第6章纤维复合材加固法.ppt

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1、,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,纤维复合材，尤其是碳纤维复合材，在结构加固领域获得了广泛应用。 6.1 纤维分类 结构加固领域使用的纤维复合材包括 玻璃纤维（glass fiber） 芳纶纤维（aramid fiber） 玄武岩纤维（basalt fiber） 碳纤维（carbon fiber） 各类纤维都不能单独使用发挥作用，需要通过聚合物（polymer）材料将纤维胶合在一起，形成所谓纤维复合材（FRP，fiber reinforced polymer）。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 玻璃纤维,6 纤维

2、复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 玻璃纤维 玻璃纤维单向复合材安全性能指标,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 芳纶纤维,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 玄武岩纤维,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 碳纤维 History: （1）In 1879, Thomas Edison baked cotton threads or bamboo slivers at high temperatures carbonizing them into an all-carbon fiber

3、 filament used in the first incandescent light bulb to be heated by electricity. （2）In 1958, Roger Bacon created high-performance carbon fibers at the Union Carbide Parma Technical Center, now GrafTech International Holdings, Inc., located outside of Cleveland, Ohio.2 Those fibers were manufactured

4、by heating strands of rayon until they carbonized. This process proved to be inefficient, as the resulting fibers contained only about 20% carbon and had low strength and stiffness properties.,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 碳纤维 （3）In the early 1960s, a process was developed by Dr. Akio Shindo at Agency of

5、 Industrial Science and Technology of Japan, using polyacrylonitrile (PAN) as a raw material. This had produced a carbon fiber that contained about 55% carbon. （4）The high potential strength of carbon fiber was realized in 1963 in a process developed by W. Watt, L. N. Phillips, and W. Johnson at the

6、 Royal Aircraft Establishment at Farnborough, Hampshire.,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 碳纤维 （5）In the late 1960s, the Japanese took the lead in manufacturing PAN-based carbon fibers. The 1970 joint technology agreement allowed Union Carbide to manufacture the Japans Toray Industries superior product and U

7、SA to dominate the market. （6）Since the late 1970s, further types of carbon fiber yarn entered the global market, offering higher tensile strength and higher elastic modulus. For example, T400 from Toray with a tensile strength of 4,000 MPa and M40, a modulus of 400 GPa. Intermediate carbon fibers,

8、such as IM 600 from Toho Rayon with up to 6,000 MPa were developed.,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 碳纤维,A 6 m diameter carbon filament (running from bottom left to top right) compared to a human hair.,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.1 纤维分类 碳纤维 用于结构加固的碳纤维材料主要以单向纤维布及单向纤维板的方式供应；新建工程也有使用碳纤维筋的情况，以适应具有高腐蚀性的环境条件。,6 纤维复合材（FRP）加

9、固法,6.1 纤维分类 碳纤维,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.2 碳纤维材料性能指标 碳纤维复合材安全性能指标 摘录自GB50367-2006混凝土结构加固设计规范,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.2 材料性能指标 碳纤维复合材浸渍/粘结用胶粘剂安全性能指标 摘录自GB50367-2006混凝土结构加固设计规范,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.2 材料性能指标 应力应变关系,碳纤维受拉,碳纤维受拉应力-应变关系为纯弹性，破断前应力-应变关系为直线,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.3 设计规定 （1）适用于钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受

10、拉构件加固；不适用于素混凝土构件，包括纵向受力钢筋配筋率低于现行国家标准混凝土结构设计规范GB50010规定的最小配筋率的构件加固。 （2）被加固构件混凝土现场实测强度等级不得低于C15，且混凝土表面正拉粘结强度不得低于1.5MPa。 （3）外贴纤维复合材加固钢筋混凝土结构构件时，应将纤维受力方式设计成仅承受拉力作用。 （4）粘贴在构件表面的纤维复合材，不得直接暴露在阳光或有害介质中，其表面应进行防护。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.3 设计规定 （4）粘贴在构件表面的纤维复合材，不得直接暴露在阳光或有害介质中，其表面应进行防护处理。表面防护材料应对纤维及胶粘剂无害，且应与胶粘剂有可靠的

11、粘结强度及相互协调的变形能力。 （5）采用纤维复合材加固的结构，其长期使用的环境温度不应高于60C；处于特殊环境（如高温、高湿、介质腐蚀、放射性等）的混凝土结构采用纤维复合材加固时，除应按国家现行有关标准的规定采取相应的防护措施外，尚应采用耐环境因素作用的胶粘剂，并按专门的工艺要求进行粘贴。 妥协方案：控制承载力提高幅度。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.3 设计规定 碳纤维复合材设计计算指标,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.4 碳纤维加固工艺 （1）基层打磨：磨掉表层浮浆，露出坚固基层； （2）清除缺陷：剔除不密实混凝土； （3）基层修补：凹陷或缺陷清除后的局部修补； （4）刷底涂胶

12、：低粘度胶，改善浸渍胶与基层的结合 （5）刷浸渍胶：低粘度胶，与混凝土和纤维间具有良好结合力，并在纤维之间具有良好的通过性 （6）粘贴纤维：务使浸渍胶从纤维间的间隙浸渗到外表面 （7）多层粘贴时重复（5）、（6） （8）表层防护：胶体未干时及时抛撒砂粒，增强与抹灰的连接,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.4 碳纤维加固工艺,基层处理质量至关重要。但由于施工条件艰苦，耗工费时，其质量需要严格管控才能达到要求。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5 受弯承载力加固 受弯承载力加固主要包括梁和板的受弯承载力加固。 6.5.1 剥离破坏现象 与粘贴钢板加固类似，受弯构件正截面加固同样会在碳纤维端部

13、出现很高的剥离剪应力，以及伴生的剥离正应力；裂缝出现后，在裂缝两侧也会产生很高的剥离剪应力。,端部剥离破坏可能存在5中形式，其中2种存在于界面，3种存在于材料内部，但风险最大的有2种，即图中的concrete/adhesive interface以及concrete substrate,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.1 剥离破坏现象 弯曲裂缝和剪切斜裂缝都可能导致FRP片材与基层之间发生剥离破坏。尤其出现剪切斜裂缝时，普通粘贴CFRP片材剥离破坏几乎不可避免。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.2 碳纤维复合材正截面加固方式,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.2 碳纤维复

14、合材正截面加固方式,此方法在一些英文文献中称为NS加固法，即near surface embedded carbon fiber，国内很少采用）,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.2 碳纤维复合材正截面加固方式,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.2 碳纤维复合材正截面加固方式,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固计算 6.5.3.2 承载力计算,参考线说明，加固时构件截面受压区高度越大，纤维发挥的应变越低,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FR

15、P）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.5 碳纤维断点位置确定,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.5 碳纤维断点位置确定,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造 碳纤维正截面加固构造主要集中在纤维材料的抗剥离措施上，前述断点位置计算是建立在平均强度概念上的，无法解决由高剪应力引起的端部剥离问题。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,

16、现行规范采取加纤维U形箍条或压条的思路解决剥离问题，虽然在一些试验中观察到了改善效果，但概念上是有缺陷的，因此同样在很多试验中也得出了失败的结论，严重时U形箍条产生剥离甚至剪断。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,U形箍产生明显的剪切变形，本身发生剥离破坏,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,U形箍产生明显的剪切变形，本身发生剥离破坏,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,在查阅相关文献

17、，结合我们完后的试验研究，经分析认为，U形箍和压条不是解决纵向碳纤维片材抗剥离的好方法。事实上，U形箍纤维具有的抗力无助于纵向碳纤维的锚固，即使有所改善，可能也仅仅只是胶体带来的边际强化效应，作用很有限。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,为此，我们提出了X形叉条抗剥离的思路，该思路至少在力学概念上是合理的。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.6 碳纤维正截面加固构造,纵向碳纤维拉断，但端部未剥离，表明X叉条抗剥离措施是有效的。 不过仍旧需要提醒的是，U形箍可能剪断，端部也会剥

18、离；X叉条也可能最终发生自身端部剥离。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.3 碳纤维复合材正截面加固 6.5.3.7 碳纤维正截面加固量的限制 加固规范规定 （1）钢筋混凝土结构构件加固后，其正截面受弯承载力的提高幅度，不应超过40%。 （2）纤维复合材的加固量，对预成型板（碳纤维板），不宜超过2层；对湿法铺层的织物（普通粘贴碳纤维布），不宜超过4层，超过4层时宜改用预成型板，并采用可靠的加强锚固措施。 注：湿法铺层的纤维布，层数越多，发挥的效率越低，并且只有一个结合面，剥离风险更高。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.4 碳纤维复合材抗剪加固 6.5.4.1 加固方式,在混凝土构

19、件中，箍筋能有效用于抗剪；碳纤维布柔性易弯曲的特点，自然形成采用U形碳纤维布箍条的方式进行抗剪加固。箍条一般情况下都垂直于构件轴线。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.8 受压构件斜截面加固 6.5.8.1 基本要求 当采用纤维复合材对钢筋混凝土柱进行抗剪加固时，应形成环箍，且纤维方向应与柱子的轴线垂直。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.9 有关构造要求（规范）,梁、板正截面加固时，纤维材料在端部需要设置U形箍条或压条。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.9 有关构造要求（规范）,梁支座抵抗负弯矩承载力加固时，纤维片材可从柱子侧面通过。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.9 有关构造要求（规范）,梁支座抵抗负弯矩承载力加固时的一种构造方法。,6 纤维复合材（FRP）加固法,6.5.9 有关构造要求（规范）,顶层边节点梁支座抵抗负弯矩承载力加固时的一种构造方法。,