碳纖維布在混凝土構(gòu)件加固中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邢銳閌

0 引言

鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題之后,除了倒塌斷裂事故必須重新制作外,在許多情況下可采用加固的辦法來(lái)處理。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)利用浸漬樹脂,將碳纖維布粘貼于混凝土表面,共同工作,達(dá)到對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。

目前,施工中常用碳纖維布的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 碳纖維布物理性能

與之配套的粘結(jié)材料有底層樹脂、找平材料以及浸漬樹脂,其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粘結(jié)材料的物理力學(xué)指標(biāo)

1 加固分析

1.1 受彎加固

為避免碳纖維布被拉斷而發(fā)生脆性破壞,可對(duì)其允許極限拉伸應(yīng)變[εcf]進(jìn)行限制。據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)構(gòu)件塑性變形控制的要求,筆者認(rèn)為可以取[εcf]=0.01。

1)計(jì)算公式。

其中,Acf為受拉面粘貼的碳纖維布截面面積,mm2;fcf為碳纖維布的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度,N/mm2;Mu為構(gòu)件的正截面受彎承載力計(jì)算值,N?mm;M為彎矩設(shè)計(jì)值,N?mm。

若不滿足假設(shè)條件,即 x＜2a′,則 M≤Mu=fcfAcf(h0-a′)+fyAs(h0-a′)。

對(duì)于 fcf的值,可取其達(dá)到允許極限應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值,即fcf=Ecf?[ εcf]=Ecf×0.01 。

因在加固前,構(gòu)件已受力及變形,則加固受彎構(gòu)件屬二次受力構(gòu)件。和受彎構(gòu)件中已配鋼筋相比,碳纖維布應(yīng)變滯后,若原有構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變都已經(jīng)很大,則構(gòu)件破壞時(shí)碳纖維布尚未達(dá)到fcf,設(shè)計(jì)中可取(0.8～1.0)fcf作為極限設(shè)計(jì)值。

2)計(jì)算延伸長(zhǎng)度。

碳纖維布的切斷位置距其充分利用截面的距離不小于延伸長(zhǎng)度Lcd,且延伸至不需要布截面之外不小于200 mm。一般將布沿梁底全長(zhǎng)粘貼,兩端加設(shè)U形箍,則可不必計(jì)算 Lcd。

3)構(gòu)造措施。

a.當(dāng)對(duì)梁、板進(jìn)行加固時(shí),碳纖維布應(yīng)伸至支座邊緣。

b.當(dāng)碳纖維布的延伸長(zhǎng)度無(wú)法滿足上述計(jì)算的延伸長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)采取附加錨固措施。對(duì)梁,在延伸長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置碳纖維布U形箍;對(duì)板,可以設(shè)置垂直于受力碳纖維布方向的壓條。

c.在碳纖維布延伸長(zhǎng)度端部和集中荷載作用點(diǎn)兩側(cè),應(yīng)設(shè)置構(gòu)造碳纖維布U形箍或橫向壓條。

4)例題。

有一框架房屋,其中有一榀框架梁,凈跨6.3 m,截面b×h=400 mm×800 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,鋼筋Ⅱ級(jí)。梁跨中原設(shè)計(jì)彎矩為 M=355 kN?m,受拉主筋4Φ 22,As=1 520 mm2,受壓鋼筋為 4Φ 20,A′s=1 256 mm2?，F(xiàn)房屋用途改變,需承擔(dān)彎矩M=470 kN?m。采用型號(hào)為FTS-C1-20的碳纖維布加固,求所需碳纖維布的截面面積。

解:假設(shè) x≥2a′,x≤ζbh0時(shí),材料強(qiáng)度取值如下:Ⅱ級(jí)鋼筋,fy=300 N/mm2;C35混凝土,fc=16.7 N/mm2;h0=h-a′=800-25=775 mm;FTS-C1-20 碳纖維布,fcf=0.9Ecf?[εcf]=0.9×2.35×105×0.01=2 115 N/mm2。

本題主要闡述碳纖維布加固,故作簡(jiǎn)化計(jì)算,忽略受壓鋼筋的作用,得:

聯(lián)立解式(1),式(2)兩方程,得:x=96 mm,Acf=80.41 mm2,則x＞2a′=50 mm,且 x＜ζbh0=426.25 mm,滿足假設(shè)。

配碳纖維布兩層,與梁等寬,則實(shí)際面積為2×400×0.111=88.8 mm2。碳纖維布沿梁底全長(zhǎng)粘貼,兩端加U形箍(為同一種碳纖維布型號(hào)),且對(duì)稱布置于梁端,故不再計(jì)算延伸錨固長(zhǎng)度,示意圖如圖1所示。

1.2 受剪加固

采用碳纖維布受剪加固的主要粘貼方式有:全截面封閉粘貼、U形粘貼和兩側(cè)面粘貼,如圖2所示,封閉粘貼的加固效果最好,U形粘貼次之,最后是兩側(cè)面粘貼。

1)計(jì)算公式。

粘貼碳纖維布加固后鋼筋混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載力可視為由兩部分組成:1)原鋼筋混凝土對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn) Vrc;2)碳纖維布對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn) Vcf。其中,Vcf按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的方法計(jì)算如下:

其中,φ為碳纖維布受剪加固形式系數(shù),對(duì)于封閉粘貼,取φ=1.0,對(duì)于 U形粘貼,取 φ=0.85,對(duì)于兩側(cè)面粘貼,取 φ=0.70;εcf,v為達(dá)到受剪承載力極限狀態(tài)時(shí)碳纖維布的應(yīng)變;α為碳纖維布纖維方向與構(gòu)件軸向的夾角;ncf為粘貼層數(shù);wcf為條帶寬度;scf為條帶凈間距;tcf為單層布厚度;hcf為側(cè)面粘貼高度;λ為剪跨比;n為柱的軸壓比,n=N/(fcA)。

2)構(gòu)造措施。

a.對(duì)于梁,U形粘貼和兩側(cè)面粘貼的粘貼高度 hcf應(yīng)粘貼至板底。b.對(duì)于U形粘貼,應(yīng)在上端粘貼縱向碳纖維布?jí)簵l;對(duì)于兩側(cè)面粘貼,應(yīng)在上、下端粘貼縱向碳纖維布?jí)簵l,如圖3所示。

2 施工技術(shù)

一般工藝流程:卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護(hù)。

基本施工步驟:施工前須卸載荷。

1)基底處理?；炷帘韺映霈F(xiàn)劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除,并除去混凝土表面浮漿、油污等雜質(zhì),將構(gòu)件基面的混凝土打磨平整,轉(zhuǎn)角粘貼處進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20 mm)。2)涂底膠。按配合比主劑∶固化劑=3∶1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中,均勻攪拌,一般情況下20 min～50 min內(nèi)使用完。將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后進(jìn)行下一工序施工。3)找平?；炷帘砻姘枷莶课挥眯扪a(bǔ)劑填平,減小高度差,轉(zhuǎn)角處用修補(bǔ)劑修補(bǔ)成光滑圓弧。4)粘貼。調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑,均勻涂抹于待粘貼部位。粘貼碳纖維布,用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓,去除氣泡,使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布,并刮涂布表面粘結(jié)膠,使之均勻。多層粘貼重復(fù)上述步驟,待布表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一層粘貼。5)保護(hù)。加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。6)質(zhì)量要求。每一道工序結(jié)束后均按工藝要求檢查,并做好驗(yàn)收記錄,如有質(zhì)量問(wèn)題,立即返工。施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主,用小錘等工具輕敲布表面,以回音判斷粘結(jié)效果。如出現(xiàn)空鼓等現(xiàn)象,應(yīng)用針管注粘結(jié)膠的方法進(jìn)行補(bǔ)救。嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度。施工溫度在5℃～35℃范圍內(nèi),相對(duì)濕度不大于70%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合分析前人研究以及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)闡述了碳纖維布加固的設(shè)計(jì)及施工,并且針對(duì)性的提出了加固的措施,同時(shí)結(jié)合具體工程實(shí)際進(jìn)行了分析驗(yàn)證,為碳纖維布在工程加固實(shí)際應(yīng)用中提供經(jīng)驗(yàn),然而要對(duì)該加固技術(shù)有比較客觀、正確的認(rèn)識(shí),還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

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

[2] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] CECS 78∶96,磚混結(jié)構(gòu)房屋加固技術(shù)規(guī)范[S].