碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應(yīng)用

李 豪 孔新立 周玉鵬

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應(yīng)用

李 豪 孔新立 周玉鵬

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

以某衛(wèi)生中心的加固改造工程為例，從承載力復(fù)核、方案設(shè)計(jì)、驗(yàn)算等方面，闡述了碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應(yīng)用，并介紹了錨固方案的設(shè)計(jì)措施，有效提高了加固梁的剝離承載力。

框架梁，抗彎加固，碳纖維布，錨固方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有建筑物總面積在100億m2以上。由于建筑物自身的老化、各種自然災(zāi)害及人為損傷等原因，越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題引發(fā)人們的關(guān)注。當(dāng)前，需要加固維修的建筑在25億m2以上[1]。

與傳統(tǒng)加固材料相比，碳纖維材料應(yīng)用于加固工程時(shí)表現(xiàn)出輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)。其密度只有鋼材的0.2倍～0.25倍[2]，彈性模量基本與鋼材一致，抗拉強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼材。因此，研究碳纖維材料在加固工程中的應(yīng)用具有廣闊的前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以某衛(wèi)生中心的加固改造工程為背景，研究碳纖維布在框架梁抗彎加固中加固方案的設(shè)計(jì)過(guò)程，為類似工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

本工程原為“揚(yáng)州市廣陵區(qū)日間照料中心”，建筑面積4 118 m2，上部結(jié)構(gòu)由伸縮縫分割為A區(qū)、B區(qū)。A區(qū)為四層框架，B區(qū)為三層框架。建筑高度為13.80 m，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)。加固后建筑使用功能更改為衛(wèi)生服務(wù)中心。原結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)、抗震設(shè)防分類丙類建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，按抗震設(shè)防分類乙類建筑進(jìn)行核算、復(fù)核。建筑外觀圖見(jiàn)圖1，A區(qū)一層框架梁平面圖見(jiàn)圖2。

2 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

1)結(jié)構(gòu)復(fù)核原則。在結(jié)構(gòu)承載能力復(fù)核分析中，結(jié)構(gòu)布置及

結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與原設(shè)計(jì)值相結(jié)合的原則，兩者之中取不利值。房屋所在區(qū)域的地震信息、風(fēng)荷載信息、場(chǎng)地信息采用原設(shè)計(jì)值，并參考現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定。結(jié)構(gòu)材料信息中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值小于原設(shè)計(jì)要求時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，當(dāng)大于原設(shè)計(jì)要求時(shí)采用原設(shè)計(jì)值。荷載取值按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明選用。

2)結(jié)構(gòu)復(fù)核采用程序。結(jié)構(gòu)的復(fù)核計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制開(kāi)發(fā)的PKPM系列中的S-1，QITI模塊。計(jì)算參數(shù)如下：建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)。加固后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：50年。建筑抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防建筑(乙類)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：丙級(jí)?；撅L(fēng)壓：0.40 kN/m2(50年一遇)?；狙海?.35 kN/m2(50年一遇)?？拐鹪O(shè)防烈度：7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組：第一組，常遇水平地震影響系數(shù)最大值：0.12，特征周期值：0.45 s。建筑物場(chǎng)地土類別：Ⅲ類。

3)復(fù)核結(jié)果。經(jīng)復(fù)核，該衛(wèi)生服務(wù)中心上部主體結(jié)構(gòu)承載能力和變形能力基本能夠滿足規(guī)范要求，主要不符之處為：一層個(gè)別框架梁承載能力略有不足。

3 加固方案設(shè)計(jì)

以一層⑨軸框架梁KL3為例(見(jiàn)圖2標(biāo)注部分)，截面尺寸為250 mm×600 mm，配筋圖見(jiàn)圖3?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C30，經(jīng)PKPM分析計(jì)算，該截面彎矩設(shè)計(jì)值為312.2 kN·m。

3.1 承載力復(fù)核

由截面力的平衡條件[3]得：

(1)

則：x=88.62 mm≥2as=70 mm。

其中,as為混凝土保護(hù)層厚度。

所以，該梁受彎承載力為[3]：

(2)

其中，Mu為梁受彎承載力；h0為截面有效高度，h0=500-35=465 mm。

則：Mu=261.8 kN·m<312.2 kN·m。

所以，該梁需要加固。

3.2 加固方案初步設(shè)計(jì)

擬采用兩層碳纖維布對(duì)梁抗彎加固。加固后，梁截面圖如圖4所示。

3.3 加固方案驗(yàn)算

在梁底面粘貼碳纖維布時(shí)，梁的受彎承載力[4]：

(3)

其中，M為加固后梁受彎承載力，M=312.2 kN；x′為加固后梁受壓區(qū)高度。

則：x′=116.81 mm>2as=70 mm。

由加固后梁橫截面力的平衡[4]：

(4)

其中,ψf為碳纖維布強(qiáng)度利用系數(shù)，ψf=1.0；ff為碳纖維布抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，ff=1 400 N/mm2；Afe為粘貼碳纖維布面積。

則需要粘貼碳纖維布面積：Afe=71.99 mm2。

其中,km為碳纖維布厚度折減系數(shù)，km=0.9；nf為粘貼碳纖維布層數(shù)，nf=2；bf為碳纖維布寬度，bf=250 mm；tf為碳纖維布厚度，tf=0.167 mm。

所以，加固方案滿足要求。

4 錨固方案設(shè)計(jì)

當(dāng)碳纖維布應(yīng)用于混凝土梁的抗彎加固時(shí)，常發(fā)生碳纖維布早期剝離破壞現(xiàn)象。剝離破壞作為一種脆性破壞模式，在實(shí)際工程中應(yīng)避免。研究表明，采用一定的附加錨固措施可以提高加固梁的剝離承載力，避免碳纖維布的剝離破壞。

在眾多錨固方法中，碳纖維布U形箍錨固法由于施工操作方便、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的錨固方式[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[6][7]對(duì)U形箍錨固位置的研究結(jié)論，在框架梁端部布置寬度為150 mm的U形箍，剪跨區(qū)布置寬度為100 mm的U形箍，集中荷載處布置寬度為200 mm的U形箍，U形箍高度均為600 mm。附加碳纖維布U形箍示意圖見(jiàn)圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用兩層碳纖維布加固后，框架梁抗彎承載力滿足要求。

2)碳纖維布應(yīng)用于混凝土梁的抗彎加固時(shí)，常發(fā)生碳纖維布早期剝離破壞現(xiàn)象。采用一定的附加錨固措施可以提高加固梁的剝離承載力，避免碳纖維布的剝離破壞。

3)碳纖維布U形箍錨固法是一種有效的錨固方式，具有施工操作方便、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 張益多，劉榮桂.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用綜述[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,24(6)：91-94.

[2] 張 沖.FRP加固混凝土梁抗剪承載力研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50367—2013，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 夏建飛,周雪華.FRP片材錨固技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(1):99-103.

[6] 張 瓊.U形箍錨固碳纖維加固低強(qiáng)度混凝土梁的有限元分析[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2009.

[7] 譚賢秀.CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁錨固有限元研究[D].重慶：西南大學(xué)，2008.

Application of CFRP sheets in flexueal reinforcement of frame beam

Li Hao Kong Xinli Zhou Yupeng

(CollegeofDefenceEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Taking the reinforcement and renovation engineering of a health center as an example, a from the bearing capacity check, scheme design, calculation and other aspects, this paper elaborated the application of carbon fiber cloth in frame beams bending resistance reinforcement engineering, and introduced the design measures of anchorage scheme, effectively improved the stripping bearing capacity of reinforced beams.

frame beam, bending resistance reinforcement, carbon fiber cloth, anchoring scheme

1009-6825(2016)05-0039-02

2015-12-08

李 豪(1990- )，男，在讀碩士； 孔新立(1979- )，男，副教授； 周玉鵬(1991- )，男，在讀碩士

TU746.3

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