论文部分内容阅读
摘要：传统的碳纤维技术在加固钢结构的工程中的应用效果不明显，因此预应力碳纤维技术被应用到钢结构的加固工程之中，大大提高了钢结构的承载力。本文先是对预应力碳纤维加固技术进行了概述，又详细分析介绍了碳纤维布加固钢结构的极限承载力的计算。
关键词：探究；预应力碳纤维技术；钢结构承载力；分析
Abstract: the traditional carbon fiber technology in the reinforcement of steel structure engineering, the application of the effect is not obvious, so reinforcement of prestressed carbon fiber technology is applied to the steel structure engineering, greatly improving the bearing capacity of steel structure. This article first to the prestressed carbon fiber reinforcement technology are reviewed, and a detailed analysis of the ultimate bearing capacity of the carbon fiber cloth reinforcing steel structure are introduced in the calculation.
Key words: explore; The prestressed carbon fiber technology; The steel structure bearing capacity; Analysis of the
中圖分类号：TU5文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
碳纤维布在建筑结构加固工程中的应用较为广泛，且效果良好，通过性能良好的粘结剂将碳纤维布粘接在建筑结构的表面，从而来增加建筑结构的承载力和刚度。经过多年的实践研究，碳纤维布只是能够在一定程度上提高钢结构的承载力，效果没有预计中的那么明显。由于钢结构具有很高的强度和刚度，而在弹性模量上，碳纤维布和钢结构又很接近，粘结在钢结构表面的碳纤维布的截面面积又很小，因此在提高钢结构的弹性模量的作用上，效果很微小，但是如果钢结构进入到塑性阶段的话，会增加碳纤维布的应变力和应力，在一定程度上约束了钢结构的变形，虽然也提高了钢结构的承载力，但是效果也不太明显。因此将预应力碳纤维技术应用到钢结构之中，以进一步提高钢结构的承载力。
一、预应力碳纤维加固技术
在使用预应力碳纤维技术来提高钢结构的承载力时，要先将碳纤维处理成拉伸的状态，并把钢结构与处在拉伸状态的碳纤维布粘接在一起，等到钢架构与碳纤维完全粘接后，就可以撤走预应力施加所用的机械设备了。预应力碳纤维技术的施工流程如图一所示：
施加预应力
（b）碳纤维与钢结构的粘接
（c）将施加预应力的机械设备撤走
图一 预应力碳纤维技术的施工流程图
从图一中我们可以看出，把预应力碳纤维技术应用到提高钢结构承载力的工程之中，需要用机械设备来施加预应力，等到钢结构与碳纤维布之间粘接好后，撤掉施加预应力的机械设备，碳纤维布就会恢复到原来的状态，致使钢结构也会发生一定程度上的反向变形，碳纤维布一直都是处在施加预应力的状态里。在使用预应力碳纤维技术的同时，钢结构不会出现塑性变形。但是由于杆结构发生了一定程度的反向变形，因此，钢结构要想恢复到它原来的状态，就需要对其施加一定的荷载力，等到钢架构恢复到原来的状态时，碳纤维布发生的应变力也比普通的碳纤维布的加固方法中的大，从而使用预应力碳纤维技术对钢结构进行加固时，能够最大限度的促进碳纤维布作用的发挥，也就最大程度的提高了钢结构的承载力。
碳纤维布加固钢结构的极限承载力的计算
使用碳纤维布来对钢结构进行加固时，加固部分的梁的界面所承受的弯力可以通过以下几个方面进行假定：
钢结构与碳纤维布两者都符合平截面假设的要求。
钢结构和碳纤维布之间具有良好的粘接度。
钢结构中的梁构件的拉应变被忽略。
碳纤维布和钢结构之间存在的剪应变也忽略。
碳纤维布具有一定的厚度，但是在计算的过程中，碳纤维布的厚度也忽略不计，就单纯性的认为，碳纤维布的应变与受拉翼缘的应变处在一种平衡的状态。
钢结构中所存在的弹性模量与塑性模量都是最理想的状态，换句话说也就是如果已经达到钢结构的屈服点，那么就会增加钢结构的应变能力，应力却保持在稳定状态；如果碳纤维布是通过脆弹性的结构关系，就说明钢结构之前都维持着良好的线弹性关系。
1、撤收预应力施加设备阶段
如果将对碳纤维布施加的预应力的初始应变用表示，、在将用于施加预应力的机械设备撤走之后，碳纤维布由于收缩的作用将会导致钢结构的上边缘发生应变，用表示，钢结构下边缘发生的应变用表示，施加预应力的机械设备撤走之后，碳纤维布由于收缩作用所发生的应变用表示。钢结构的梁的截面面积可以使用矩形截面的公式进行计算，梁高用h表示，宽度用b表示，根据钢结构变形的协调原理，钢结构和碳纤维布粘接好之后减少的应变值与钢结构下边缘增加的应变值之间存在着一种平衡的状态，因此就可以得出下列的等式：
（1）
根据在平面上的假设，可以得出：
（2）
在公式（2）中，—钢结构截面中，中性轴与钢结构下边缘的距离；
h—钢结构中梁的高度。等到施加预应力的机械设备被撤走之后，钢结构中的梁就不会在受到外力的作用和影响，因此钢结构截面上所承受的力与力矩之间保持着平衡的状态，也就是钢结构梁所承受的受拉应力之和再加上碳纤维布所承受的应力之和与钢结构梁所承受的应力之和相等；钢结构梁的受拉应力合力和受压区域中所产生的弯矩和碳纤维布的应力所产生的弯矩之间保持着一种平衡的状态，转化成公式，可以表示为：
（3）
（4）
在公式（3）和公式（4）中，—钢结构所具备的弹性模量；
—碳纤维布所具备的弹性模量；
—碳纤维布的厚度。
将公式（1）——公式（4）进行有机的结合，得出：
，
，
，
。
2、承载阶段
在对加固后的钢结构所承受的极限承载力进行计算时，钢结构中的塑形区域可以用钢结构中梁的高度来进行表示，可以表示为（1-a）h，钢结构中的弹性区域的高度系数可以用a表示，通常情况下，a的取值在这个范围内。
图二 预应力碳纤维技术在对钢结构进行加固时的极限状态
当实际应用中的钢结构达到图二中的极限状态时，钢结构下边缘所承受的应变用表示，上边缘的应变用表示，碳纤维布的应变用表示，通过平衡条件，对计算公式进行简化后表示为：
（5）
在公式（5）中，x——钢结构中的梁在极限状态下的受拉塑形区域的高度；
——钢结构中钢所具备的屈服应力。
通过机械设备对碳纤维布施加预应力，钢结构要承受住施加预应力时所导致的反向变形，因此，运用变形协调原理进行分析，得知碳纤维布由于应变所增加的数值与钢结构下边缘由于应变所增加的数值相等，用公式表示为：
（6）
通过平面假设得知：
（7）
在公式（6）和公式（7）中，——代数值；
——代数值；
——代数值。从公式（5）—公式（7）中，可以有效的求解出受拉塑形区域的高度，在对中性轴进行距离的求解过程中，就能够求出预应力碳纤维布对钢结构中的梁进行加固时所产生的极限弯矩：
（8）
结语：
综上所述，传统的碳纤维技术对于提高钢结构承载力的效果不明显，因此，为了进一步提高碳纤维布在加固钢结构中的应用，预应力碳纤维技术被应用到提高钢结构承载力的工程施工中，且效果良好，已被广泛的应用到我国的钢结构加固工程之中，大大提高了我国钢结构的强度和刚度。
参考文献：
[1]高仲学，王文炜，黄辉.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算[J].东南大学学报，2013(01)
[2]徐亮，吴亚平.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土箱形简支梁的试验研究[J].公路交通科技，2012(12)
[3]肖红菊，孙玉永.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁非线性有限元分析[J].四川建筑科学研究，2012(04)
[4]周长东，田腾，吕西林，白晓彬，李慧.预应力碳纤维条带加固混凝土圆形墩柱恢复力模型试验研究[J].工程力学，2013(02)
[5]周长东，田腾，吕西林，白晓彬，李慧.预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012(11)
关键词：探究；预应力碳纤维技术；钢结构承载力；分析
Abstract: the traditional carbon fiber technology in the reinforcement of steel structure engineering, the application of the effect is not obvious, so reinforcement of prestressed carbon fiber technology is applied to the steel structure engineering, greatly improving the bearing capacity of steel structure. This article first to the prestressed carbon fiber reinforcement technology are reviewed, and a detailed analysis of the ultimate bearing capacity of the carbon fiber cloth reinforcing steel structure are introduced in the calculation.
Key words: explore; The prestressed carbon fiber technology; The steel structure bearing capacity; Analysis of the
中圖分类号：TU5文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
碳纤维布在建筑结构加固工程中的应用较为广泛，且效果良好，通过性能良好的粘结剂将碳纤维布粘接在建筑结构的表面，从而来增加建筑结构的承载力和刚度。经过多年的实践研究，碳纤维布只是能够在一定程度上提高钢结构的承载力，效果没有预计中的那么明显。由于钢结构具有很高的强度和刚度，而在弹性模量上，碳纤维布和钢结构又很接近，粘结在钢结构表面的碳纤维布的截面面积又很小，因此在提高钢结构的弹性模量的作用上，效果很微小，但是如果钢结构进入到塑性阶段的话，会增加碳纤维布的应变力和应力，在一定程度上约束了钢结构的变形，虽然也提高了钢结构的承载力，但是效果也不太明显。因此将预应力碳纤维技术应用到钢结构之中，以进一步提高钢结构的承载力。
一、预应力碳纤维加固技术
在使用预应力碳纤维技术来提高钢结构的承载力时，要先将碳纤维处理成拉伸的状态，并把钢结构与处在拉伸状态的碳纤维布粘接在一起，等到钢架构与碳纤维完全粘接后，就可以撤走预应力施加所用的机械设备了。预应力碳纤维技术的施工流程如图一所示：
施加预应力
（b）碳纤维与钢结构的粘接
（c）将施加预应力的机械设备撤走
图一 预应力碳纤维技术的施工流程图
从图一中我们可以看出，把预应力碳纤维技术应用到提高钢结构承载力的工程之中，需要用机械设备来施加预应力，等到钢结构与碳纤维布之间粘接好后，撤掉施加预应力的机械设备，碳纤维布就会恢复到原来的状态，致使钢结构也会发生一定程度上的反向变形，碳纤维布一直都是处在施加预应力的状态里。在使用预应力碳纤维技术的同时，钢结构不会出现塑性变形。但是由于杆结构发生了一定程度的反向变形，因此，钢结构要想恢复到它原来的状态，就需要对其施加一定的荷载力，等到钢架构恢复到原来的状态时，碳纤维布发生的应变力也比普通的碳纤维布的加固方法中的大，从而使用预应力碳纤维技术对钢结构进行加固时，能够最大限度的促进碳纤维布作用的发挥，也就最大程度的提高了钢结构的承载力。
碳纤维布加固钢结构的极限承载力的计算
使用碳纤维布来对钢结构进行加固时，加固部分的梁的界面所承受的弯力可以通过以下几个方面进行假定：
钢结构与碳纤维布两者都符合平截面假设的要求。
钢结构和碳纤维布之间具有良好的粘接度。
钢结构中的梁构件的拉应变被忽略。
碳纤维布和钢结构之间存在的剪应变也忽略。
碳纤维布具有一定的厚度，但是在计算的过程中，碳纤维布的厚度也忽略不计，就单纯性的认为，碳纤维布的应变与受拉翼缘的应变处在一种平衡的状态。
钢结构中所存在的弹性模量与塑性模量都是最理想的状态，换句话说也就是如果已经达到钢结构的屈服点，那么就会增加钢结构的应变能力，应力却保持在稳定状态；如果碳纤维布是通过脆弹性的结构关系，就说明钢结构之前都维持着良好的线弹性关系。
1、撤收预应力施加设备阶段
如果将对碳纤维布施加的预应力的初始应变用表示，、在将用于施加预应力的机械设备撤走之后，碳纤维布由于收缩的作用将会导致钢结构的上边缘发生应变，用表示，钢结构下边缘发生的应变用表示，施加预应力的机械设备撤走之后，碳纤维布由于收缩作用所发生的应变用表示。钢结构的梁的截面面积可以使用矩形截面的公式进行计算，梁高用h表示，宽度用b表示，根据钢结构变形的协调原理，钢结构和碳纤维布粘接好之后减少的应变值与钢结构下边缘增加的应变值之间存在着一种平衡的状态，因此就可以得出下列的等式：
（1）
根据在平面上的假设，可以得出：
（2）
在公式（2）中，—钢结构截面中，中性轴与钢结构下边缘的距离；
h—钢结构中梁的高度。等到施加预应力的机械设备被撤走之后，钢结构中的梁就不会在受到外力的作用和影响，因此钢结构截面上所承受的力与力矩之间保持着平衡的状态，也就是钢结构梁所承受的受拉应力之和再加上碳纤维布所承受的应力之和与钢结构梁所承受的应力之和相等；钢结构梁的受拉应力合力和受压区域中所产生的弯矩和碳纤维布的应力所产生的弯矩之间保持着一种平衡的状态，转化成公式，可以表示为：
（3）
（4）
在公式（3）和公式（4）中，—钢结构所具备的弹性模量；
—碳纤维布所具备的弹性模量；
—碳纤维布的厚度。
将公式（1）——公式（4）进行有机的结合，得出：
，
，
，
。
2、承载阶段
在对加固后的钢结构所承受的极限承载力进行计算时，钢结构中的塑形区域可以用钢结构中梁的高度来进行表示，可以表示为（1-a）h，钢结构中的弹性区域的高度系数可以用a表示，通常情况下，a的取值在这个范围内。
图二 预应力碳纤维技术在对钢结构进行加固时的极限状态
当实际应用中的钢结构达到图二中的极限状态时，钢结构下边缘所承受的应变用表示，上边缘的应变用表示，碳纤维布的应变用表示，通过平衡条件，对计算公式进行简化后表示为：
（5）
在公式（5）中，x——钢结构中的梁在极限状态下的受拉塑形区域的高度；
——钢结构中钢所具备的屈服应力。
通过机械设备对碳纤维布施加预应力，钢结构要承受住施加预应力时所导致的反向变形，因此，运用变形协调原理进行分析，得知碳纤维布由于应变所增加的数值与钢结构下边缘由于应变所增加的数值相等，用公式表示为：
（6）
通过平面假设得知：
（7）
在公式（6）和公式（7）中，——代数值；
——代数值；
——代数值。从公式（5）—公式（7）中，可以有效的求解出受拉塑形区域的高度，在对中性轴进行距离的求解过程中，就能够求出预应力碳纤维布对钢结构中的梁进行加固时所产生的极限弯矩：
（8）
结语：
综上所述，传统的碳纤维技术对于提高钢结构承载力的效果不明显，因此，为了进一步提高碳纤维布在加固钢结构中的应用，预应力碳纤维技术被应用到提高钢结构承载力的工程施工中，且效果良好，已被广泛的应用到我国的钢结构加固工程之中，大大提高了我国钢结构的强度和刚度。
参考文献：
[1]高仲学，王文炜，黄辉.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算[J].东南大学学报，2013(01)
[2]徐亮，吴亚平.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土箱形简支梁的试验研究[J].公路交通科技，2012(12)
[3]肖红菊，孙玉永.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁非线性有限元分析[J].四川建筑科学研究，2012(04)
[4]周长东，田腾，吕西林，白晓彬，李慧.预应力碳纤维条带加固混凝土圆形墩柱恢复力模型试验研究[J].工程力学，2013(02)
[5]周长东，田腾，吕西林，白晓彬，李慧.预应力碳纤维条带加固高轴压比混凝土圆柱抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2012(11)