鋼結構使用碳纖維材料加固方案研究

劉 石

(吉林建筑大學土木學院，吉林 長春 130000)

1 概述

鋼結構設施的施工環節質量，服役期間的維護保養對其性能有著重要的影響。東北城市由于環境條件變化劇烈，季節性酸雪酸雨及雨雪消融對鋼材產生一定的腐蝕，早些年施工技術相對落后，維保經驗不足等因素使得一些已建造二十幾年的鋼結構出現了局部腐蝕、破損，造成強度下降及一定的安全隱患。傳統的焊接加固補強方法易產生殘余應力和損傷，缺乏施工操作空間及不夠美觀。借鑒于碳纖維材料應用于混凝土結構的維修加固，對鋼結構的加固補強隨著各類纖維材料的發展變得更加有效、快速和易于施工。

2 加固方案研究

碳纖維材料的兩個類別一是高彈性模量，二是高強度。施工時均需用膠粘劑把碳纖維材料貼附于鋼構件表面，提高構件剩余疲勞壽命，一定程度上延緩疲勞裂紋的擴展。加固方案設計涉及以下因素：材料方面：纖維含量比例、纖維的彈性模量、鋼材的力學特征；施工方面：貼附的長度寬度厚度，粘貼工藝和膠的強度，貼附位置和數量。以下設計了一組對比試驗，研究加固方案的設計要點和適用性。

2.1 試驗方案

試驗使用靜力加載三向彎曲試驗，以等剛度原則設計，利用特殊制作的拉伸錨具對鋼梁施加預應力，產生一定的反向預變形，此時粘附碳纖維板材。參考已有的各研究資料，為避免剝離破壞，碳纖維加固板及試件的不連續部位加工為45°角。粘結劑采用高分子合成材料，避免厚度過大及氣泡出現引起粘結部位強度不足。碳纖維材料參數見表1，加固方案如圖1所示。

表1 碳纖維加固板特征參數

2.2 理論分析

在役結構在加固前已承受使用荷載，處于變形狀態，加固材料在加固初始階段不承擔荷載和變形，與原有結構在應力應變關系上存在滯后現象。在彈性變形階段，按照平截面假定，加固纖維材料和鋼材按照線性關系作截面換算。

截面慣性矩I：

(1)

(2)

其中，As,Af分別為鋼構件截面面積和碳纖維加固板截面面積；Ef,Es分別為碳纖維加固板和鋼材的彈性模量；y0,y1分別為鋼構件中性軸到梁底距離和中性軸至梁底距離；t為碳纖維加固板厚度；Ix為工字鋼截面對形心軸的慣性矩。

跨中撓度：

(3)

3 分析與結論

試驗測得的加固前后強度值見表2。

表2 加固前后構件強度

試驗測得的跨中撓度與力學分析的理論值見表3。

表3 加固試驗跨中撓度數值表

試驗結果表明：

1)碳纖維材料加固鋼構件，加固效果明顯，其中高彈性模量材料的加固使得構件在早期階段屈服強度提升明顯，高強度材料則大幅提升了最后階段的極限強度。變形方面，高彈性模量材料使得構件跨中變形比較均勻，受力較為理想。說明采用高彈性材料進行加固，適用于加固較早，對美觀要求較高，結構使用荷載與設計極限荷載比值較小的鋼結構。2)對加固構件做截面換算，計算跨中撓度，實驗結果和理論計算比較吻合，因理論計算忽略了一些約束條件，有一定誤差，理論計算偏于保守，綜合實際施工中可能出現的偏差，可以采用該線性關系的界面換算來設計加固方案。