CFRP板條加固鋼筋混凝土梁在結(jié)構(gòu)改造工程中的應(yīng)用

姚 鐘

【摘要】本文對(duì)重慶市綦江縣某綜合辦公樓梁的加固改造過程進(jìn)行了詳細(xì)剖析。首先通過對(duì)碳纖維材料的性能優(yōu)勢(shì)分析確定加固方案,接著對(duì)碳纖維板條結(jié)構(gòu)加固的計(jì)算方法和施工質(zhì)量控制方法進(jìn)行了研究和探討。

【關(guān)鍵詞】CFRP板條;性能分析;加固設(shè)計(jì);施工質(zhì)量控制

一、工程概況

重慶市綦江縣一綜合辦公樓于1999年建成,在2007年8月的質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)如下問題:(1)部分框架梁在跨中出現(xiàn)上小下大的明顯裂縫,有露筋,且銹蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重,造成安全隱患 ;(2)原設(shè)計(jì)砼強(qiáng)度為C30,實(shí)測(cè)砼強(qiáng)度在C20～C30之間。

該工程是由于施工質(zhì)量低劣而影響了構(gòu)件強(qiáng)度 。但對(duì)相關(guān)框架梁進(jìn)行加固改造之后,該辦公樓仍可繼續(xù)使用。

二、碳纖維板條的性能分析及加固方案確定

1.CFRP材料的性能優(yōu)勢(shì)

(1)輕質(zhì)高強(qiáng)。重量輕,基本不會(huì)增加被加固結(jié)構(gòu)的重量。強(qiáng)度高,其抗拉強(qiáng)度時(shí)鋼材的10倍左右。尤其是高彈模型碳纖維,其抗拉強(qiáng)度比鋼材大68倍,彈性模量比鋼材大2.0倍～2.6倍。

(2)高耐久性。在600℃高溫下其性能保持不變,在-180℃低溫下仍很柔韌;不與惡劣環(huán)境下酸、堿、鹽發(fā)生腐蝕。

(3)施工性好。由于碳纖維布質(zhì)輕又可折可彎,可使用不同構(gòu)件形狀,成型很方便,可根據(jù)受力需要粘貼若干層。

(4)熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小.其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于0。這一特性是目前其他任何材料無可比擬的,垂直于纖維方向的熱膨脹系數(shù)雖然比較大,但各向同性制品與其他材料相比又最小。

2.本工程加固方案確定

根據(jù)常用的幾種加固方法的工藝要求及本工程的具體條件,并綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素,采用排除法來確定最終的加固方案。首先,由于該大樓主要為辦公用房,層高較低,因此對(duì)于加大載面法來說,會(huì)進(jìn)一步降低使用空間,不符合該工程的實(shí)際情況,所以第一個(gè)被排除。第二是常用的粘鋼加固,必須沿鋼板縱向每隔一定距離用注膠脹栓將鋼板與混凝土梁表面貼緊,這就必須在混凝土梁表面鉆大量的孔。由于該綜合辦公樓旁邊就是綦江縣敬老院,鉆孔噪音必然會(huì)對(duì)周圍居民產(chǎn)生嚴(yán)重影響。故粘鋼加固方法也予排除。第三,對(duì)于預(yù)應(yīng)力加固方法來說,因其對(duì)施工機(jī)具要求較高,現(xiàn)場(chǎng)施工繁瑣,且造價(jià)相對(duì)較高,因此也被排除在外。

三、CFRP板條加固設(shè)計(jì)

1.本工程加固設(shè)計(jì)基本指導(dǎo)思想

本綜合辦公樓部分框架梁的混凝土保護(hù)層已經(jīng)開裂,造成較為嚴(yán)重的鋼筋銹蝕現(xiàn)象,引起鋼筋截面積減少,鋼筋強(qiáng)度降低,且鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度降低。在進(jìn)行碳纖維加固時(shí),應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)銹蝕程度不同,來計(jì)算縱向碳纖維布所需數(shù)量,以提高抗彎承載力;計(jì)算橫向碳纖維布數(shù)量,以提高抗剪承載力。

2.CFRP布用量計(jì)算

3.錨固長度

CFRP布與混凝土之間的粘結(jié)性能,無論從變分布還是應(yīng)力分布來看,都存在一段有效錨固長度。從應(yīng)變與裂縫的距離曲線圖中可以看出,除了數(shù)值大小有差別以外,曲線的形狀十分相似,說明碳纖維布中的應(yīng)變和應(yīng)力在平穩(wěn)地發(fā)展;同時(shí),粘結(jié)應(yīng)變和應(yīng)力主要在離裂縫50mm以內(nèi)發(fā)生明顯變化,從而可以說明,碳纖維布的粘結(jié)錨固長度取100mm左右最合適的。

本工程框架梁和次梁的寬度均為250 mm,把各相關(guān)參數(shù)代入上述公式計(jì)算得到沿梁底需通長粘貼2層200 mm寬和0.111 mm厚的碳纖維片材,梁頂在1/3梁跨范圍內(nèi)粘貼2層200mm寬和0.111mm厚的碳纖維片材,并用100 mm寬的縱向碳纖維片材壓條進(jìn)行錨固。

四、施工質(zhì)量控制

1.施工卸載

為降低原結(jié)構(gòu)加固前的應(yīng)力水平指標(biāo),應(yīng)盡量卸載。卸載方法分為直接卸載和間接卸載法。直接卸載法即加固前卸掉原結(jié)構(gòu)上一切的可卸荷載。間接卸載法一般采用模升卸載法、螺旋千斤頂頂升卸載法、體外施加預(yù)應(yīng)力反向加載卸載法。

2. 表面處理

目的主要是確?；炷拷Y(jié)構(gòu)與纖維布粘結(jié)牢固,去掉混凝土、鋼筋表面銹蝕及老化部位,利用結(jié)構(gòu)膠修補(bǔ)裂縫、填補(bǔ)孔洞、調(diào)整高差、削除尖角。因?yàn)樘祭w維的脆性性能,所以待加固構(gòu)件表面的內(nèi)凹角應(yīng)通過修補(bǔ)膠泥、外凸角應(yīng)通過打磨加以圓化。

3.配制粘貼樹脂

必須由專人負(fù)責(zé),嚴(yán)格按照配制比例進(jìn)行操作,并盡可能做到少配多用,防止放置時(shí)間較長,粘貼樹脂產(chǎn)生初步固化。

4.粘貼纖維布

施工時(shí)必須確定纖維粘貼方向與受力方向一致,纖維布一定要鋪設(shè)平整,不能裙皺,不能彎曲,浸漬膠必須浸透,并排除氣泡。并且應(yīng)特別注意用橡皮輥輪順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實(shí),使樹脂從兩邊擠出,保證密實(shí)無空洞。施工完畢后可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面進(jìn)行檢查。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]CECS146:2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]