫的選擇是值得探討的。
碳素纖維布與鋼筋混凝土有著相差懸殊的線膨脹系數,碳素纖維布是熱縮冷脹,鋼筋混凝土是熱脹冷縮,兩者的變形不協調,即使碳素纖維經過樹脂浸漬改善,但其線膨脹系數與鋼筋混凝土膨脹系數相差20倍左右,因此,在降溫的條件下,混凝土內受的是拉力,而碳素纖維布受的是壓應力。混凝土構件由于受端約束或自由約束降溫時構件內產生冷縮應力(冷脹力)的作用,會使構件界面上受到冷縮張拉應力復雜化。但對于薄薄的碳素纖維布來說,受到冷脹擠壓應力則等于是解除了武裝,會喪失其強大的抗拉優勢,不能發揮其加固效果。因此,選擇粘貼碳素纖維布的工藝來抑制溫度應力以加固結構構件是不適當的。
4、粘貼碳素纖維布加固工藝的適用范圍
經過上述分析,筆者認為,用碳素纖維布來加加固壓彎構件(梁、板),其可靠度不高,也不經濟,但是因碳素纖維布具有極高的抗拉強度和極低的延伸率,若用其對受壓構件如框架柱進行斷面全封閉、全約束,則可以充分發揮其優勢,大幅度提高構件的受壓能力。粘貼碳素纖維布是冷作業,具有操作簡單的特點,用來加固或修補鋼筋混凝土結構、鋼結構的局部外傷,可以取得很好的效果。但在使用過程中,要針對加固結構構件的受力特點來合理進行選用,若選用不當,可能會給加固的結構構件帶來災難性的毀滅;使用得當則會充分發揮碳素纖維布高強、輕質的特點,獲得成功加固的結果。
5、結束語
綜合上述論點,筆者認為碳素纖維布粘貼加固結構構件有以下幾點結論:
(1)用于梁板的加固,并沒有完全起到“內防外治”的作用,加固不當或留有隱患會脆性破壞,加固后果勘憂。
(2) 碳素纖維布對曲面殼體結構和柱身加固是恰到好處。
(3)采用碳素纖維布加固技術,出現粘結面剝離現象不是異常而是正常現象,應根據變形的協調原理而不是根據力學平衡理論來研究粘貼碳素纖維布的破壞機理。
(4)碳素纖維布加固技術用于梁、板加固時,應以先進行混凝土缺陷檢測與強化、然后再開始進行碳素纖維布加固為宜。
(5) 從經濟的角度考慮,不宜多采用粘碳素纖維布加固技術。
參考文獻:
[1]謝征勛、謝敏著《工程事故與安全.結構加固技術》,中國水利水電出版社。
[2]《混凝土結構加固規范》(CECS25:90)
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