預應力碳纖維布加固混凝土梁

毛鐵軍

隨著生活水平的提高,人們對建筑物安全性、適用性和耐久性的要求不斷提高,同時由于建筑物使用性能的改變、荷載變化、結(jié)構(gòu)部分損壞以及設計與施工缺陷造成的質(zhì)量隱患等,需對建筑物進行補強加固處理。多數(shù)情況下,采用碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)比其他加固方法更有優(yōu)勢,它具有高強高效、施工便捷、耐久性耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低、適用面廣、自重輕、不增大結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點,因此,碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術具有重要的工程應用價值。但是在碳纖維布的理論研究和實際工程應用中,逐漸發(fā)現(xiàn)碳纖維布加固有其固有弊端:1)強度不能充分發(fā)揮,加固效率不高。鋼筋的極限應變?nèi)?.01,碳纖維布應變值近似于0.01,只占碳纖維布極限應變的10%～20%,碳纖維布的高強特性沒有得以充分利用。2)二次受力對加固效果的影響。進行加固的結(jié)構(gòu)一般已經(jīng)承受一定的初始荷載,加固前,原構(gòu)件截面就會在所承受的截面內(nèi)力下處于某個初始應力應變狀態(tài)。普通碳纖維布沒有考慮初始荷載對構(gòu)件產(chǎn)生的應變,加固效果偏不安全。

1 相對優(yōu)勢

對碳纖維布施加預應力后進行加固,可以有效地提高碳纖維布的利用率,同時預應力可以約束混凝土裂縫的過早出現(xiàn),有利于提高構(gòu)件的承載力。由于預應力抑制構(gòu)件裂縫過早出現(xiàn),又可以避免在裂縫處出現(xiàn)應力集中而引起碳纖維布在裂縫處出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。1)采用預應力碳纖維布加固的構(gòu)件,由于碳纖維布在被加固到構(gòu)件上開始受力之前已有較大的應變,碳纖維布可以較早參與工作并發(fā)揮較大作用,所以,利用這種方法加固的構(gòu)件可以明顯提高梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載,減小梁在使用階段的變形和梁內(nèi)主筋的應力,對預應力混凝土橋梁加固效果更為明顯。2)預應力碳纖維布加固混凝土構(gòu)件,在碳纖維和結(jié)構(gòu)粘結(jié)界面上會產(chǎn)生很大的剪切應力,采用合理、可靠的錨固方式可以避免或推遲碳纖維布與混凝土基層間粘結(jié)剝離破壞或保護層混凝土剪切受拉剝離破壞,避免了碳纖維布在沒有達到極限拉應變之前結(jié)構(gòu)就被破壞,充分的利用材料,避免了脆性破壞。3)預應力碳纖維布加固混凝土構(gòu)件可以改善構(gòu)件裂縫和變形等使用性能,有效地抑制裂縫的發(fā)展,減小現(xiàn)存裂縫的寬度,提高結(jié)構(gòu)的耐久性。4)國外的研究表明,在寒冷環(huán)境下,預應力碳纖維布材加固混凝土梁的粘結(jié)沒有受到低溫的不利影響,加固效果沒有降低,說明預應力碳纖維布加固方法適用于極其惡劣的環(huán)境。

2 施工工序及應注意的事項

對碳纖維布施加預應力,首先要選用張拉工具。在對碳纖維布施加預應力后,需要在其上涂刷建筑膠,然后粘貼到梁底。因此預應力碳纖維布的施工工藝和預應力鋼筋的施工工藝不同:這種工藝不僅考慮張拉,同時還要考慮涂刷建筑膠,先張拉后粘貼,張拉后利用建筑膠和混凝土之間的粘結(jié)力錨固碳纖維布,類似于先張法預應力混凝土施工;在已經(jīng)澆筑好的試件上對碳纖維布施加預應力,待建筑膠固化后放松張拉工具,類似于后張自錨法預應力混凝土施工。預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的施工工藝和普通碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的施工工藝不同,預應力碳纖維布加固粘貼工藝的要求更高,對碳纖維布施加預應力后,梁的粘貼表面要求平整,而普通碳纖維布加固曲面也可以。預應力碳纖維布加固,同時要考慮張拉,由于碳纖維布這種材料獨特的性質(zhì),對夾具也有特殊的要求。

我國現(xiàn)行的預應力碳纖維布加固混凝土構(gòu)件技術施工工藝一般流程如下:1)施工準備。在施工前對粘貼部位混凝土的表面含水率和所處的環(huán)境溫度進行判定,若混凝土表面或環(huán)境濕度較高,宜采用高濕性配套樹脂;若環(huán)境溫度小于5℃時,則應采用局部加熱措施。2)構(gòu)件缺陷修復。對所加固的構(gòu)件已經(jīng)存在的裂縫,應先行修復,裂縫較小(寬度小于2 mm),可采用低壓持續(xù)注射法,裂縫較寬,可以采用開槽法修補,混凝土的蜂窩麻面,應采用強度高于構(gòu)件的環(huán)氧樹脂砂漿修復。3)面層處理。用砂輪機或磨光機將混凝土劣化層除去,研磨至混凝土基面為止,構(gòu)件轉(zhuǎn)角處應打磨半徑大于3 cm的光滑圓弧。打磨結(jié)束后,用吹風機或毛刷將表面粉塵除去,直至表面干凈。4)涂刷底膠與整平。由于碳纖維布張拉后呈直線,因此粘貼前構(gòu)件底應嚴格涂刷底膠與整平,如構(gòu)件底上凹,粘貼會出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象,粘貼質(zhì)量得不到可靠保證?？紤]到張拉時梁會出現(xiàn)反拱,可以將梁底找成略微下凸的弧形。為了保證構(gòu)件和碳纖維之間的粘結(jié),應該按使用說明均勻混合底層樹脂主劑和硬化劑,在可操作時間內(nèi)均勻涂抹在粘貼面上。涂抹好的混凝土表面細微不平處,要采用找平膠處理。5)預應力碳纖維布的粘貼與張拉。預應力碳纖維布的粘貼與張拉主要工序和注意事項如下:a.碳纖維布下料時,應充分考慮張拉端錨固所需的工作長度。b.為了盡可能充分地利用碳纖維的高強度,提高碳纖維布材中纖維單絲共同工作的性能,要用環(huán)氧樹脂充分浸潤到碳纖維布材。c.將張拉設備就位,將環(huán)氧樹脂充分浸漬的碳纖維布安裝至張拉機的錨固裝置上,反復調(diào)整兩個錨固端的平整度,直至控制截面上的應力分布均勻為止。d.將張拉機具沿固定在柱子上的蝸桿機構(gòu)上升,直至初步拉直的碳纖維布距受彎構(gòu)件待加固表面20 cm～30 cm。e.正式張拉前先進行預張拉,預張拉力可取10%張拉控制應力。以設計確定的速度均勻張拉碳纖維布,張拉速度直接影響構(gòu)件所能達到的預應力水平。張拉速度越慢,所能達到的預應力水平越高。一般的張拉速度為350 MPa/h～450 MPa/h。張拉過程采用張拉力和伸長值雙控方法,可以更好控制施工質(zhì)量,防止發(fā)生事故。f.張拉應力至設計應力時,按所選用膠使用說明配制粘貼樹脂,注意避免雜質(zhì)影響粘結(jié)質(zhì)量。用刮刀或刷子將粘貼樹脂均勻涂抹于構(gòu)件與碳纖維布的粘貼面,在混凝土的搭接、轉(zhuǎn)角部位要多涂一些。g.提升張拉機具,使受彎構(gòu)件的粘貼表面與碳纖維的粘貼表面緊密結(jié)合,用壓輥沿纖維方向滾壓以去除碳纖維增強塑料下面的氣泡。處理粘貼不良處的方法:樹脂未充滿的空隙用注射器注入環(huán)氧樹脂;較大的空隙處,可配制粘稠度較大的環(huán)氧樹脂填入。h.為避免碳纖維布與混凝土之間在粘結(jié)界面上發(fā)生粘結(jié)破壞,必須設置錨固。為有效的防止粘結(jié)破壞發(fā)生,可沿梁設置U形錨固帶。i.養(yǎng)護。為減少雨水、砂、灰塵等對施工質(zhì)量造成的不利影響,粘貼后應采用塑料布覆蓋構(gòu)件,養(yǎng)護期長短可根據(jù)環(huán)境溫度確定,一般1周～2周時間。

3 結(jié)語

采用預應力碳纖維布方法加固混凝土構(gòu)件相對于傳統(tǒng)粘貼碳纖維加固方法,預應力碳纖維布的高強性能得以有效利用,加固效果比普通碳纖維布得到了很大的提高,同時具有普通碳纖維布加固的優(yōu)點,在提高結(jié)構(gòu)抗彎剛度、承載力,減小結(jié)構(gòu)變形,抑制裂縫發(fā)展等方面表現(xiàn)出了顯著的效果,具有較高的實用價值,值得推廣應用。

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