碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用（精选5篇）

篇1：碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

简要介绍了纤维聚合材料(FRP)的发展和在建筑结构加固方面的`应用情况,探讨了碳纤维加固技术的优点和待解决的问题,为混凝土结构碳纤维抗震加固的试验研究提出了可行性方案.

作 者：金波 祖德峰 张敏政 谢礼立 JIN Bo ZU De-feng ZHANG Min-zheng XIE Li-li 作者单位：金波,谢礼立,JIN Bo,XIE Li-li(哈尔滨工业大学,土木工程学院,黑龙江,哈尔滨,150090;中国地震局工程力学研究所,黑龙江,哈尔滨,150080)

祖德峰,张敏政,ZU De-feng,ZHANG Min-zheng(中国地震局工程力学研究所,黑龙江,哈尔滨,150080)

刊 名：世界地震工程 ISTIC PKU英文刊名：WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING年，卷(期)：23(4)分类号：P315.9关键词：FRP 混凝土结构 抗震加固

篇2：碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

1 碳纤维加固混凝土结构耐火性能研究

普通的碳纤维加固混凝土结构一般都是环氧树脂粘贴碳纤维片材。而环氧树脂的耐热性很差, 非常容易受到高温破坏。在高温60度左右, 很快就会失去粘结强度, 失去其加固的综合效果。并且碳纤维加固混凝土的承载能力也比较低, 不能令人满意的。因此, 如果发生火灾, 那么普通的碳纤维混凝土结构性能高, 作用不大[1]。

所以, 为了提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能, 可以对碳纤维采取一些具体的防火保护措施, 用来提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。此外, 还可以用无机胶或有机胶, 提高碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。通过合理地设计隔热层, 也可以有效的推迟碳纤维加固混凝土结构的耐火性能。这些隔热材料主要矿物棉、泡沫塑料、膨胀珍珠岩、硅酸钙绝热制品等等。选择一个比较好的防火材料十分关键, 并且也需要很好的进行一些防火结构的设计, 隔热保护层的厚度是能够有效地延长防火性能的重要材料。这主要是由于, 隔热保护层可以很好的使碳纤维板和混凝土之间相互作用。

综上可知, 普通的碳纤维加固混凝土结构的抗高温性能和耐火性能比较低。那么, 为了提高普通的碳纤维加固混凝土结构的耐高温性能和耐火性。可以选择一些比较合适的固化剂[2]。或是可以用比如氧-酚醛胶粘剂或是环氧-丁腈胶粘剂等等其他的一些耐高温树脂材料, 来改变这种材料的化学结构, 从而来增强普通的碳纤维加固混凝土结构的耐热性。中油辽河工程有限公司结构工程所对于这种材料也是十分推广的, 但是由于其价格比较贵, 所以限制了其在建筑类型的企业或单位的推广和使用。

2 碳纤维加固混凝土结构耐火性能展望

2.1 碳纤维加固混凝土结构的性能研究

由于我国对于碳纤维加固混凝土结构材料热工性能方面的研究和国外相比比较少, 并且得出的一些成果也没有很好的分享和推广。所以, 对高温情况下的碳纤维加固混凝土结构的性能研究, 还需要进一步较强。其主要的研究方向应该在于如何能够强高温下碳纤维加固混凝土结构和混凝土界面粘结性能的研究。

2.2 碳纤维加固混凝土结构在火灾下的性能研究

我国关于对碳纤维加固混凝土结构的火灾下的性能研究, 基本上都停留在材料的基本构件要素的方面。这样的研究方向相对来说比较单一。而在一下发生火灾的情况下, 由于梁柱之间的一些相互约束作用力, 可能会威胁到碳纤维加固混凝土结构的安全。因此, 就不应该把研究方面只集中在构建要素上, 还需要开展对碳纤维加固混凝土结构的组成, 还有梁或柱等框架结构, 在火灾情况下的性能研究。这方面的研究, 可以为我们提供一个科学合理的碳纤维加固混凝土结构的耐火设计方法。

2.3 碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究

火灾发生后, 碳纤维加固混凝土结构的防火材料虽然并不会燃烧, 但是材料同混凝土之间的滑移程度很大, 并且不可以改变这种滑移, 同时粘结度也会丧失。所以, 关于碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究和其剩余承载能力的研究十分重要。在火灾发生后, 将原先加固的过的材料, 但是在火灾后发生滑移的材料全部移除, 然后重新去粘贴加固材料, 以便去修复材料应有的抗高温性能。这些研究都是对碳纤维加固混凝土结构在火灾后的性能研究的重要研究项目, 并且有非常重要的研究意义。碳纤维加固混凝土结构技术的研究和应用有很广阔的市场和前景。那么加强对碳纤维加固混凝土结构耐火性能的研究, 可以帮助这项技术的发展和大力提供可靠的保证。

3结语

本文主要是通过对于碳纤维加固混凝土结构耐火问题的研究进行了分析, 并且针对我国碳纤维加固混凝土结构的技术做了一些展望。目前, 我国的碳纤维加固混凝土结构技术正处于发展阶段, 并且研究也比较少。但是随着科学技术的不断发展, 我国目前在这一方面的研究和应用也取得了一些成就, 可以满足不同的环境的应用要求。另一方面的局限性就是这种材料的造价成本比较高, 可能推广应用来说还是有一些难度。通过本文的一些关于研究和未来展望的探讨, 以期可以为碳纤维加固混凝土结构的研究科学人员, 对于这一方面的研究提供一些参考。

参考文献

[1]肖德后, 徐明, 陈忠范.碳纤维加固钢筋混凝土柱耐火性能的试验研究[A]..中国土木工程学会、全国FRP及工程应用专业委员会, 2009:8.

篇3：丽赛纤维结构和性能初步研究

关键词:丽赛纤维结构性能

中图分类号:TS102文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0002-02

前言

丽赛纤维(Richel)即Polynosic(波里诺西克)纖维,又称虎木棉,富强纤维,是一种新型的高湿模量纤维。最早问世于1959年,到六十年代,发展达到鼎盛时期,当时仅日本就有东洋纺织、富士纺织、帝人、钟纺等九家知名企业竞相生产这种纤维。但随后而来的尼龙、腈纶、涤纶的大规模工业化生产,使合成纤维主导了纺织业。到了九十年代,世界上制造Polynosic纤维的企业只剩下了日本东洋纺和富士纺两家。但当世界上发达国家纷纷退出纤维素纤维生产领域的同时,合成纤维的迅猛发展也遭到了能源紧张及资源过度开发的压力,加之人们生活水平的提高和环保意识的增强,人们对服装面料的要求也越来越高,趋向于舒适性,美观性和绿色环保性。因此,纤维素纤维、新型再生纤维素纤维重新受到人们的关注,棉毛丝麻开始重新走入人们的生活,天丝,莫代尔,竹纤维,大豆蛋白纤维、丽赛纤维等新型纤维也重新进入人们的视线。其中丽赛纤维因其各方面优异的性能在生产中开始有大量的应用。

丽赛纤维是黏胶纤维的一种。但它既有传统黏胶纤维较好的服用性能,又具有优异的湿态强力,湿态初始模量约为38.5cn/dtex,高于天丝和莫代尔,故称其为高湿模量纤维。它具有良好的耐碱性,可以进行丝光处理。此外它的结构、性能与Tencel(Lyocell)纤维比较接近,但在价格、加工工艺等方面却有明显的优势。用Richcel制成的织物尺寸稳定性较好,收缩率较小,较耐洗、耐穿;色泽鲜艳,悬垂性好;并且由于Richcel纤维的耐碱性好,与棉混纺织物可进行丝光处理,所以织物手感与光泽得到了改善。鉴于上述丽赛纤维、织物的优点,有必要对纤维的结构性能有进一步的认识,以便更好的指导生产,开发新产品。

本文实验所用Richce纤维是由丹东东洋特种纤维有限公司出品,上海中纶纺织科技发展有限公司运营的。它的生产采用了日本东洋纺专有技术及原料体系,原料源于日本进口的天然针叶树精制木浆,资源可再生,废弃物可自然降解,安全环保。

1 丽赛纤维的结构特征

纤维结构是纤维固有的特征,是纤维的本质属性。不同的纤维有其不同的物理、化学性质,其又决定着纤维各自的使用特性,而产生和保持这种特性的根本原因在于纤维自身的结构。所以对一种新纤维进行研究,首先就应从了解纤维结构开始。通过对纤维结构的测试,从本质上认识这种纤维材料,进而将其结构特征与其物化性能联系起来,开发出最适合此类材料的产品。

1.1 纤维的微观结构

1.1.1 原纤化

丽赛纤维的原纤化等级为3,仅次于天丝的4级,高于棉的2级,莫代尔的1级,使其原纤化成为该纤维的一个突出特点。由于原纤化的存在,使某些纺织品风格更加独特,手感细腻柔软,亲肤性强,穿着舒适,受到人们的青睐。但也有些织物的风格要求表面光洁明亮,仿丝感强,因此也需要在染整过程中进行整理,防止原纤化。

1.1.2 取向度

丽赛纤维的取向度为80%～90%,高于普通黏胶(70%～80%),使得它的断裂强度高,断裂伸长小。

1.1.3 结晶度

丽赛纤维的结晶度为45%～50%,较天丝(40%),普通黏胶(25%)高,但低于棉。结晶度越小,吸湿性越好,再加上晶粒较大,因此丽赛纤维的吸水率较高,上染率高于棉,与棉混纺的织物要注意混纺的纱线的均匀性,染色的一致性。

1.1.4 聚合度

丽赛纤维的聚合度为450～550,高于普通黏胶(250～300),与天丝相当(500～550)。在一般情况下,随着聚合度的提高,纤维具有如下性能:①纤维取向度、结晶度提高。②纤维具有高强低伸性质。③纤维耐碱性提高。④纺织品加工的适应性,织物尺寸稳定性,耐洗性也相应提高,作为服装面料也扩大了适应性。

丽赛纤维恰恰具有了上述特性。

1.1.5 膨润度

丽赛纤维的水膨润度为60%,低于天丝(67%),莫代尔(78%),普通黏胶(90%),高于棉(45%),因此湿态时尺寸保持性好,缩水率低。

1.2 纤维形态结构

黏胶纤维由于纺丝凝固条件的影响,一般表皮层(简称表层)和内芯层(简称芯层)的结构有相当区别。表层大分子的取向度较高,结晶区颗粒小,结晶度较低;芯层大分子取向度较低,结晶颗粒较大,结晶度较高。黏胶纤维中有一些品种,利用特殊的纺丝工艺条件,可以使纤维截面中皮层很厚,芯层很薄,甚至几乎没有芯层,全是皮层。这些品种的黏胶纤维弹性好、强度高,耐疲劳性好。也可制的几乎没有皮层结构,只有芯层结构的黏胶纤维,高湿模量纤维接近这一类,丽赛纤维即是全芯结构[1]。

1.2.1 纤维横截面形态

实验方法:纺织材料切片实验。

实验仪器:Ｙ172型纤维切断器及生物显微镜。

实验结果:丽赛纤维截面图与其他几种纤维素纤维比较如图1。

实验表明丽赛纤维的横截面为光滑的圆形全芯结构,和天丝相似,不同于普通粘胶的锯齿型皮芯结构。独特的结构使丽赛纤维表面光泽好,织成的面料极富弹性,悬垂性好,手感柔软滑爽。

1.2.2 纤维的长度与细度

纤维的长度与细度是评定纤维可纺性能的首要条件,若纤维的细度和长度无法达到所要求的标准,其他的物理化学性质再好也无法满足纺织加工的需要。它们不仅影响着织物和纱线的品质,而且也是决定采用何种纺纱加工工艺和如何选择工艺参数的重要因素。

就细度而言,在其他条件不变时,纤维越细,纺出的成纱强度越高。当成纱强度要求一定时,选用较细的纤维纺出的纱线也越细。这是因为,细纤维在成纱截面内所含的纤维根数多,纤维之间的接触面积大,摩擦力大,纤维之间滑脱几率小,因而使得成纱的强度提高。纤维细度对成纱条干不匀率也有显著影响,纤维越细,成纱的条干越好,条干不匀率越低[1]。

单对长度来说,在纱线结构中纤维长度越大,纤维与纤维之间接触长度越大,纤维之间的摩擦力越大,纤维之间滑移小。在这种情况下造成纱线断裂的原因以纤维断裂为主,纤维之间的滑脱次之。根据这一原理,我们可以判断不同条件下纱线不同的断裂机理。当纤维长度较短时,纤维的长度将成为影响纤维成纱质量的主要因素。当纤维长度达到一定数值时,长度对成纱强度的影响相对变小。通常情况下,在保证纱线具有一定强度的前提下,纤维愈长,纺出的纱线的极限细度愈细,长度愈短纺出纱的细度愈粗。在应用中我们对纤维长度的要求不能简单地一概而论,应根据实际需要去选择。

1.2.2.1 纤维长度测试

用中段切断称重法测定等长切断化纤的长度[2].实验仪器为Y171型纤维切断器(10mm)和扭力天平(25mg),利用纤维切断器切取一端排列整齐纤维束的中段称取中段和两段重量,利用公式Lm=W0/(2Ws/(Ls+Lss)+Wc/Lc)求出平均长度Lm为38mm。

W0--纤维总重量;Wc—中断纤维重量;Ws—短纤维重量;

LC--中段纤维长度;LSS--最短纤维长度;Ls--短纤维界限。

实验结果表明此纤维属于棉型短纤维.化纤短纤维的长度和细度一般可分为棉型、毛型和中长型。棉型化纤较细(线密度1.3～1.7dtex),类似棉花,主要用于棉混纺,或纯纺,长度较与之混纺的棉纤维略长。化纤较长时,可以改善成纱条干,并提高纱布强度。

1.2.2.2 纤维细度测试

利用中段称重法测量纤维细度[2],实验仪器为Y171型纤维切断器(10mm)和扭力天平(25mg),利用纤维切断器切取10mm长的纤维,经称重,计数根数。根据定重制细度定义求出公制支数Ｎm=10n/Gf(ｎ－纤维根数,Ｇf－棉束中段重量),再转换单位,求得細度为1.56dtex。此纤维属棉型化纤,较细。

1.2.3 卷曲性测定

纤维卷曲是纺织纤维不可缺少的性质之一。纤维的卷曲可以使短纤维在纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合力,提高纤维的可纺性能。同时增加纤维的卷曲还可改善纤维弹性和纤维集合体的蓬松性,使织物柔软丰满,具有良好的抗皱性与保暖性,对改善纤维和织物光泽都有一定的作用。所以要评价一种纤维的综合性能,纤维的卷曲性能是必不可少的。

本文采用YG361卷曲弹性仪对丽赛纤维的卷曲性能进行了测定,测试结果表示:一般对化学纤维的卷曲数要求在12～14个/25cm,卷曲率在10%～15%左右,卷曲弹性回复率在70%～80%左右为宜[2]。从丽赛纤维卷曲性能测试的结果中我们可以了解到:丽赛纤维的卷曲率、卷曲恢复率、残留卷曲率及卷曲数均较好,可以作为优秀的针织和机织面料。当丽赛用于生产针织产品时,由于短纤卷曲度较好,纤维中存留静态空气较多,所以具有较好的保暖性;与弹力丝混纺制成的弹力布,不但具有良好的弹性,而且还兼有丽赛纤维本身所具有的系列优良性能。

2 纤维机械性能

2.1 实验方法及数据

实验仪器为YG001型电子式单纤维强力仪,此仪器可做纤维一次拉伸实验和定伸长下负荷拉伸实验。本次应用的是一次拉伸实验,试样长度为10.00mm,采用定速拉伸,拉伸速度为5.00mm/min,测量次数为30次。

2.2 结果分析

由图2可看出,丽赛的干强度高于棉、普通粘胶、莫代尔,仅次于天丝,湿强较高,湿干强比高于莫代尔,仅次于天丝、棉,克服了粘胶湿强小的缺点,扩大了其应用范围。丽赛的干态初始模量为39.1cn/dtex,湿态初始模量为38.5cn/dtex,高于天丝和莫代尔,故又称其为高湿模量纤维。纤维初始模量大,其织物的尺寸稳定性好,挺括,不易起皱。另外其纤维断裂伸长小。

3 吸湿性能

3.1 回潮率测定

纺织材料的吸湿或放湿是一种普通的自然现象,同时又是一个动态平衡过程。纺织材料的吸湿或放湿不仅会引起材料本身的重量变化,而且会引起一系列的性质变化,这对商品贸易、重量控制、性能测定以及生产加工等都会有影响。大多数纺织纤维吸湿后有明显的横向膨胀、刚性降低,断裂伸长增加,强度、摩擦、导电性等都会有变化,这些性质变化对纺织加工工艺及成品质量会造成不同程度的影响。因此测定纤维的吸湿非常重要。纺织材料的吸湿量指标通常用回潮率和含水率表示。

本实验用烘箱法(Ｙ802型烘箱)测得的纤维回潮率为13%,与普通粘胶相等,高于天丝(11.9%)和天然纤维。由于纤维的吸湿性好,在纺纱过程中有效的遏制了静电现象的发生,保证了纤维纺纱过程的顺利进行,因此可纺性较好。另外织物吸湿性好,穿着舒适,不易起静电,美观干净。

4 纤维的电学性能

4.1 纤维比电阻测定

天然纤维一般易于吸湿,回潮率较高,比电阻较低。天然纤维在加工过程中因摩擦而产生静电,由于纤维比电阻低,所以静电可以及时消除。合成纤维一般吸湿性差,回潮率低,比电阻较高。未上油的化学纤维在加工过程中静电容易积聚,必须给以一定油剂。测量化学纤维的比电阻是预测纤维可纺性的重要方法。为了使化学纤维顺利纺纱,其质量比电阻一般控制在109Ω·g/cm2以内。本实验采用YG321型纤维比电阻实验仪测得的纤维平均电阻Ｒ＝1.3×107Ω,根据公式ρm＝Ｒ×ｍ／l2求得的质量比电阻为5.0×107Ω。结果表明丽赛纤维属于纤维素纤维,吸湿性较好,因此其质量比电阻较小,与黏胶纤维相当,在纺纱中不易产生大量静电,可纺性较好。

Richcel纤维具有高强度、高湿模量、高聚合度和适当的伸度,湿干强度比佳,吸湿性好,在性能上与Tencel纤维接近,而明显优于Modal纤维;它的耐碱性好,与棉混纺织物还可进行丝光处理,改善织物手感与光泽。在实际应用中,可用于生产针织产品,具有良好的保暖性,同时作为一种绿色环保纤维,丽赛纤维与人体皮肤具有良好的亲和性,而且十分柔软,许多舒适性指标都接近于羊绒,被业界称之为“植物羊绒”。它的初始模量较大,回弹性好,利用这一性能,可制成蓬松度较好,手感丰满的仿毛类毛衫织物。由于其吸湿性较好,织成的织物具有良好的导湿透气性,同时因为纤维对人体皮肤无刺激性,且柔软滑糯,是生产T恤面料的理想选择。当用于机织面料时,制成的衬衫面料形态尺寸稳定性好,挺括有骨感,且手感滑糯。作为一种纤维素纤维,丽赛纤维染色鲜艳,富有光泽,且织物成形性好,因而可被广泛用于制作女装面料。此外还可直接将该纤维用来生产毛巾产品,而不需像棉那样先要对棉纤维进行丝光处理以除掉纤维上的蜡质,然后再用来生产成品。

综上所述,无论从原料来源,还是纤维的各项性能来看,由丽赛纤维制成的产品代表着未来纺织品的发展方向,具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]姚穆等.纺织材料学.北京:中国纺织出版社,1990.

[2]赵书经.纺织材料实验教程.北京:中国纺织出版社,1989.

[3]张玉莲.绿色纤维.北京:中国纺织出版社,2001.

篇4：碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

关键词：碳纤维布,钢管混凝土柱,抗震加固

0 前言

钢管混凝土结构在我国已经得到广泛的应用, 因其承载能力高、塑性性能和韧性好、施工方便、耐火性能强及经济效益显著等特点而被广泛应用于高层建筑、地下工程、大跨度桥梁、工业厂房等的承重结构中。但是, 由于近些年突发地震频繁, 许多建筑都受到不同程度的损伤, 这其中也包括一些钢管混凝土建筑结构, 所以对钢管混凝土结构进行抗震、补强、加固刻不容缓。目前, 建筑工程中常用的对混凝土结构加固方法有卸载法、加大截面法、置换混凝土法、外包钢法、贴纤维复合材料法。经过研究与分析, 碳纤维布被认为是最具技术优点的能够应用于混凝土结构抗震加固的一种现代新材料, 在加固钢管混凝土柱时, 其高强度、高弹性模量的特点可以有效地提高混凝土结构及构件的承载力和延性, 改善其受力性能, 达到高效加固、提高抗震性能的目的。

1 我国的研究现状

我国对碳纤维布加固补修混凝土结构的研究起步比钢管混凝土的应用较晚, 在公开发行的学术报刊上, 对钢管混凝土经碳纤维布加固后的抗震性能研究少之甚少。我国于1997 年开展碳纤维布补强加固钢筋混凝土构件的研究工作, 其中国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早开展了这项工作, 课题组从试验出发, 进行了结构的抗弯、抗剪和抗压等方面的性能研究, 得到一些具有代表性的参考数据。之后, 该课题被列入国家科技部 “九五”重点攻关课题。天津大学、清华大学、东南大学等[1,2,3]院校和科研单位也进行了碳纤维布加固混凝土结构的研究, 取得了一些成果。国内对碳纤维加固混凝土结构的抗震研究大多以试验方法研究为主, 张柯等[4]通过试验研究结果得出, 采用经碳纤维布加固后的柱可以提高其变形能力和滞回耗能能力, 显著改善混凝土柱的抗震性能。而且在基于能量准则分析计算的基础上, 第一次确定了碳纤维布加固混凝土柱后的目标延性系数。卢亦焱等[5]通过研究也发现碳纤维布加固的钢筋混凝土柱的承载力和延性都得到提升, 其整体抗震性能可以得到明显改善。其他学者也开始了对碳纤维加固混凝土结构的抗震性能的研究[6,7,8,9,10,11]。随后, 碳纤维加固钢管混凝土柱的抗震研究[12,13,14,15,16]在相关期刊和文献中开始报道, 这一研究渐渐开始起步。

目前我国的现有规范CECE146: 2003《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》和JGJ116 - 2009《建筑抗震加固技术规程》已经分别对碳纤维布加固的设计施工和粘贴方法有了相应的阐述和规定。GB50367 - 2013《混凝土结构加固设计规范》 ( 以下简称《加固规范》) 详细介绍了粘贴纤维复合材加固法的相关设计规定。

2 碳纤维布加固的原理

根据钢管混凝土柱在试验或实际工程中的受力原理, 可将碳纤维布分为沿钢管环向和沿钢管纵向以及环向纵向相结合的方式进行粘贴。根据设计要求, 可在同一位置和同一方向粘贴一层或多层碳纤维布。钢管混凝土柱在实际抗震应用中一般承受横向荷载的作用, 最先受损部位一般出现在柱脚附近[17], 所以碳纤维布一般粘贴在柱脚附近。当钢管混凝土柱在受到水平力作用时, 柱脚附近的混凝土产生较大的横向变形, 当横向变形超过钢管对它的约束作用, 则钢管也会产生横向变形, 当粘贴碳纤维布之后, 对核心混凝土多了一道约束作用, 使钢管与混凝土都处于更加复杂的多向应力的受力状态, 从而使混凝土的极限压应变值得以提高, 减缓了受拉区混凝土的破碎, 而且也有效地保护了钢管, 使其塑性和韧性性能大为改善。同时, 钢管与碳纤维布都具有较高的弹性模量, 在一定程度上可以协调工作, 由于钢管的延性和混凝土的抗压能力, 可以避免碳纤维布过早局部撕裂, 从而保证材料能充分发挥其性能。

钢管混凝土的除锈与打磨以及碳纤维布的剪裁和搭接要求可以参照《加固规范》, 然后进行环向粘贴。粘贴的过程中一定要注意保证核心混凝土和钢管能够与碳纤维布协调工作, 确保粘贴质量。

3 碳纤维布加固后的钢管混凝土柱抗震性能特点

国内多位学者通过研究表明, 经过碳纤维布加固后的钢管混凝土柱的各项性能指标均有所改善, 一般通过试验反映与数据对比可以得出, 其抗震性能能够得到提高。

3. 1 滞回性能

从荷载- 位移滞回曲线上很容易看出构件的受力与位移情况, 它概括了承载能力、刚度和延性等力学特征, 是钢管混凝土框架柱抗震性能的集中体现。许成祥等[14]通过对比试验, 得出了水平荷载- 位移滞回曲线。经碳纤维布加固后的钢管混凝土柱在低周反复力作用下, 其极限承载力和极限位移均得到提高, 不仅滞回曲线的循环次数增加了, 而且整个滞回环的面积也增大了。与未经过碳纤维布加固的构件滞回曲线对比还发现, 整个滞回环更加饱满, 没有明显的捏缩现象。从而可以得出经碳纤维布加固后的钢管混凝土柱具有更加优越的塑性变形能力, 其整体耗能能力提升, 可以更好地适应地震作用。

3. 2 骨架曲线

将荷载- 位移曲线所有的循环次数中峰值点 ( 也即开始卸载的点) 都有序连接起来得到的曲线就叫骨架曲线。通过相关试验数据所得的骨架曲线分析对比, 由于碳纤维布加强了钢管混凝土柱的承载能力, 在骨架曲线的上升段, 经过碳纤维布加固的钢管混凝土柱上升段较未经碳纤维布加固的钢管混凝土柱快, 其斜率略大, 故其刚度有所提高。在水平段, 经过碳纤维布加固的钢管混凝土柱的曲线有所加高和加长, 从而可以知道其强度和延性都得到了提高。同时在水平下降段, 其下降趋势更为平缓, 则其受力过程更加稳定, 对承受水平反复荷载作用的能力更加明显。

3. 3 抗震性能指标

结构或构件的抗震性能指标一般用位移延性系数和耗能能力来描述, 其中耗能能力采用等效黏滞阻尼系数来表征。根据倪铁权等[17]课题组的实验研究表明, 经碳纤维布加固的试件位移延性系数比没有加固的试件有大幅提高, 提高幅度为3. 49% 。同时黏滞阻尼系数也相应地得到提高, 增幅为7. 69% 。这些数据都充分表明将碳纤维布加固后的构件其延性与耗能能力有了改善, 增加了构件本身的抗震能力, 这也说明碳纤维布在混凝土结构领域的发展与应用前景是广阔的。

强度退化和刚度退化也是表征构件抗震性能的重要参考依据。研究表明, 碳纤维布加固后的钢管混凝土柱在承受低周反复力作用时与未加固的构件对比, 强度和刚度退化的都较慢, 特别是在加载后期, 退化的速率减小, 退化过程更加趋于缓和, 整体抗震能力更加稳定。

4 展望

目前国内将碳纤维布用来加固钢管混凝土以提高其抗震能力的实例较为少见。而且, 国内高校和相关单位对这方面的研究也还没普及, 缺乏相关的文献作为参考依据, 但是其优越性已经得到凸显。所以, 笔者认为未来运用碳纤维布加固钢管混凝土来达到更高的抗震效果是一种趋势, 这种技术方法能够得到发展。针对这种情况, 本文提出以下几点建议。

1) 完善相关的规范与技术标准。针对钢管混凝土的碳纤维布抗震加固的标准与规范目前欠缺比较大, 需要统一的公式与计算方法来指导, 并能将试验分析理论运用到实际工程。

2) 研讨混凝土和钢管以及碳纤维布三者之间的协同工作机理。提出合理的钢管- 碳纤维布之间粘结滑移理论, 针对相互协调工作的原理提出能够通用的本构关系。

3) 探究各种试验参数对碳纤维布的加固效果的影响。混凝土强度等级、钢材强度、钢管混凝土的截面形式与长细比、轴压比、碳纤维布粘贴的厚度以及施工温度与使用环境等, 这些都是必须考虑的因素, 因此, 必须加大研究力度与深度, 探究出适用的参数数据。

4) 评估碳纤维布加固后的抗震效果。经碳纤维布加固后的钢管混凝土柱抗震能力增加的程度需要进行分析总结, 特别是针对震损后的构件加固后再继续使用时能承受再次地震作用的能力, 需要进行评估, 以确保安全。

篇5：碳纤维加固混凝土结构抗震性能的初步研究和应用

关键词：碳纤维,耐火性能,有限元分析

引言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer)具有强度高、模量高、质量轻、耐烧蚀、抗冲刷、化学稳定性强等优异性能,广泛应用于国防军工、建筑加固等领域,取得了良好的经济效益[1]。但是,传统的用于粘贴碳纤维的有机胶的玻璃态转化温度Tg一般比较低,常用的热固性树脂Tg的范围为65～150 ℃[2]。研究发现,高温下,当温度超过Tg后,胶粘剂会分解或软化,丧失传递剪力的作用,造成加固失效[3]。目前,关于碳纤维加固结构构件的高温和耐火性能研究较少,为促进碳纤维复合材料在国防和民用工程中的推广应用,笔者对碳纤维加固钢板拟制了几种不同的防火保护,进行耐火性能试验,并利用大型有限元分析软件ANSYS进行数值模拟,计算结果与试验结果在一定范围内相互吻合,为深入研究火灾下有防火保护的碳纤维加固构件的耐火极限提供了数据资料。

1 碳纤维加固钢板的耐火性能试验分析

试验采用5块尺寸为100 mm×150 mm×3 mm的碳纤维加固钢板,其中在B1～B4下表面(粘贴FTS-C1-30型碳纤维的一面)分别涂覆1 mm厚SCB超薄膨胀型钢结构防火涂料、3 mm厚SWB室内外钢结构膨胀防火涂料、1 mm厚G60-3膨胀型过氯乙烯防火涂料、7 mm厚106-2隧道防火涂料;在B5下表面设置间距1.5 mm的铝板隔热层。采用WRNK191型铠装式镍铬镍硅热电偶测温,将1个热电偶预埋于粘胶层,1个热电偶放置于防火涂料(铝板)下表面,1个热电偶穿过钢板上表面石棉保温衬垫进行测温。采用酒精喷灯进行钢板耐火试验。

试验中发现,防火涂料可以割断外界火源对碳纤维钢板的加热,具有较好的阻燃隔热效果。但是,随着火源与基材的接近,温度升高,防火涂料会膨胀并迅速开裂脱落,导致火焰直接进攻基材,失去隔热性。铝板隔热在受火初期具有较好的防火性,但当温度升高到一定程度后(达到760 ℃),铝板被火焰灼烧通,钢板直接受火,温度急剧上升,完全散失了防火性。试验结果如图1和图2所示。

从图1可以看出,碳纤维加固钢板的耐火性能与防火保护层的厚度成正比,防火保护层厚度越大,阻燃隔热效果越好。从图2可以看出,采用隔热层防火虽然可行,但应选择更加耐高温的隔热材料(如玻璃棉、硅酸钙板等)。

2 碳纤维加固钢板的耐火性能数值模拟分析

2.1 模型建立

本文在试验研究的基础上,利用ANSYS有限元程序对3种防火保护的碳纤维加固钢板进行了温度场模拟计算[4]:

(1)表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料;

(2)设置间距1.5 mm的铝板隔热层;

(3)综合保护:在表面涂覆7 mm厚106-2隧道防火涂料的同时,设置间距1.5 mm的铝板隔热层。

温度场变量Θ(x,y,z,t)应满足微分方程:

温度场函数Θ不仅是空间域Ω的函数,而且还是时间域t的函数,时间和空间两种域并不耦合,因此,求解温度场函数Θ采用有限元-差分混合法,对结构空间域用有限单元进行离散,在时间(温度)域上用差分的步进法递推分析。

ANSYS热分析的基本步骤包括建模、施加对流辐射边界和后处理。对钢板表面采用表面效应单元SURF19模拟点与面的热传递;对钢板、碳纤维、防火涂料(铝板)采用二维实体PLANE55单元;考虑火焰温度较高,铝板主要是通过辐射作用将温度传给上部与其间隔1.5 mm的碳纤维,故分别在碳纤维与铝板模型表面覆盖1层新的LINK32单元,利用AUX12对空气隔热层进行辐射热分析。建模过程中输入的材料基本属性有密度、热传导率、比热容和辐射系数等,模型边界温度按照试验测定。

2.2 计算结果及分析

用ANSYS模拟计算在与试验相同升温条件下,涂覆106-2防火涂料和铝板隔热层保护的碳纤维加固钢板耐火性能,计算结果与试验结果对比如图3和图4所示,二者吻合较好,计算结果偏于安全。

ANSYS模拟计算相同升温条件下,综合保护的碳纤维加固钢板耐火性能,结果见图5所示。将3种模拟计算结果进行对比,如图6所示。

由图6可以看出,在前17 min内(系统外界温度332 ℃),防火涂料与铝板隔热的防火效果基本相当;但随着外界温度的继续升高,铝板的隔热性能迅速下降,而防火涂料仍维持较平稳的隔热作用,防火性能明显优于铝板隔热层。在38 min时,外界温度达到622 ℃(铝板未被烧通之前),表面涂覆防火涂料和设置铝板隔热的钢板上表面对应的温度分别为198 ℃和380 ℃,均超过了胶粘剂的极限温度150 ℃,胶粘剂的剪切强度几乎衰减殆尽,意味着碳纤维加固效果基本丧失[5],而综合防火保护的钢板上表面温度为122 ℃,低于胶粘剂极限温度。由此可见,采取综合保护的碳纤维钢板耐火性能显著提高。若能增加防火保护层厚度,耐火性能还将进一步提高。

3 结论

本文对采用不同防火保护的碳纤维加固钢板进行了耐火试验,并在假设碳纤维与钢板粘贴可靠、节点边界均匀受热的基础上,利用有限元程序进行了数值分析。得到以下结论:

3.1 碳纤维增强复合材料的耐热性能在很大程度上取决于胶粘剂,除使用特殊的耐高温基体树脂外,一般使用温度宜≯80 ℃。

3.2 目前所采用的胶粘剂几乎均为有机聚合物,具有一定的可燃性,因此,无防火保护的碳纤维加固技术只能用于防火要求不高的结构。碳纤维加固构件的防火可以从两方面入手:一是改变树脂的组分,如在环氧树脂中加入阻燃剂、高温改性剂等,或采用无机胶粘剂[6];二是进行表面处理,如喷涂防火涂料、矿物纤维,采用石膏板、硅酸钙板等轻质耐火板材包封,设置隔热层等。对于采用外粘碳纤维加固的梁板,在碳纤维表面涂覆防火涂料的同时增设一定间距的隔热层,如在钢梁、钢屋架下做耐火吊顶是一种较佳的防火方法。

3.3 笔者对碳纤维加固钢板进行了耐火性能的初步研究,为深入研究火灾下有防火保护的碳纤维加固构件的耐火极限提供了数据资料,但尚缺乏大规模的实际工程验证。为了扩大碳纤维加固技术的应用范围,建议在采用耐高温胶的同时,能够研制一种专门用于纤维加固的特种防火涂料。

参考文献

[1]Tatsuo O,Koji O.Seismic retrofitting of expressway bridges in Japan[J].Cement&Concrete Composites,2000,22:7-27.

[2]ACI Committee440.2R-02.Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[S].AmericanConcrete Institute,Farmington Hills,Michigan,2002.

[3]Bisby L A,Green M F,Kodur V K R.Modeling the behavior of fiber reinforced polymer-confined concrete columns exposed to fire[J].Journal of Composites for Construction,2005,9(1):15-24.

[4]唐兴伦,范群波,张朝晖,等.ANSYS工程应用教程——热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[5]吴波,万志军.碳纤维布及胶粘剂的高温强度研究[A].第三届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第一届全国结构抗火学术交流会论文集[C].上海:中国钢结构协会,2005.