CFRP在中小學(xué)校舍抗震加固中的應(yīng)用

趙光樺 楊 勝

1 概述

汶川地震以后,國務(wù)院啟動全國中小學(xué)校舍安全工程,對全國范圍內(nèi)的中小學(xué)校舍進(jìn)行房屋質(zhì)量排查鑒定。鑒定結(jié)果顯示全國中小學(xué)校舍中有8億多平方米達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行抗震加固處理,抗震加固任務(wù)異常艱巨。目前混凝土結(jié)構(gòu)加固方法有多種,常用的有加大截面加固法、外包鋼加固法和粘鋼加固法等。采用外貼碳纖維(CFRP)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是最近幾年發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù),已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用,并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中,CFRP主要是分擔(dān)鋼筋的受力,提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力,減少裂縫的開展。在工程結(jié)構(gòu)加固改造中采用外貼CFRP加固與傳統(tǒng)加固修補(bǔ)方法即鋼筋水泥砂漿加固法相比具有強(qiáng)度高、施工工效高、沒有濕作業(yè)、基本不增加結(jié)構(gòu)自重和尺寸以及對原有結(jié)構(gòu)損傷小等優(yōu)點(diǎn)。本文以某中小學(xué)校舍抗震加固為例,針對中小學(xué)校舍結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),綜合考慮了各方面因素選用外貼CFRP的加固方式,在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上提出了相關(guān)設(shè)計建議,供實(shí)際加固改造工程的應(yīng)用提供參考。

2 工程實(shí)例

該校舍位于浙江省某市,于1999年9月竣工并投入使用。房屋建筑平面大體呈矩形,總長34.8 m,總寬14.4 m。主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),地上4層,總建筑面積約為1 985 m2。各層層高為3.5 m,總高為14.6 m。該綜合樓為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,采用鋼筋混凝土柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。梁、柱混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C25。砌體均采用MU10頁巖磚,M7.5混合砂漿砌筑。

根據(jù)現(xiàn)場的排查鑒定和設(shè)計院出具的原設(shè)計圖紙,對全校舍各層進(jìn)行全面檢測,發(fā)現(xiàn)該校舍主體結(jié)構(gòu)基本完好,周邊地基土的不均勻沉降對該校舍主體產(chǎn)生輕微的傾斜,但不影響結(jié)構(gòu)主體使用安全。各樓層內(nèi)墻部分有細(xì)微斜裂縫,外墻面磚無脫落,梁、柱、樓板等構(gòu)件的幾何尺寸、混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋位置和數(shù)量等滿足原設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計符合當(dāng)時規(guī)范要求。通過采用回彈儀測定梁、柱的混凝土強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)該校舍底層梁和柱的混凝土強(qiáng)度等級僅為C20,不滿足原設(shè)計C25的要求,存在巨大的抗震安全隱患,其余各層混凝土強(qiáng)度等級滿足要求。磚和砂漿強(qiáng)度等級經(jīng)測定也符合原設(shè)計要求。通過計算復(fù)核,該校舍的底層梁和柱抗震承載力未達(dá)到設(shè)計要求,需進(jìn)行抗震加固處理。

3 結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

3.1 加固實(shí)例

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果和原設(shè)計院出具的該校舍梁、柱等各構(gòu)件的配筋情況,針對單一構(gòu)件,對底層梁、柱進(jìn)行承載力計算復(fù)核。以底層梁A-B/3為例,原設(shè)計尺寸為250 mm×750 mm,通長的梁上部配筋為2Φ22;梁底配筋 6Φ22 2/4,梁端配筋 5Φ22 3/2,箍筋為φ8@100/200(2),混凝土強(qiáng)度等級為C25,而實(shí)測的混凝土強(qiáng)度等級為C20。

3.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算復(fù)核,底層梁A-B/3的跨中抗彎承載力 M設(shè)計=446.3 k N?m;梁端的抗剪承載力 V設(shè)計=347.7 k N,V實(shí)際=326.5 k N。由于實(shí)測混凝土強(qiáng)度等級為C20,梁的跨中抗彎承載力未達(dá)到設(shè)計要求;同時梁端的抗剪承載力設(shè)計值大于現(xiàn)在梁所能承受的實(shí)際值,存在安全隱患,需進(jìn)行抗震加固處理。

4 加固設(shè)計

4.1 梁的加固設(shè)計

以該校舍底層梁A-B/3為例,針對該梁的抗彎、抗剪承載能力不足,初步采用沿梁底通長外貼CFRP來增加梁抗彎承載能力,并在梁端采用外貼U形CFRP以加強(qiáng)梁的抗剪能力,同時 U形CFRP還能起到錨固梁底通長CFRP的作用。經(jīng)計算梁底所需CFRP面積 Afe=7.53 mm2,故選取CFRP寬 200 mm,其計算面積Afe=22.2 mm2＞7.53 mm2,滿足梁抗彎承載力要求。在梁兩端各外貼寬 150 mm、高 750 mm、凈間距300 mm的 U形 CFRP一層,共貼4條 U形CFRP。此時 U形CFRP承受的剪力 Vbf=40.6 k N,故 Vjg=326.5+40.6=367.1 kN＞347.7 k N,滿足抗剪承載力要求。其余底層梁加固方式與該梁類似。通過采用此種CFRP加固方式,梁的抗震能力和延性同時得到大幅加強(qiáng)。梁加固詳圖見圖1。

4.2 柱的加固設(shè)計

該校舍的豎向承重構(gòu)件為框架柱,根據(jù)承載力計算復(fù)核結(jié)果,對承載力不滿足要求的底層柱采取外貼CFRP進(jìn)行加固。采用繞

文章編號:1009-6825(2010)20-0070-03柱外貼一層CFRP的加固處理方法,在搭接處的搭接長度不應(yīng)小于100 mm。經(jīng)檢測,加固前底層柱的混凝土強(qiáng)度為 fc=10.7 MPa;通過CFRP加固后,柱的抗壓強(qiáng)度為 fc=10.7+3.69=14.39 MPa＞11.9 MPa,滿足原設(shè)計要求。此加固方案與增大柱截面法等常規(guī)加固方法相比,在基本不增大柱截面,也不破壞原教學(xué)空間的情況下能夠顯著提高構(gòu)件承載能力,同時增強(qiáng)柱的抗震耗能能力和延性。加固詳圖見圖2。

5 施工工藝

CFRP施工的一般工藝流程為混凝土表面處理,涂底膠,找平,粘貼CFRP,CFRP表面處理。

1)將梁、柱混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓等現(xiàn)象的部位予以鑿除,在轉(zhuǎn)角處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀,同時保持混凝土表面干燥。2)底涂作業(yè)施工表面必須干燥,環(huán)境濕度大于80%,底涂主劑、硬化劑依比例均勻調(diào)和,待膠固化后再進(jìn)行下一工序施工,固化時間一般由產(chǎn)品性能決定。3)對混凝土表面凹陷部位用修補(bǔ)劑填補(bǔ)平整,在找平材料表面指觸干燥后立即進(jìn)行下一步工序施工。4)依計劃位置由上而下,由左而右粘貼碳纖維布。按工藝配制樹脂并均勻涂于碳纖維布上,用專用滾筒順纖維方向滾壓以排除氣泡。5)確保CFRP表面已充分風(fēng)干結(jié)合,再進(jìn)行表面必要之美化裝飾。

6 結(jié)語

1)在加固設(shè)計時,應(yīng)充分考慮到CFRP與梁柱等構(gòu)件之間的相互粘結(jié),防止CFRP與混凝土梁發(fā)生剝離破壞,使其共同協(xié)調(diào)受力。2)通過采用外貼CFRP加固梁柱構(gòu)件,可以有效提高梁的抗彎抗剪性能和柱的抗震耗能能力和延性。3)在對梁、柱等構(gòu)件進(jìn)行外貼CFRP時,應(yīng)打磨構(gòu)件的棱角,防止CFRP在棱角處發(fā)生應(yīng)力集中。4)在中小學(xué)教學(xué)樓加固中使用外貼CFRP的加固方法可以有效的節(jié)約原有空間,并不會對中小學(xué)生產(chǎn)生身體上的意外傷害。

[1] 劉 水,溫 欣.CFRP加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(10):57-58.

[2] CECS 146∶2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].