碳纤维在建筑结构加固中的力学

摘 要：随着建筑材料种类的增多和应用的广泛,人们越来越重视材料在建筑结构加固中的力学作用了,其中对碳纤维材料的研究与应用成为了国内外研究领域的新课题.碳纤维材料是最早应用于土木工程领域、技术最成熟、使用量最大的一种高科技建筑材料,其具有高抗拉强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐久性能好等突出特点,并且在建筑加固工程中施工方便,适应于各种结构外形的补强,能够有效地把混凝土的裂缝封闭,还不会增加结构自重,既有利于提高工程的坚固度和使用寿命,又节约了建筑成本,提高了经济效益.本文从简介碳纤维材料入手,进而分析碳纤维在建筑结构加固中的力学作用,主要以混凝土结构构件加固的受力方式进行阐述,希望本文能够为碳纤维材料在建筑结构加固中的推广应用做出贡献.

关 键 词：碳纤维建筑结构加固力学

一、碳纤维材料的简介

性能优异的新材料和新技术的发展并推广应用能够有效地促进土木工程学科的发展,本文介绍的碳纤维材料就是一种新型的用于土木结构工程的材料,碳纤维是一种由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的新型非金属材料,其是由直径为12um左右的单丝汇集在一起形成的多纤维状结构,碳布是碳纤维由单向或双向排列形成的一种片材,常用的是单向片材.碳纤维的主要成分是对苯二胺聚合物（PPTA）,因为其中含有脂肪族主链和含芳香族主链,所以分子结构很牢固,凸显了其在加固技术中的特点和优越性：1、碳纤维材料的化学稳定性能优异,具有很强的适应温度稳定性、抗酸性、抗碱性、抗盐性、抗紫外线和防水等,有效地延长了建筑物的使用寿命.2、碳纤维材料的物理力学性能优异,有效应用于结构物的抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的补强工程,补强效果明显.3、碳纤维材料的质量轻、强度高,不影响结构体外观.4、粘贴碳纤维材料加固混凝土技术的施工工序简单、便捷.

碳纤维材料具有的特性决定了其在工程领域中的应用,如：1、不导电性,使其能够很好的应用于绝缘性要求很高的建筑,比如地铁、隧道、电气化铁路、工业厂房等.2、耐腐蚀性,特别是耐强碱腐蚀,有利于海港码头工程的加固及防护.3、抗冲击性,可来制作防弹衣和主航道的桥墩.4、施工方便,其主要步骤有表面处理、涂刷底膝、底层浸渍树脂、粘贴碳布、外层浸渍树脂、表面防护.这样简单的操作有利于在建筑加固工程中的推广应用.

二、碳纤维在建筑结构加固中的力学分析

高强碳纤维材料具有高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等特性.另一重要特性就是比重小,比重一般在1.6左右,是铝的二分之一,钢的五分之一,有很高的“比强度”和极好的纤度（比强度等于材料的强度极限/材料的单位重；纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数）,可以说目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异的电学、热学和力学性能.其力学特性的贡献体现在航空、航天、军工、体育休闲等结构材料的应用和制作上,比如说1、振动衰减性,适合音响器材的需要；2、耐疲劳性,用于直升飞机的叶片制作；3、耐高温性,是制作飞机刹车片和绝热的好材料；4、尺寸稳定性,可用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；5、耐药品性,可用于密封填料和滤材；6、电气特性,可用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；7、生体适应性,可用于人工骨、韧带；8、X-光透过性,可用于X-光床板等.这一力学特性使得碳纤维材料成为了高科技产品制作不可或缺的部分,发挥着举足轻重的作用,达到了推力大、噪音小、机械强度高、可节约大量的燃料、提高计算机的储存量和运算速度、轻巧便于携带等目的,提高了经济效益.

碳纤维材料适用于各种结构和部位的加固修补,如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、烟囱、筒体、壳体等结构,砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固.并且其比重小只有钢铁的1/4,厚度小于0.5mm,施工便捷,加固以后不影响外观和自重,还能发挥强大的补强加固效果,提高耐久性能和抗环境老化性能.现代工艺基本上采用粘贴碳纤维片材来加固混凝土结构,使碳纤维片材承受拉力,与混凝土变形协调,共同受力.其具体对混凝土结构构件进行加固的受力方式如下：1、在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固,纤维方向与加固处的受拉方向一致,也就保持了拉力一致,使加固效果更明显；2、采用封闭式粘贴、U形粘贴或侧面粘贴对梁、柱构件进行受剪加固,纤维方向宜与构件轴向垂直,使某一点的受力加固；3、采用封闭式粘贴对柱进行抗震加固,纤维方向与柱轴向垂；4、当有可靠依据时,碳纤维片材也可用十其它形式和其它受力状况的混凝土结构构件的加固；5、采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时,应按国家现行有关标准采用以概率理论为基础的极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算,并进行力学分析；6、碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变,按线弹性应力应变关系确定其相应的应力；7、采用粘贴碳纤维片材进行结构加固时,宜卸除作用在结构上的活荷载,减小压力.8、如果不能在完全卸载条件下进行加固,应考虑二次受力的影响；9、在受弯加固和受剪加固时,被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应低于Cl5；采用封闭粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时,混凝土强度等级不应低于C10.

三、结束语

随着我国经济的快速发展以及人们对于高生活质量的追求,在建筑物中需要使用新的技术和材料,以此来提高建筑的安全性能和环保性能.碳纤维材料就是一种安全性能高,环保质量好的建筑材料,对各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造起到非常重要的作用.但是在我国,新型材料碳纤维引进和应用于粘贴碳纤维加固混凝土的技术时间不长,技术还不够成熟,需要加大研究和推广应用力度,使该项技术在越来越多加固项目中得到应用,在混凝土结构加固工程中充分体现其优异的性能,促进碳纤维加固修复技术步入成熟、完善、健康的发展轨道.