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详解钢结构加固中碳纤维材料的应用

  现如今钢结构建筑不断发展,越来越多的钢结构大楼进入我们的生活,但是由于生产、制造、施工、使用环境等因素的影响,在钢结构建筑当中不可避免的存在着各种各样的缺陷和损伤,严重影响结构安全。传统的钢结构加固方法是将钢板焊接、螺栓连接或在损伤部位粘贴钢板等方法。但是,这些方法或多或少都存在较多缺陷:

  焊接加固缺陷:焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程,焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩,冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。虽然说现代焊接技术已经能做到内外无缺陷焊接,但是如果焊缝一旦失稳扩展,就有可能使焊接部位彻底断裂,引发事故。

  

结构图1.jpg



  粘钢加固:采用结构胶将钢板粘贴在需要加固的部位,依靠结构胶将其粘结在一起共同受力,提高结构的承载力。

  螺栓连接加固:其需要在损伤部位附近开孔,削弱了截面,使之形成新的应力集中区,使原螺栓出现松动现象,降低了结构修补的效果。

  以上几种钢结构加固方法除了以上几个缺陷,还有一个共同的缺陷:加固所选材料基本都为钢材,在进行加固处理时会给结构带来过多的结构自重,且钢板不易裁剪成加固所需的形状,安装运输等较为困难,在加固完工之后,需对钢材进行防锈处理,以免钢材生锈对结构胶产生不必要的影响,且维护工作量大费用较高。  

施工图.jpg

  然而碳纤维材料作为一种新型加固材料,碳纤维材料弹性模量与钢材相近、但强度是钢筋的5倍,同时具有质轻易于成型、抗腐蚀性和耐久性好、抗疲劳性能好、施工方便等优点,且碳纤维材料拥有的这些优点都能完美的解决以上几种方法所存在的缺陷,因此在钢结构修复加固中也将会得到广泛应用。

  

施工效果图.jpg


  对钢结构受弯构件的修复通常是将碳纤维片材直接粘贴在受拉翼缘底部,受弯构件受力时碳纤维与受拉翼缘共同承受拉力,提高梁的承载力。而对于损伤钢梁,粘贴碳纤维加固修复不仅能恢复其损失的刚度、承载能力和改善其疲劳性能,还能对钢结构形成保护,起到加固和防腐的双重效果。在粘贴碳纤维时,将碳纤维粘贴到损伤部位的表面,使一部分荷载通过胶层传递到碳纤维上,可以降低钢结构损伤部位的名义应力,使裂纹扩展速率降低或制止裂纹的扩展,从而延长结构的使用寿命。研究表明,存在损伤缺陷的钢梁用高弹性模量的碳纤维板加固后,刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度的90%以上,极限承载力的提高随着加固量和损伤大小而不同。

  

碳纤维复合材料安全鉴定标准.jpg


  碳纤维强度虽然高,但弹性模量与钢材相近,当整体结构达到屈服荷载时,碳纤维材料的强度远远没有达到碳纤维可利用的强度,其高强度优势在加固钢结构中未能充分发挥作用,为了解决此类问题预应力碳纤维加固技术应运而生,其中以卡本预应力碳纤维板加固系统为例向大家介绍一下此加固方法:卡本预应力碳纤维板加固系统,能简单方便的对碳纤维板施加预应力,大大提高了碳纤维板的强度利用率,增加结构的强度和刚度的同时能减少结构的挠度变形,并能减少和封闭裂缝。

  

预应力碳纤维板.jpg


  所以说碳纤维片材加固钢结构作为一种新型加固技术,在其避免传统加固方法缺陷的基础上,能有效提高原结构的刚度和承载力,特别是可以显著提高疲劳损伤钢结构的疲劳寿命,延缓疲劳裂纹的扩展,因此来说碳纤维是能够用于钢结构加固补强的,不仅如此而且还是一种加固效果明显的加固补强方法。



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