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工学论文：微型抗滑桩结构中碳纤维复合材料的运用探析
来源：长理培训发布时间：2017-07-06 17:07:01
近年来，随着材料与工程科学技术领域的不断发展，各类新型材料层出不穷，复合材料由于性能优良，受到业界广泛关注并运用于土木工程中。碳纤维复合材料就是一种以碳纤维为增强材料合成树脂为集体，通过复合成型工艺加工而成的新型材料。微型抗滑桩桩体材料为细石混凝土或水泥( 砂) 浆，通过压力灌注法将其灌注成型。一般加固抗滑桩桩身体积大，且自重过大对使用环境有明确限制，而微型抗滑桩恰好回避此类情况，可灵活适用于多种环境，且可单独或成束使用，筋材选取可因受力需求而定。随着新材料的层出不穷，微型抗滑桩的选材也开始逐步多样化，结合碳纤维复合材料的优点和特性，将其运用于微型抗滑桩结构中，对于改善桩体性能和抗滑水平效果明显。
1、碳纤维及其复合材料
1． 1、碳纤维
碳纤维材料种类繁多，含碳量均在 90% 以上，且其种类的不同与含碳量有关。它是经高温处理后，将不熔融的高含碳量人造纤维稳定氧化，再通过石墨化和碳化加工工艺处理而成。碳纤维材料具有柔性、各向异性等一般碳素材料所不具备的特性，并表现出极高的强度和比强度。
1． 2、碳纤维复合材料
可与碳纤维复合加工的集体材料多种多样，环氧树脂是其中之一，其产物碳纤维增强环氧树脂复合材料( 简称 CFRP) 具有优良的比强度和比模量综合指标，被广泛用于对强度、刚度、疲劳性、重量等要求严格的工程领域［1］。CFRP 的优良性能主要有: 密度小、质轻高强; 抗疲劳; 耐高温; 抗腐蚀; 抗震性强; 易于成形。
现阶段国内还未将 CFRP 推广运用于土木领域。常用碳纤维复合材料的主要力学性能见表 1。
表 1 常用碳纤维复合材料的主要力学性能
2、微型桩及碳纤维复合材料微型桩的关键计算理论
2． 1、微型桩的定义
微型桩属于抗滑桩支挡形式的一种，按结构组合方式分为独立微型桩、连系梁微型桩、承台微型桩。直径一般介于 100 mm ～300 mm，长细比大于 30。桩体材料由压力式水泥 ( 砂) 浆、混凝土、钢材与复合材料等组成，根据受力需要，其构造骨架可以是钢筋、钢管、钢轨、高强钢筋、碳纤维筋或玻璃纤维筋等，如图 1 所示［5］。
图 1 微型桩内结构
2． 2、碳纤维复合材料微型桩的设计计算
碳纤维复合材料微型桩属于微型抗滑桩的一种，仅材料的选取添加了碳纤维复合材料来取代全部或部分配筋，材料参数有所区别，其受力分析原理与设计流程与普通微型抗滑桩相同，参考普通抗滑桩设计的构架思想，得出碳纤维微型桩加固边滑坡的设计技术路线，见图 2。
3、微型桩不同材料组合对系统内力贡献
微型抗滑桩单桩的抗弯能力较小，设计时不但要考虑群桩使用，还需在钢管中内置一些外加材料增加抗弯和抗拉承载能力，如钢筋、型钢等。存在的问题有: 所选材料提高系统承载力贡献不明显; 安装较复杂，尤其在斜坡面。因此，在此基础之上引入了碳纤维加筋［7］，并对此进行计算及对比分析。
钢管桩单桩按等效含钢率计算，钢管与钢材组合结构可按等效刚度法或等效钢率计算。针对纤维筋，由于模量比普通钢筋小，而抗拉强度是普通钢筋的倍数关系，按等效刚度法进行计算时需慎重，文中用等效含钢率的公式简化计算。计算中均假设选取钢管桩的截面直径为 150 mm，钢管直径 108 mm，壁厚 4 mm，并由此进行相应分析。
3． 1、钢管与混凝土组合
选取单位桩长为 1 m，承受均布荷载作用的悬臂梁结构，按等效刚度法计算所得其极限弯矩为 21． 139 kN·m，按钢管混凝土中的等效含钢率法计算得 21． 159 kN·m，其结果基本一致。但是结构为简支梁时算得 50． 734 kN·m，结果不相符。从而得知，上述的等效刚度反算弯矩受结构及荷载形式分布的影响，不如等效含钢率法计算准确，后者更能准确反映出钢管混凝土截面的承载性能。
3． 2、钢管混凝土与内置材料组合
在钢管混凝土中内置其他材料通常为工程所用的材料组合方法，其中内置 HRB335 钢筋最为常见，工字钢和其他型钢次之。基于新材料的研发成功与工程实践需要，将碳纤维筋引入分析。碳纤维筋强度高，密度小，不仅可以提高桩体本身的抗力而且给施工安置带来极大的方便。将两种材料的物理力学性能进行对比如表 2 所示。
表 2 筋材性能对比
3． 3、钢管普通钢筋组合
普通钢筋组合按照等效含钢率来计算，不考虑超筋情况，分析 3 根 22，25，28，32 四种情况，四种组合含钢率 α 分别为:0． 160 7，0． 186 7，0． 217 2，0． 266 6; 极限弯矩为: 41． 018 kN·m，47． 687 kN·m，55． 709 kN·m，69． 009 kN·m。
3． 4、钢管工字钢组合
对于钢管内加工字钢的情况，分别按两种方法计算并进行对比分析。将常用工字钢 10 号钢管直径改为 133 mm，壁厚为5 mm，其他参数均不做改变。按等效刚度计算得不加工字钢时极限弯矩为22．593 kN·m，加入工字钢后极限弯矩为32．687 kN·m，按等效含钢率分别为 16． 850 kN·m 和 38． 946 kN·m。
3． 5、钢管碳纤维筋组合
钢管桩中内置碳纤维筋按等效含筋率法计算，计算时钢管另作处理，将纤维筋等效为含筋率，相对钢管而言碳纤维筋属于高强度材料，分别等效计算后相加为极限弯矩。分析 3 根 22，25，28，32 四种情况，极限弯矩为: 127． 070 kN·m，164． 714 kN·m，210． 730 kN·m，287． 930 kN·m，可知内置碳纤维筋为普通钢筋极限弯矩的 3 倍 ～4 倍，见图 3。
4、结语
针对碳纤维复合材料的特性并将其创新性运用于微型抗滑桩结构中进行对比分析，归纳出如下结论:
1) 碳纤维复合材料具有密度小、轻质高强、抗疲劳性好、耐高温、耐腐蚀、抗震性强、破坏安全性高和易于成形加工的特性，是一种可被广泛运用于土木工程的先进复合材料。
2) 传统钢筋水泥混凝土微型抗滑桩由于自身材料缺陷，容易发生钢筋腐蚀，水泥开裂等病害，从而影响其抗滑效果。采用碳纤维增强混凝土并将全部或部分配置的钢筋用碳纤维筋代替可减少此类病害，延长微型抗滑桩的使用寿命并提高其抗滑效果。
3) 对微型桩内置材料分析可知，内置碳纤维筋可以增大约4 倍的抗力，再者碳纤维筋的抗拉强度约为普通钢筋 9 倍，更满足锚杆的效应，因此值得推广应用。
参考文献:
［2］ 李 威． 碳纤维复合材料在航天领域的应用［J］． 中国光学，2011( 6) : 201-212．
［4］ 周先雁． 碳纤维复合材料在土木工程中的应用综述［J］． 中南林业科技大学学报，2007( 10) :26-32．
［6］ 苏媛媛，张占民． 微型抗滑桩设计计算方法综述与探讨［J］．岩土工程学报，2010，7( 32) :222-228．
责编：古斯琪
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