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复合材料最有利于提高构件的结构效率。但是,复合材料的压缩性能与拉伸性能不一致,因此,复合材料构件的刚度限定于材料的弯曲模量;在设计低应变构件时,弯曲模量取值和拉伸模量近似相同,在设计高应变构件时,则应采用相应的模量,如拉伸、压缩和剪切模量,对材料结构效率的评估也应取相应的模量计算。 以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅析复合材料构件的结构设计相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,具有重量轻、强度高、加工成型方便等优点,在航空航天、汽车等对重量敏感的行业具有广阔的发展前景。但复合材料的材料性能对加工工艺很敏感,并受加强纤维方向影响形成各向异性的材料性能特性。这就给复合材料构件的设计带来了挑战,不能照搬传统金属材料的设计方法和理念。下面就复合材料构件的结构设计,按照设计流程,从结构方案设计,结构强度设计,材料成型工艺和试验验证等方面进行分析。
复合材料构件的结构方案设计与金属材料有较大不同,复合材料构件的结构应尽量圆滑过渡,避免翻边等型面曲率剧烈变化的结构。由于复合材料的连接主要采用胶结的方式,因此在零组件设计方面,应尽量减少零件数,推荐采用一次成型的加工方案。在关重部位的连接方式上尽量采用预埋金属连接件的方案。
随着有限元设计等先进结构强度设计方式的发展,现代构件的设计从验证设计开始向预测设计转变,传统金属材料的结构强度设计已经趋于成熟,从材料性能、计算流程、校核标准等方面均有章可循,但复合材料构件的结构强度设计目前仍存在一些问题。现阶段可以说基本解决了计算流程的问题,材料性能方面也随着性能实验和计算软件平台的开发逐渐解决,但在校核标准方面尚未形成统一的国家或行业标准和共识。因此在强度设计时需从结构静强度、刚度、动态特性和结构稳定性方面全方位考虑,并选取较大的安全系数来提高结构可靠性。
由于复合材料成型过程既是结构形成阶段,又是材料性能形成的阶段,因此复合材料构件对材料成型工艺提出了较高的要求,既要满足结构方案中复杂结构一次成型的需求,又要满足强度设计对材料性能指标的规定,同时对材料成型工艺的稳定性要求也比较苛刻。在此阶段,如材料成型工艺攻关不成功,则需降低要求重新进行构件的结构方案和强度设计工作。为减少设计风险,可在初始设计阶段参考成熟成型工艺进行设计,当然带来的损失就是构件重量的增加和构件指标的降低,因此应综合考虑各方面因素,确定最优化的可行性方案。
鉴于复合材料组织均匀性差以及分层铺敷的结构特点,对复合材料构件进行试验验证时应重点关注疲劳性能、破损容限等特性,并对材料耐高温、腐蚀性能进行充分验证。
通过上述分析,可以看出复合材料构件的设计相对难度较大,但由于复合材料自身的优越性及行业设计能力的提升,必将得到更广泛的应用。
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2.1粘贴纤维增强塑料加固法。外贴纤维加固是用树脂类胶结材料将纤维增强复合材料贴于被加固构件的受拉区域,使它与被加固截面共同工作,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。它是一种非常简单且优良的加固补强方法,但要求被加固混凝土强度等级不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘结强度不得低于1.5 MPa,除了具有粘贴钢板相似的优点外,还具有耐腐蚀、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点,但需要专门的防火处理,适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。
2.2粘贴钢板加固法。钢筋混凝土受弯构件外部粘钢加固是在构件承载力不足区段(正截面受拉区、正截面受压区或斜截面)表面粘贴强度高的钢板,使原有混凝土和钢板作为一个新的整体共同受力,约束混凝上变形,提高了加固构件的刚度和抗裂度,有效发挥了粘贴钢板的抗弯、抗剪、抗压性能,且不会在混凝土中产生应力集中采用该方法加固时,要求被加固的混凝土结构构件,其现场实测混凝土强度等级不得低于C15,且混凝土表面的正拉粘结强度不得低于1.5 MPa,并且应将钢板设计成仅承受轴向应力作用,钢板表面应进行防锈蚀处理,表面防锈蚀材料对钢板及胶粘剂无害。它的特点是施工简单、速度快、上期短;现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业,对生产和生活影响小;传力直接,加固效果好,耐久性好;且加固后对原结构外观和原有净空无显着影响,但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平;适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。
2.3加大截面加固法。在钢筋混凝土受弯构件受压区加混凝土现浇层,增加截面有效高度,扩大截面面积,从而提高构件正截面抗弯,斜截面抗剪能力和截面刚度,起到加固补强的作用。加大截面加固法在设计构造方而必须解决好新加部分与原有部分的整体工作共同受力问题。试验研究表明,加固结构在受力过程中结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂应力,其中关键是剪应力和拉应力。在弹性阶段,结合面的剪应力和法向拉应力主要是靠结合面两边新旧混凝土的粘结强度承担;开裂后及极限状态下,则主要是通过贯穿结合面的锚固钢筋或锚固螺栓所产生的被动剪切摩擦力传递。
2.4增加支承加固法。增设支点加固法是通过增设支承点,减少受弯构件的计算跨度,达到减少作用在被加固构件上的荷载效应,提高结构承载水平的目的。根据支承结构受力性能的不同分为刚性支点和弹性支点两种加固方法。该法简单可靠,但易损害建筑物的原貌和使用功能,并可能减小使用空间;适用于梁、板、析架、网架等结构的加固。
2.5有粘结外包型钢加固法。外包钢加固是把型钢(一般为角钢或槽钢)或钢板包于构件的四角或两角的加固方法,外包钢加固钢筋混凝土梁也称湿式外包钢加固法,采用该方法加固混凝土结构构件时,应采用环氧树脂胶粘剂进行灌注,把型钢与被加固构件粘结成一整体,以保证型钢架和原构件形成一个整体共同受力。其特点是受力可靠、施工简便、现场工作量较小,但用钢量较大,且不宜在无防护的情况下用于60度以上高温场所;适用于使用上不允许显着增大原构件截面尺寸,但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。
2.6预应力加固法。预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构或整体进行加固的方法,通过预应力的施加改变了原结构内力分布和应力水平,致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除,因此后加部分和原结构能共同工作,结构的承载能力可显着提高,并可减少结构的变形、裂缝宽度。预应力水平拉杆加固的混凝土受弯构件,由于预应力和新增外部荷载的共同作用,拉杆内产生轴向拉力,该力通过杆端锚固偏心地传递到构件上,在构件中产生偏心受压作用,该作用克服了部分外荷载产生的弯矩,减少了外荷载效应,从而提高了构件的抗弯能力。同时,由于拉杆传给构件的压力作用,构件裂缝发展得以缓解、控制,斜截面抗剪承载力也随之提高。由于水平提杆的作用,原构件的截面应力特征由受弯变成了偏心受压,因此,加固后构件的承载力主要取决于压弯状态下原构件的承载力。
2. 7置换混凝土加固法。置换混凝土加固法是指对原有结构强度低,韧性差的构件材料用强度高,韧性好的混凝土材料置换的方法。该方法适用于承重构件受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的局部加固。施工工艺简单方便,上期短,占用空间小,不影响使用功能,而且造价比较低,经济合理。采用本方法加固混凝土结构构件时,其非置换部分的原构件混凝土强度等级,按现场检测结果不应低于该混凝土结构建造时规定的强度等级。置换用的混凝土强度等级应比原构件混凝土提高一级且不应低于C25混凝土的置换深度,板不应小于40mm,梁、柱采用人工浇筑时,不应小于60mm,采用喷射法施工时,不应小于50mm,置换长度应根据混凝土强度和缺陷的检测及验算结果确定,但对非全长置换的隋况其两端应分别延伸不应小于100 mm。置换部分应位于构件受压区内,且应根据受力方向将有缺陷混凝土剔除,剔除位置应在沿构件整个宽度的一侧或对称的两侧,不得仅剔除截面的一隅。
上述混凝土结构加固技术还有待于在实践中进一步探索,随着建筑科学技术的不断进步,新型建筑材料不断出现,更好的加固施工方法将会有更大拓展,因此,加固施工方案的选择范围也将具有更为广泛的空间。
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摘 要:钢筋混凝土结构的耐久性和可靠性是建筑工程重要的质量指标,而腐蚀是对其产生影响的重要因素。在实际工程中,由腐蚀带来的各种问题是建筑工程人员最为关注的问题之一。该文在分析钢筋混凝土各种腐蚀原因与机理的基础上,论述了预防钢筋混凝土结构腐蚀的各项措施,为在工程中有针对性地使用腐蚀预防措施,保证工程质量提供有效的参考。
关键词:钢筋混凝土 腐蚀 预防措施
钢筋混凝土结构的腐蚀,是指其与所处环境间产生了各种物理或化学反应,进而引起的材料本身性质的变化。随着建筑工程技术的不断进步,人们对建筑工程质量的要求也越来越高,腐蚀现象已成为建筑工程人员最为关注的问题之一。在建筑工程中,钢筋混凝土结构是最常用的结构形式,而腐蚀对其耐久性与可靠性造成了严重影响[1],给建筑物带来了不确定的安全隐患。由于钢筋混凝土是气、水、固三态混合而成的复杂体系,所以多种因素都会引起腐蚀现象。因此,全面了解各种环境下钢筋混凝土结构的腐蚀原因与机理,有针对性地使用正确适当的腐蚀预防措施,对于保证工程质量和延长建筑物使用寿命都具有重大意义。
钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土复合而成,环境对这两部分的腐蚀是造成钢筋混凝土结构损坏的重要因素,其腐蚀的成因与机理主要包括以下几种。
中性化现象是指空气中的二氧化碳与水泥水化反应生成的氢氧化钙发生反应,生成碳酸钙沉淀而导致混凝土孔隙溶液pH值降至9以下的现象。一般而言,中性化也包括其他矿物导致pH值下降的碳化。发生中性化的混凝土会变得致密且重量增加,进而产生一些细微的龟裂。当中性化发展至混凝土内部的钢筋表面时,低pH值将破坏钢筋钝化膜赖以维持的碱性环境,在渗入的氧气和湿气共同作用下,就引发了钢筋的腐蚀。
钢筋混凝土中的氯离子有自由态和化合态两种,只有自由态氯离子才会造成钢筋混凝土结构的腐蚀。游离的氯离子会和水形成盐酸,然后与混凝土中的氢氧化钙反应,使混凝土的密实性大大降低。另外,氯离子也是很强的去钝化剂,在其到达钢筋表面时,将会严重破坏钝化膜,造成钢筋的腐蚀,腐蚀后形成的氧化物会导致体积膨胀2.5~4倍,在混凝土内部产生超出其所能承受的拉应力,导致混凝土产生张力裂缝,降低钢筋与混凝土的握裹力,引起钢筋混凝土结构的承载力下降,严重的甚至使钢筋混凝土局部的保护层产生脱落。
混凝土的冻融破坏是指混凝土中的水在低温下受冻结冰膨胀,在混凝土内部产生超过混凝土承受强度的应力,而对其结构产生的破坏。混凝土的冻融破坏属于物理腐蚀,位于北方地区的建筑钢筋混凝土经常会发生这种腐蚀。在反复冻融破坏的循环作用下,混凝土内部的损伤会不断累积,最终形成表面剥蚀和冻胀开裂两种破坏结果。表面剥蚀是由于混凝土毛细管中的水分从内部热端向表面冷端迁移,而导致表层先受冻,在多次受冻后表面会发生逐层剥离。冻胀开裂是由于水在混凝土毛细孔中结冰,体积膨胀导致的混凝土开裂。混凝土的冻融破坏严重危害建筑物的安全性。
碱集料反应是指混凝土原材料中的碱性物与集料中的活性成分发生化学反应,生成的吸水膨胀物产生混凝土内部应力导致开裂的现象[2]。其中碱性物主要来自水泥熟料和外加剂;集料中活性成分主要是二氧化硅、硅酸盐和碳酸盐等,故混凝土碱集料反应有碱―硅反应,碱―硅酸盐反应和碱―碳酸盐反应三种,其中的碱―硅反应最为常见。碱集料反应一般多为混凝土成型若干年后逐渐发生,当裂缝出现后,随着空气、水和二氧化碳等的侵入,混凝土碳化和钢筋锈蚀等又会使裂缝进一步扩大;在寒冷地区,还会使冻融破坏加速,最终将导致钢筋混凝土结构的综合性破坏。
恰当选择防腐蚀材料,合理运用防腐蚀措施,都可以有效防止钢筋混凝土结构腐蚀的发生,延长建筑物的寿命。
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是目前较常用的防腐蚀材料。从混凝土的腐蚀原因与机理来看,多数腐蚀因素都与混凝土的渗透性有关。高性能混凝土的用水量较低,具有较优异的填充性,其中掺加的微硅粉可有效缩小混凝土中的孔隙尺寸,并且阻断内部毛细孔,使混凝土中氯离子渗透率大幅降低[3],还能减少冻融破坏对混凝土的损害。
粗、细集料是碱集料反应发生的必要条件之一,因此粗、细集料的耐腐蚀性以及其表面性能都对混凝土的耐腐蚀性具有重大的影响。在选择混凝土中使用的粗、细集料时,应对其致密性、材料的吸水率和其它杂质的含量进行严格控制。
混凝土耐腐蚀剂是一种新型的混凝土外加剂,在建筑工程中合理的使用这种外加剂,可以提高混凝土的密实性,提升钢筋的阻锈能力,从而提高钢筋混凝土结构的耐腐蚀能力与耐久性。但在使用前,必须对其中所含的氯盐含量进行检测。
使用防腐涂料可以隔绝钢筋混凝土中的离子通路,防止腐蚀反应的产生。防腐涂料主要有钢筋表面涂层和混凝土外表面涂层两种。钢筋表面涂层主要有不锈钢钢筋、镀锌钢筋、合金钢钢筋、包铜钢筋以及环氧树脂涂层钢筋等多种类型,其中最常用的为环氧树脂涂层钢筋。混凝土外表面涂层主要有表面涂料、渗透型涂层以及聚合物改性砂浆等多种类型。其中表面涂料能够抗氧化,防紫、红外线,耐适度化学侵蚀;渗透型涂层能够部分深入混凝土内部,堵塞孔隙形成一定防护层;聚合物改性砂浆具有抗渗性好,粘结力强等特点。
设计混凝土配合比是实际建筑工程中很重要的一项工作,混凝土配合比的设计一般有两类要求,即按强度的要求或按密实度的要求。为了增强钢筋混凝土的防腐蚀性能,在进行混凝土配合比设计时,应选用按密实度要求进行混凝土配合比设计,其强度等级较高,而且具有较高的密实性。
电化学除氯是指通过在混凝土外部施加电场以及阳极网格的方法,来显著降低氯化物含量、增加钢筋周围pH值、使钢筋表面重新钝化的一种新技术。使用该技术无需破坏钢筋混凝土结构的保护层,就可实现快速、高效、低成本的非破损型修复。该技术在欧美被广泛应用,我国则起步较晚。
在实际的施工中,应加强施工质量管理,充分的混凝土捣固,认真压实处理的表面对控制混凝土裂缝产生以及提高混凝土抗腐蚀性都具有重要的作用。
由此可见,钢筋混凝土的组成材料特性复杂,进而导致腐蚀的产生原因众多,在任何环境下的混凝土腐蚀影响因素都不是单一的。因此,只有充分的理解各种腐蚀的原因及机理,并掌握相应的防腐蚀处理措施,才能在实际工程中确保建筑工程质量,避免由钢筋混凝土结构腐蚀引起的事故,并减少建筑后期的维护费用。
[1] 王江华,李松涛,栗克强.混凝土耐久性的影响因素及对策[J].科技信息(科学教研),2008(15):135-136.
[2] 石双才.混凝土结构的腐蚀机理及预防措施[J].华章,2010(7):134-135.
[3] 何松晟,高玮,汪磊.矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性影响研究[J].武汉工业学院学报,2011(4):80-83.
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