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建筑用碳纤维加固

发布时间:2019-11-10 20:08

作者:云南昆明加固公司_云南碳纤维粘钢加固_云南正均建筑加固工程有限公司

同名相关词:

推广地域:建筑用,碳纤维,加固,用,碳纤维,增,强的,

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产品介绍

用碳纤维增强的聚合物增强的超高性能混凝土建造轻型结构:研究方法,建筑材料和三个建筑构件的概念设,建筑行业,尤其是混凝土行业,消耗了从岩石圈中提取的自然资源的相当一部分,并导致了全球产生的大部分固体废物。不幸的是,这一事实尚未引起抵抗潮流的动静。相反,可以观察到在新结构中混凝土使用量的巨大增加。必须通过最佳地利用混凝土的材料性能以提高其效率来抵消这种发展。
 
维也纳自然资源与生命科学大学和维也纳工业大学追求的一种策略是通过使用高性能材料(例如超高强度的碳纤维增强聚合物)来减少混凝土和结构中的钢筋数量高性能混凝土成员。这样可以大大减少自重,并可以设计非常轻便的预制混凝土构件。作者的目标是使用棒作为弯曲增强材料,并使用扁平和预成型纺织品的组合作为剪切和结构增强材料。在本文的第一部分,介绍了研究方法,并全面概述了和加固技术的现状。第二部分包含一些结构构件(一个地板构件和两个T型梁)的概念设计的描述,从开发合适的混合物开始。此外,还描述并评估了纺织品增强条的初步单轴拉伸试验。在本文的最后部分,作者介绍了针对不同钢筋类型,值,杆钢筋和第一个原型的附加预应力。它们可用于估算拟议建筑构件的可行性,承重和挠度行为。
 
随着世界人口的快速增长,全球原材料消耗量正在强劲增长。1在全球范围内,我们目前消耗的原材料量是地球能长时间维持的原材料的一半半。在中欧和中国,消费量分别是可承受量的两倍和五倍。2建筑业是所有行业中材料消耗最高的行业,而混凝土行业是其最大的子行业。从1995年到2014年,全球水泥产量增加了两倍,而且产量仍在增长。3因此,必须显着提高混凝土作为建筑材料的利用率,并且需要建造由较少材料制成的更耐用的结构。主要目标是在生产耐用,安全的建筑构件和结构时,尽可能少地使用材料和能源。
 
近年来,已采取各种想法来减少混凝土工业产生的排放。常规混凝土的平均环境抗压强度为33 MPa的环境产品声明(EPD)指出,水泥生产占原材料,运输和生产1 m 3混凝土的全球总升温潜能值(GWP)的90.9%。4因此,一种可行的方法是减少混凝土中波特兰水泥熟料的含量,而不会对其耐久性和机械性能产生负面影响。5这种减少可以通过优化混凝土混合物来实现。有可能(a)增加堆积密度,(b)使用粉煤灰或粒状高炉矿渣等辅助原料,或(c)添加更多的反应性粘结剂。6另一种方法是通过优化结构部件的设计来减少混凝土的总量。混凝土结构所承受的很大一部分载荷是其构件的自重。例如,如果跨度为6 m的常规现浇混凝土地板(未安装任何空心体)的厚度约为0.28 m,则其自重为7 kN / m 2。相反,地板结构产生的额外永久载荷约为2–3 kN / m 2施加的载荷约为3-5 kN / m 2。因此,在本示例中,自重占总负载的47%至58%。另外,自重的影响随着跨度的增加而增加,因为,例如,混凝土梁的体积(自重)随跨度的三次方而增加,而承载力仅随跨度的增加而增加。跨度长度的平方,如参考文献7中所述。减少混凝土行业排放的第三个策略是使用高强度材料(例如超高性能混凝土)和由高性能纤维(例如玻璃,玄武岩或碳纤维)粘结而成的增强材料矩阵。如果有目的地部署,则可以显着减少建筑组件的尺寸和所需的混凝土总量。维也纳自然资源与生命科学大学和维也纳工业大学的当前研究结合了方法2和方法3,目的是在生产耐用的轻型结构的同时减少必要的整体混凝土质量。

 
2研究方法
 
本研究的主要目的是使用碳纤维增强聚合物增强材料(纺织品和棒材)和,并结合一种设计来优化利用材料的性能,以实现耐用的薄壁结构构件。碳增强材料的高抗拉强度(最高3500 MPa)和的高抗压强度(高于150 MPa)可以显着降低结构的自重,并显着降低所需的建筑材料。此外,减少了运输工作量,并且可以简化预制设备和现场的提升过程。初步的材料测试(混凝土样品的压缩和加固的条带的拉伸测试)显示出的高强度材料和突然的破坏行为表明建筑构件的脆性破坏。但是,在使用全尺寸板坯的首次弯曲实验中,可以观察到由于明显裂纹导致的明显可见的挠曲。如参考中所述8纤维增强聚合物(FRP)作为增强材料已有25年的历史了,但是高耐用性和高强度无法弥补材料的高昂价格。另外,与钢筋相比,较低的刚度避免了在实践中更广泛的使用。在过去的十年中,自然资源的消耗量急剧增加,建筑材料日益稀缺,这为进行第二次尝试提供了前提。作者力求使用增强材料作为较软的玻璃增强材料的替代解决方案,并具有足够的使用寿命。在目前的方法中,作者努力使用FRP杆增强材料来提高所需极限极限状态下的承载能力,并使用扁平和预成型的织物作为剪切,弯曲和结构增强材料。作者意识到,与传统的碳纤维和相比,碳纤维和的生产对能源的需求很高。尽管在这两个方面都具有明显优势,但有关生态和经济绩效的初步计算和相关出版物均显示了出来。本文稿的目的是总结建筑材料的基础知识,并对结构构件的可生产性和承重行为进行估算。
 
3建筑材料—最新技术
 
3.1超高性能混凝土
 
的特点是抗压强度非常高(高于150 MPa),抗拉强度相对较低(6-15 MPa)以及易碎的拉伸和压缩破坏行为。这些性能是其致密的微观结构的结果,该微观结构还增强了其对环境影响以及化学和机械侵蚀的抵抗力,并导致非常耐用的结构,从而使混凝土覆盖面降至最低。近年来,已经对该材料的生产,机械性能和耐久性进行了广泛的研究。尽管最初的主要目标是获得高抗压强度,但后来的研究重点是耐久性。材料的名称强调了材料的性能,其中不仅包括高强度,还包括新开发混凝土的所有特性。参考文献中描述了针对的面向应用的混合物设计的研究9和 10。通过将水灰比降低至约0.20,并添加细小的惰性和反应性颗粒(其大小与分级曲线相符),以获得致密的空间结构并防止毛细血管的形成,从而获得致密的微观结构。11 - 13为最常用的反应性混合物是硅灰导致混凝土的更高的强度。14由于低的水灰比和大量的具有较大比表面积的硅粉,必须添加高效减水剂以获得足够的粘度和可施工的混凝土。牢记这一点,将用于普通强度混凝土的典型三相模型(水,水泥,骨料颗粒)扩展为代表的五阶段模型(水,水泥,骨料颗粒,高效减水剂,外加剂)。参考文献15中对的物质行为进行了详细描述。虽然抗压强度非常高,可以达到与钢相当的值,但抗拉强度却很低(大约6-15 MPa)。但是,与普通强度和高强度混凝土相比,的耐久性要好得多。在文献中,建议创建考虑到材料的密集结构的新博览会类别。15要定义合适的材料和计算模型,如在参考文献中描述16,17,已经进行了大量的组件测试,并且还第一标准和指南已发表在一些国家。18 - 20几个建设项目,诸如那些在参考文献中列出21 - 23,最近已经完成,但使用的仍在不断增加,许多面向应用的研究项目正在在大学进行。24 - 26在参考文献 27,28,提供了使用进行构建的最新技术概述。由于材料的脆性破坏行为和相对较低的拉伸强度,必须在结构部件上添加额外的增强材料。一种可行的方法是添加钢纤维或常规的钢筋。钢纤维可以在混凝土生产过程中轻松添加,但是它们的缺点是它们会沿随机方向定向。当使用传统的钢筋时,钢筋要求的最小混凝土覆盖层为15–20 mm,这会增加横截面的厚度。通过使用由高性能纤维制成的增强材料(也具有高耐腐蚀性),可以在提供应力导向的增强材料的同时将混凝土的覆盖面降至最低。
 
3.2由纤维增强聚合物制成的增强材料
 
由FRP制成的增强元件具有比钢低的单位重量,高的抗拉强度,低的线性膨胀系数并且在腐蚀方面具有有利的特性。因此,与传统的增强结构元件相比,由FRP制成的结构元件可显着减少混凝土覆盖层,并随后减小部件厚度。结果,实现了自重的降低。在FRP增强材料的生产中,将耐碱(AR)玻璃纤维,玄武岩纤维,碳纤维或天然纤维的丝束在一起以形成条或织物增强元件,并与不同类型的基质(例如环氧树脂,苯乙烯-丁二烯或乙烯基酯树脂。与纤维混凝土相比,通过将长度为10–100 mm的纤维添加到混合物中而制成,可将FRP筋和织物增强元件放在出现拉应力且需要增强的区域。如果使用天然纤维,则元件的抗张强度最高为300 MPa;如果使用AR玻璃纤维,则元件的最高抗张强度为1600 MPa;如果使用玄武岩纤维,则最高为2500 MPa;如果使用碳纤维,则最高为3500 MPa。相比之下,常规的钢筋具有550 MPa的屈服强度(在奥地利)。FRP增强材料是作为具有不同网眼尺寸和增强比例的纺织品增强材料提供的,并具有不同直径的杆或不同尺寸的股线。如果使用天然纤维,则元件的抗张强度最高为300 MPa;如果使用AR玻璃纤维,则元件的最高抗张强度为1600 MPa;如果使用玄武岩纤维,则最高为2500 MPa;如果使用碳纤维,则最高为3500 MPa。相比之下,常规的钢筋具有550 MPa的屈服强度(在奥地利)。FRP增强材料是作为具有不同网眼尺寸和增强比例的纺织品增强材料提供的,并具有不同直径的杆或不同尺寸的股线。如果使用天然纤维,则元件的抗张强度最高为300 MPa;如果使用AR玻璃纤维,则元件的最高抗张强度为1600 MPa;如果使用玄武岩纤维,则最高为2500 MPa;如果使用碳纤维,则最高为3500 MPa。相比之下,常规的钢筋具有550 MPa的屈服强度(在奥地利)。FRP增强材料是作为具有不同网眼尺寸和增强比例的纺织品增强材料提供的,并具有不同直径的杆或不同尺寸的股线。
 
3.2.1 FRP筋加固
 
拉挤成型是生产FRP棒的最常见生产工艺。将纤维束拉过湿的树脂,然后通过将饱和的纤维束通过模头挤出,将纤维束制成所需的形式。29在拉动纤维束穿过模具的同时,环氧树脂在热处理下硬化。元件表面还可以例如通过在杆上喷砂或缠绕细丝来制备,以提高关于粘结性能的表面质量。30根据纤维材料(G-玻璃; A-芳纶; C-碳)和环氧树脂,成品棒的性能差异很大。表1概述了最常见的FRP棒的性能。
 
表1. 玻璃钢棒的材料特性30
 
杨氏模量(GPa) 拉伸强度(GPa) 断裂伸长率(mm / m)
 
玻璃钢 35-60 0.5–1.6 12–31
 
纤维增强塑料 41–125 1.0–2.5 19–44
 
碳纤维布 120–580 0.6–3.5 5–17
 
在大多数情况下,棒的杨氏模量低于钢。抗拉强度在600和3,500 MPa之间。FRP条的松弛损失取决于基体的松弛,纤维的伸直和纤维的松弛。因为碳纤维仅表现出非常小的松弛,所以该材料在对芳族聚酰胺或玻璃纤维的松弛行为方面是有利的。29
 
3.2.2纺织品加固
 
纺织品增强元件是二维或三维网格,由称为粗纱的成束长丝组成。31这些粗纱可以再次捆扎在一起,形成纤维束,以便获得更高的tex强度。平面纺织品(大众产品)最常用的生产技术是经编,因为该制造技术非常快捷且经济。该技术借助网眼或编织系统将经纱或织物互连。32
 
在大多数情况下,织物结构被浸渍以提高单根细丝之间的刚度和粘结性能,并增强粗纱与混凝土之间的粘结性能。在参考文献33中可以找到有关不同类型浸渍影响的详细说明。。浸渍还提高了成型加筋件并将其放入模板而无需采取重大措施的可能性。当前,市场上可用的环氧树脂浸渍碳纤维织物的杨氏模量为170,000–300,000 MPa(浸渍纤维束)。浸渍过程可以包括在纺织品的自动化生产过程中。此外,还可以对纺织品元件进行三维预成型,并通过延迟浸渍来冻结成型。目前,苯乙烯-丁二烯,乙烯基酯树脂(都可以很容易地弯曲到有限的弯曲半径)和环氧树脂(高刚度)是最常用的浸渍材料。一个绿色的替代品是greenpoxy。34中提供了参考的承载性能,安全概念,以及新建筑设计的概述35 - 39。除了大量的基础研究,加强织物已经证明了自己在不同的原型,其中的例子在参考文献中40 - 45。
 
4轻型结构构件的概念设计
 
和加固这两种高性能材料的结合,要求开发新的建筑构件设计。传统常规强度的钢筋混凝土建筑构件的简单缩放会导致不合适的设计和较差的材料利用率。在提出的研究中,第一步是对混合物的材料性能和可用的纺织品增强材料进行研究。随后将它们用于地板元件和两种不同的T型梁配置的设计中。已经证明,纤维(在大多数情况下为短钢纤维)有助于防止的脆性破坏。尽管如此,作者试将取向的结构织物增强物放置在需要的地方,而不是在整个构件中提供随机分布的纤维。
 
 
纤维材质
 
矩阵类型 环氧树脂 环氧树脂 环氧树脂
 
目数(mm) 38 25 38
 
单条粗纱的截面积(mm 2) 3.62 3.62 5.42
 
粗纱的粗度(双向)(特克斯) 6,400 6,400 9,600
 
筛网截面(mm 2 / m) 95 142 142
 
拉伸强度,纵向(平均)(MPa) 3,200 3,100 2,500
 
横向拉伸强度(平均)(MPa) 3,300 2,300 2,800
 
纵向拉伸强度(特性)(MPa) 2,300 2,200 2,200
 
横向拉伸强度(特性)(MPa) 2,000 2,200 2,200
 
纵向杨氏模量(MPa) 220,000 220,000 180,000
 
横向杨氏模量(MPa) 205,000 205,000 180,000
 
密度(实测)(kg / m 2) 0.48 0.67 0.67
 
取向 0°/ 90° 0°/ 90° 0°/ 90°
 
4.1.2纺织品增强材料的拉伸性能
 
用单轴拉伸试验研究了碳纤维增强的试样的拉伸承载性能。46测试样本为30毫米厚,120毫米宽和1100毫米长。液压夹紧端之间的自由长度约为550 mm。用三个线性可变差动变压器(LVDT)测量应变,这些线性可变差动变压器直接连接到混凝土上(两个在试样的正面,一个在试样的背面),并用测力传感器测量感应力。每个LVDT的测量长度为500毫米。测试了来自solidian GmbH的三种浸渍环氧树脂的碳纤维纺织品。将纺织品放置在标本的中间高度。网孔尺寸为25或38mm 2,而增强面积为95或142mm 2 / m。制造商提供的技术数据在表4中列出。47由制造商用于纺织品的拉伸性能的确定中使用的测试装置可以参见参考文献48,49。作者对碳纤维增强条进行的测试设置如所示,测试样品的如所示。表5给出了测试结果的摘要,给出了力-应变曲线。。首先,在试样出现裂纹之前,可以观察到线弹性拉力承载行为。此后,可以增加刚度,使载荷几乎增加线性弹性,直到发生拉伸破坏。所有样品均由于纺织品在自由长度上的拉伸破坏而失败。但是,在测试过程中发生了分层,在织物增强材料的断裂力分别为18%(类型2),42%(类型3)和49%(类型1)的载荷下,首先出现了分层裂纹。混凝土盖分开。根据制造商的说法,目前正在开发以改善分层性能。
 
 
拉伸测试的测试设置
 
拉伸试样的几何形状
 
表5. 碳纤维增强样品的初步测试结果
 
纺织品 类型1 2型 类型3
 
标本名称 P 1_1,P 1_2,P 1_3 P 2_1,P 2_2,P 2_3 P 3_1,P 3_2,P 3_3
 
具体 超级计算机 超级计算机 超级计算机
 
平均断裂应力,纵向(MPa) 2,824 2,799 2,620
 
(织物增强材料的)杨氏模量(MPa) 230,500 176,500 213,878
 
增强比 0.003 0.005 0.0045
 
断裂负荷(平均)(kN) 30.7 50.7 42.6
 
断裂应变(平均值)(mm / m) 12.25 15.86 12.43
 
断裂应力(平均)(MPa) 2,824 2,799 3,402
 
断裂平均裂缝宽度(毫米) 1.35 1.26 0.97
 
碳增强的试样的拉伸力-应变曲线
 
4.1.3碳棒的粘结行为
 
增强的基本要求是与混凝土基体的良好粘结。界面处的应力可以通过(a)粘合,(b)机械互锁和(c)摩擦来传递。对于典型的钢筋,机械联锁是界面处最重要的应力传递机制。由于拉挤成型工艺通常会使FRP杆的表面光滑,因此如果不采取特殊措施就无法实现机械互锁。可以通过在棒上进行砂涂或通过在生产过程中使表面变形或在生产后穿入棒来对它们进行仿形来改善粘结性能。不同(矩阵类型:4)。拉拔测试是按照RILEM建议进行的。50样品的粘结长度为5 d p,其中d p是棒的直径。表6列出了用于实验的的属性。测试是在31天的上进行的。说明了三种测试的碳棒。
 
钢筋的拉拔试验结果:普通(左);带凹槽(中心);砂涂层(右)
 
表6. 硬化混凝土的性能(由粘结试验确定)
 
平均气缸抗压强度f cm 平均轴向拉伸强度f ctm 平均杨氏模量E cm
 
‐31d(兆帕) 148.7 11.6 60,300
 
在拉拔测试中测试的棒的类型:普通(左);带凹槽(中心);砂涂层(右)
 
普通的杆(构造(a))由于杆-混凝土界面处的粘结破坏,在最大粘结应力为4.1 MPa时容易从混凝土中滑落。混凝土和杆均未损坏。如所示,构型(b)的条中的凹槽导致粘结行为的改善,平均最大粘结应力在1.00 mm的滑移下为15.1 MPa。(中央)。发生故障的原因是混凝土小肋逐渐被剪断。该测试系列的最高结合应力(在相对较低的0.05毫米滑移下平均为16.0 MPa)是在砂覆棒的拉拔测试中测得的(配置(c))。由于碳棒和砂膜之间的粘结失效而导致失效。应该注意的是,砂涂棒可达到的最大结合应力在很大程度上取决于涂层的制造质量。作为基质,在与棒的粘结性能方面表现出出色的性能。51 - 55主要原因是的细级梯度曲线和混合过程,使材料具有非常密实的结构,几乎没有毛细管。毛细管会削弱杆和混凝土之间的结合力。作者决定使用砂涂层的棒来生产第一批原型,因为它们易于生产。浸渍还提高了成型加筋件并将其放入模板而无需采取重大措施的可能性。砂层的涂覆是通过使棒表面粗糙化并用环氧树脂覆盖,然后撒上细的石英砂(粒度0.3–0.7毫米)来完成的。
 
4.2估算增强结构弯曲性能的计算基础
 
在本小节中,通过计算估算了由加固的制成的三个结构部件(一个平板构件和两个T形梁)的抗弯能力。首先,使用的抗压强度和碳纤维织物的抗拉强度的平均值进行计算,以预测破坏载荷,然后使用设计载荷以足够的安全等级评估结构性能,例如欧洲规范EN1992-1-1-1:2011提出的建议。计算中使用的材料属性基于对纺织品执行的拉伸测试和对进行的压缩测试。特征混凝土应力f c,k和f t,k在测试中确定的值降低了部分安全系数。作者使用的安全系数为混凝土,γ Ç = 1.5,在EN1992-1-1给出:2011,γ 吨为织物增强= 1.2用与参考建议37,和γ 吨 = 1.25为杆继参考55中的建议。在第4.3和4.4小节中,介绍了新设计的板坯和两种不同配置的T型梁的参数研究。他们的结果可以用来估计元件的弯曲载荷承载能力。裂纹截面的极限应变状态是通过迭代方法计算的。相关应变是从最大平均应力和特征应力得出的。除了横截面的计算之外,还提供了使用从实验中获得的材料特性进行非线性有限元计算的结果(如上所述)。它们用于评估在恒定服务载荷下平板单元的挠度以及承受点载荷的T型梁的承载特性。
 
4.2.1 纤维增强板构件的概念设计和截面抗弯承载力的估算
 
作者的目的是设计一种地板元件,该元件具有光滑的顶部和底部表面,并且仅用碳纤维加固。该元件应进一步尽可能轻巧,并因此具有非常小的壁厚。单元高度不应超过0.3 m,最大宽度不得超过2.4 m,因为在奥地利,正常运输的最大允许运输宽度为2.5 m(卡车外边缘之间的距离为2.55 m)。选择浇铸而不是层压作为浇筑方法,以节省大量零件生产中的时间和精力。混凝土覆盖层选择为10毫米。预制工厂的初步生产实验表明,可以实现较小的混凝土覆盖,但是,如果钢筋的安装或浇铸过程中不正确,可能会导致问题。因此,用两层纺织品加固的样品的最小厚度确定为30毫米。在设计过程中,作者试减少拉伸和压缩区域之间不需要弯曲载荷的区域中的材料量。在最终的设计中,材料集中在元件的顶部和底部,以吸收由自重和活荷载引起的弯矩所产生的压应力和拉应力。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。因此,用两层纺织品加固的样品的最小厚度确定为30毫米。在设计过程中,作者试减少拉伸和压缩区域之间不需要弯曲载荷的区域中的材料量。在最终的设计中,材料集中在元件的顶部和底部,以吸收由自重和活荷载引起的弯矩所产生的压应力和拉应力。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。因此,用两层纺织品加固的样品的最小厚度确定为30毫米。在设计过程中,作者试减少拉伸和压缩区域之间不需要弯曲载荷的区域中的材料量。在最终的设计中,材料集中在元件的顶部和底部,以吸收由自重和活荷载引起的弯矩所产生的压应力和拉应力。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。在设计过程中,作者试减少拉伸和压缩区域之间不需要弯曲载荷的区域中的材料量。在最终的设计中,材料集中在元件的顶部和底部,以吸收由自重和活荷载引起的弯矩所产生的压应力和拉应力。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。在设计过程中,作者试减少拉伸和压缩区域之间不需要弯曲载荷的区域中的材料量。在最终的设计中,材料集中在元件的顶部和底部,以吸收由自重和活荷载引起的弯矩所产生的压应力和拉应力。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。以下各段评估了单跨系统中这些建筑元素的潜力。平板元件的横截面如所示。6和简化的板元件(初始原型)的横截面在中示出7。
 
 
地板元件的横截面
 
简化地板单元的横截面(a);纺织补强(b);完成的原型(c)
 
在本段中,将评估简化板坯元素的承载性能。计算中使用的和的材料特性如表7和8所示。裂纹横截面的应变分布如8所示,四种不同构型的计算弯矩承载力如表9所示。将它们与长度为8 m的单跨板单元极限极限状态下出现的弯矩进行比较。作者假设这些元件并排安装而没有其他连接。特征作用载荷是自重(1.47 kN / m),地板结构的附加静载荷(2 kN / m 2),以及有效载荷(3 kN / m 2)。将得到的特性弯曲力矩被计算为中号EK = 46.75 KNM和设计弯矩被计算为中号编 = 59.08 KNM(使用部分安全系数γ 克 = 1.35为永久载荷和γ q为变量= 1.5负载,如EN1991-1-1:2011所规定)。参数研究的结果(表9)显示,在所有选定配置的假定边界条件下,所有配置均满足静态要求。
 
表7. 计算中使用的的材料属性(如表3中所述在压缩测试中评估)
 
平均抗压强度f c,平均值 特性抗压强度f c,k 部分安全系数γ Ç 设计抗压强度f c,d 平均杨氏模量E cm 平均破坏应变εc ,平均值 设计破坏应变εc ,d
 
超级计算机 170.6兆帕 155.0兆帕 1.5 103.3兆帕 53,483兆帕 2.5毫米/米 2毫米/米
 
表8. 计算中使用的纺织品增强材料的材料特性
 
平均抗拉强度f t,平均值(MPa) 特性抗拉强度f t,k(MPa) 部分安全系数γt 设计抗拉强度f t,d(MPa) 平均杨氏模量(表5)E 纺织品(MPa) 平均破坏应变(表5)εt ,平均值(mm / m) 设计破坏应变εt ,d(mm / m)
 
纺织类型1 2,824 2,300 1.2 1,917 230,500 12.3 8.3
 
纺织品类型2 2,799 2,200 1.2 1,833 176,500 15.9 10.4
 
纺织品类型3 2,620 2,200 1.2 1,833 213,878 12.4 8.6
 
单轴弯曲(正弯矩)下地板元件中的应变分布
 
表9. 各种地板单元配置的横截面的估计弯曲载荷承载力的参数研究结果
 
U型纺织品 扁平纺织品 平均极限弯矩M r,平均值(kNm) 设计极限弯矩M r,d(kNm)
 
配置1 类型1 类型1 120.9 81.8
 
配置2 类型1 2型 105.6 71.5
 
配置3 类型1 类型3 114.9 77.3
 
配置4 类型1 2×类型3 165.6 112.0
 
4.2.2基于弯曲实验和非线性有限元分析的板坯承载力评估
 
使用ČervenkaConsulting(捷克共和国)的分析软件Atena,使用几何非线性计算方法进行了有限元分析,并使用了混凝土的非线性材料模型。目的是估计地板构件的四种配置的变形。材料参数是根据第4.1节所述的初步实验确定的,其结果示于表7和表10,以及根据原型的三个三点弯曲试验确定的(7)。)执行以校准计算模型。测试梁长5 m,支撑之间的跨度为4.5 m。负载是在中跨引入的。0显示了这三个测试和校准计算的载荷-挠度曲线。线性弹性材料模型用于模拟加固直至破坏的行为。在极限应力水平下,假定发生脆性破坏。上翼缘和腹板中的织物增强物(纵向和垂直增强物)均建模为涂抹增强物。对于底部法兰中的纵向织物增强,对离散的粗纱进行建模,并使用附加的拟合粘结模型来复制由于混凝土分离造成的粘结损失。自重,叠加的恒载(q= 1.50 kN / m),并考虑了活载(p = 2.25 kN / m)。特征动作模式使用了1.0的部分安全系数。为了进行分析,假设跨度为8 m,并且选择了单跨度系统作为静态系统,如9所示。所得的载荷-挠度曲线如0所示。。在实验中,由于试样的薄壁特性,出现了新的和异常的(至少在常规混凝土构件中)破坏机理。断裂之前的刚度损失可归因于下部法兰的分层,而失效是由于与底部法兰相交处的腹板损坏,也由于分层而引起的。有关分层的综合主题将在单独的出版物中讨论,该出版物将在不久的将来出版。
 
 
 
表10. 计算中使用的碳棒的材料特性
 
平均抗拉强度f t,平均值(MPa) 特性抗拉强度f t,k(MPa) 部分安全系数γt 设计抗拉强度f t,d(MPa) 平均杨氏模量E 杆(MPa) 平均破坏应变εr,平均值(mm / m) 设计破坏应变εr,d(mm / m)
 
碳棒
 
Ø8毫米
 
2,048 1,680 1.25 1,400 161,000 12.72 8.7
 
碳棒
 
 
 
Ø10毫米
 
 
 
2,048 1,680 1.25 1,400 161,000 12.72 8.7
 
 
可视化跨度为8 m的建筑地板
 
三点弯曲试验和校准计算的载荷-挠度曲线(a);计算跨度为8 m的平板单元在均匀分布载荷下的荷载-挠度曲线(b)
 
4.2.3两个加固T型梁的概念设计
 
两条T形梁的设计灵感来自优化的钢梁设计,并追求尽可能实现最轻质的混凝土梁。作者打算将开发的梁用作旧建筑物翻新中的支撑梁,并作为钢梁的更耐用替代品。将最大高度260mm和宽度300mm设置为边界条件。构造1的腹板厚度,较小的梁,被设置为30mm(如上所述,由于生产限制,最小允许厚度,如上所述),构造2的腹板厚度,较大的梁,被设置为40mm。因为梁是为正弯矩而设计的,集中在碳棒周围的压缩区和拉伸区,以避免由于发生的结合力而裂开。碳棒周围的小型织物加固笼用作附加的劈裂拉伸加固。混凝土覆盖率与碳棒直径之比两种配置的c / d p选择为2.5。两个横截面的尺寸如1所示,钢筋笼的原型以及两个梁的尺寸如2所示。单轴弯曲下开裂的T型梁的应变分布如3所示,矩量的计算结果(包括平均值和设计值)示于表11中。为了计算弯曲载荷,已考虑了拉伸区内的所有棒和粗纱。
 
1T型梁的横截面:配置1(左);配置2(右)
 
2T型梁加固笼的原型(a);配置2和1(b)
 
3单轴弯曲(正弯矩)下T型梁(配置1)中的应变分布
 
表11. 两种不同的T形梁配置的估计力矩容量
 
纺织品类 碳棒(mm) 平均极限弯矩M r,平均值(kNm) 设计极限弯矩M r,d(kNm)
 
配置1 类型1 Ø8 77.39 52.28
 
配置2 类型1 Ø10 102.64 69.25
 
4.2.4用非线性有限元分析评估T型梁的变形行为
 
通过有限元分析研究了两种T型梁在集中载荷下模拟支撑梁载荷的性能。就像在板坯的仿真中一样,使用了几何非线性计算方法和非线性材料模型。线性弹性材料模型用于模拟杆和钢筋直至其破坏应力。假定在两种类型的钢筋中都发生了脆性破坏。纺织品增强物被建模为两个方向上的涂抹增强物,而增强棒则被建模为离散的增强元件。4显示所选的静态系统。和增强材料的性能再次由初步实验确定,如第4.1.1和4.1.2节所述。在参数研究中,研究了碳棒材料特性(刚度和拉伸强度)对梁的破坏载荷和梁中梁挠度的影响。表12给出了研究结果,计算出的力-挠度曲线如5所示。通过使用附加的织物增强材料,可以显着提高刚度。然而,在实际应用中预期发生的挠曲很大。遵循参考文献8中的建议,还分析了包含预应力碳棒的其他梁配置(配置1_9和2_9)。所选的预应力水平为杆的抗拉强度的55%。这些构型的计算挠度明显小于未张紧构型的挠度。参见5。
 
4静态系统,用于T型梁的承载特性数值模拟
 
表12. 用于研究碳棒特性对T形梁的破坏载荷和中跨挠度影响的参数研究
 
组态 纺织品类 碳棒直径(mm) 杆的预紧力(kN) 碳棒的平均抗拉强度f t,平均值(MPa) 碳棒的平均杨氏模量E(MPa) 极限载荷F fr(kN) 极限载荷下的挠度w fr(mm) 极限摩擦力矩M fr(kNm)
 
1_0 Ø8 2,048 161,000 32.0 159 42.6
 
1_1 类型1 Ø8 2,048 161,000 53.2 156 70.9
 
1_2 类型1 Ø8 2,500 161,000 57.0 174 76.0
 
1_3 类型1 Ø8 3,000 161,000 57.0 174 76.0
 
1_4 类型1 Ø8 3,500 161,000 58.1 190 77.5
 
1_5 类型1 Ø8 2,500 140,000 52.9 174 70.5
 
1_6 类型1 Ø8 2,500 180,000 60.9 174 81.2
 
1_7 类型1 Ø8 2,500 200,000 58.7 155 78.3
 
1_8 类型1 Ø8 2,500 220,000 61.6 155 82.1
 
1_9 类型1 Ø8 110 2,048 161,000 45.6 63 60.9
 
2_0 Ø10 2,048 161,000 47.1 180 62.8
 
2_1 类型1 Ø10 2,048 161,000 70.7 175 94.2
 
2_2 类型1 Ø10 2,500 161,000 70.8 175 94.5
 
2_3 类型1 Ø10 3,000 161,000 68.2 210 104.3
 
2_4 类型1 Ø10 3,500 161,000 82.8 269 110.5
 
2_5 类型1 Ø10 2,500 140,000 60.2 192 90.9
 
2_6 类型1 Ø10 2,500 180,000 77.5 180 103.4
 
2_7 类型1 Ø10 2,500 200,000 80.9 175 107.8
 
2_8 类型1 Ø10 2,048 220,000 77.8 156 103.7
 
2_9 类型1 Ø10 177 2,048 161,000 61.7 62 82.3
 
 
 
5从配置族1(a)和配置族2(b)的非线性有限元分析获得的力-挠度
 
5讨论与结果
 
增强材料具有出色的结构性能,例如低密度,非常好的耐久性和高拉伸强度。但是,适用于加固目的的市售杆的刚度比传统的钢增强杆低,并且增强杆的极限拉伸应力更高,而的极限压应力更高,因此可以实现截面更细,增强面积较小,这意味着元件在使用载荷下表现出更大的挠度。在上进行的压缩测试表明,与传统的C30 / 37混凝土(E相比,这种材料具有更高的刚度(对于已开发的混合物,E = 53,483 MPa)≈33,000 MPa)。被测纺织品的杨氏模量为176,500至213,878 MPa,平均破坏应力在2,620至2,824 MPa之间变化。参数研究表明,纺织品增强对结构部件的刚度有积极影响。这些结果表明,即使没有对钢筋施加预应力,也可能将两种复合材料(纤维-聚合物和-混凝土)用于选定的组件。与所研究的T形梁相比,所研究的平板单元具有更好的特性,并且由于其较高的织物增强比而具有较小的挠度。所检查的T形梁比没有加固织物的T形梁更硬,但挠度相对较大。作者建议对筋进行预应力,以在需要时增加刚度。但是,在纤维增强的条的拉伸试验和平板构件的弯曲试验中,断裂时会发生分层,从而导致混凝土表层剥落。与横截面分析相比,这导致了样品的早期失效。一般来说,加固的结构的结构性能表现出很大的分散性。这些特性可能会受到元素的特性(粗纱的横截面几何形状,网眼尺寸,纤维类型,编织工艺,浸渍类型),的机械性能,尤其是组合的影响加固元件和。因此,为了获得经济的最终产品,
 
6 加固的结构的耐火性和回收利用
 
6.1 增强建筑构件的耐火性
 
6.1.1碳纤维增强聚合物
 
迄今为止尚未找到令人满意的解决方案的一个重要问题是增强混凝土结构的耐火性。大多数通常由树脂组成的基质类型的玻璃化转变温度在100到250°C之间。相反,暴露于400-700°C的温度范围后,碳纤维的拉伸强度降低了近50%。56不幸的是,基体的破坏导致纤维从聚合物基体剥离,随后从混凝土基体剥离。结果是钢筋失效,建筑构件随后失效。可能的解决方案包括使用昂贵的耐高温树脂或矿物浸渍剂,或采取结构性措施以避免增强材料暴露于基质玻璃化转变温度以上的温度。还可以增加混凝土覆盖层,但这与作者创建轻质结构的主要目的相抵触。
 
6.1.2超高性能混凝土
 
具有致密的结构和高的抗压强度,不可渗透,并且表现出脆性破坏。这些性质使其在高温下容易破裂。通过引入会导致抗压强度降低的孔或通过添加聚丙烯纤维,可以改善混合物的热性能。
 
难以将聚丙烯纤维与混凝土基质分离以便回收。因此,作者建议采用与钢结构相同的措施,例如涂绝缘漆或添加耐火结构层(例如吊顶),以满足耐火要求。然而,与钢结构相比,加固的结构具有对环境影响较小和单位体积重量较低的优点。
 
6.2关于FRP增强混凝土元素的废物管理
 
玻璃钢在汽车(31%),船舶(12%),电子产品(10%),家用电器(8%),消费品(8%),航空航天(1%)和建筑业等领域越来越多地使用(26%)。57其结果之一是玻璃钢浪费增加。这就要求在使用寿命结束时需要可持续的解决方案来管理FRP建筑组件。以下选项可用于处理FRP废物:(1)减少废物,(2)再利用,(3)回收,(4)进行能源回收的焚化和(5)垃圾填埋。58不幸的是,目前大多数FRP废物都存储在垃圾填埋场中。在混凝土工程中,两种主要的回收策略是:(1)压碎FRP增强的混凝土并将其用作混凝土混合物中的骨料59(2)通过机械分离工艺(根据既定的钢筋混凝土循环利用工艺)将钢筋与混凝土基质分离。如果组件可以成功分离,则将其用于其他目的和回收FRP是理想的选择。回收方法可分为机械方法和热方法。在任何情况下,事实都是FRP只能向下循环使用,而不能真正地循环使用,因为所有已知的重复使用选项都涉及到压碎纤维(在机械方法中)或降低其材料性能(在热循环过程中)。作者认为,现有的回收解决方案并不完美,需要进行更多的研究才能找到合适的解决方案来处理FRP废物。
 
7结论
 
迄今为止,混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,而能源密集型水泥的生产占了CO 2的很大比例。全球产生的排放。为了应对这种发展,需要找到减少混凝土结构原材料需求的新方法。作者目前正在评估使用加固的单元建造轻巧耐用的混凝土结构的潜力。主要目的是尽可能减少建筑构件的自重,以节省建筑材料。在介绍的研究中,开发了一种合适的混合物,并研究了各种市售纺织品。提出了一个地板单元和两个T形梁的概念设计,随后通过制作原型并借助非线性有限元分析进行参数研究来进行评估。织物增强的元件在极限和服务载荷下具有很大的承载能力。在测试中,在达到破坏载荷之前,在建筑物组件中发生了清晰可见的变形,这意味着此类元件中即将出现破坏的迹象。但是,在和的材料测试中,仅观察到脆性破坏。材料测试,三个原型的生产以及进行的非线性有限元分析证明,所选择的方法具有潜力。然而,需要更多的研究来更详细地研究失效行为以及整个结构部件的失效模式。这意味着在这些元素中可见即将发生故障的迹象。但是,在和的材料测试中,仅观察到脆性破坏。材料测试,三个原型的生产以及进行的非线性有限元分析证明,所选择的方法具有潜力。然而,需要更多的研究来更详细地研究失效行为以及整个结构部件的失效模式。这意味着在这些元素中可见即将发生故障的迹象。但是,在和的材料测试中,仅观察到脆性破坏。材料测试,三个原型的生产以及进行的非线性有限元分析证明,所选择的方法具有潜力。然而,需要更多的研究来更详细地研究失效行为以及整个结构部件的失效模式。

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