預(yù)應(yīng)力碳板在梁加固工程中的應(yīng)用

雷立志 潘琰楓

武漢弘泰建筑工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司（430070）

0 引言

梁加固工程中，目前常用的加大截面、粘鋼等直接加固法都要求先進(jìn)行卸載，已經(jīng)投入使用的建筑物很難滿足此條件。《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》2013版相較2016版[1]，增加了預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固法，根據(jù)規(guī)范說(shuō)明:此方法適用于截面偏小或配筋不足的鋼筋混凝土受彎、受拉和大偏心受壓構(gòu)件的加固[2]，可知其對(duì)受彎構(gòu)件是比較合適的。而且此方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固，可不采取卸除作用在被加固結(jié)構(gòu)上活荷載的措施，相比傳統(tǒng)加固方法在其適用加固范圍以內(nèi)是具有一定優(yōu)勢(shì)的。

1 預(yù)應(yīng)力碳板加固理念

預(yù)應(yīng)力碳板加固構(gòu)件過(guò)程中，碳板在施加預(yù)應(yīng)力后會(huì)有一個(gè)收縮的力，在碳板和碳板膠與加固構(gòu)件形成整體以后，收縮力會(huì)給加固構(gòu)件一個(gè)偏心軸力。預(yù)應(yīng)力碳板可以在原構(gòu)件不變形的情況下，主動(dòng)參與到整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力體系當(dāng)中，因此可以在不卸載的情況下進(jìn)行加固。碳板本身韌性好，可以使加固構(gòu)件撓度減小、原有裂縫寬度收縮并且預(yù)防新的裂縫產(chǎn)生[3]。文章結(jié)合實(shí)際工程對(duì)此加固方法進(jìn)行介紹。

2 工程案例

2.1 工程基本情況

某學(xué)校新建禮堂，采用單層框架結(jié)構(gòu)，層高9 m，局部在4.5 m高度處有夾層（禮堂工作平臺(tái)用）。結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下:框架柱混凝土等級(jí)采用C35，梁板混凝土強(qiáng)度采用C30，各構(gòu)件縱筋以及箍筋均為HRB400。設(shè)計(jì)荷載取值如下:屋面附加恒載（保溫隔熱層等自重）取3.5 kN/m2，屋面活荷載取0.5 kN/m2，屋面層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 屋面層結(jié)構(gòu)布置圖

由于N×5~11、P×5~11及R×5~11軸屋面梁跨度達(dá)24 m，且未使用預(yù)應(yīng)力。為了解此大跨度梁的承載性能是否能滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)施工完畢后，業(yè)主委托檢測(cè)公司對(duì)該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位加載試驗(yàn)。

2.2 靜載試驗(yàn)介紹及試驗(yàn)結(jié)果

1）靜載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)主要依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料及《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）。本工程選擇使用狀態(tài)試驗(yàn)以及承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)中主要測(cè)試構(gòu)件的變形及裂縫[4]。

2）確定加載荷載。根據(jù)使用狀態(tài)以及承載力各設(shè)計(jì)要求，加載值分別按如下公式計(jì)算:

①使用狀態(tài):準(zhǔn)永久組合設(shè)計(jì)值=恒載＋可變荷載×可變荷載的準(zhǔn)永久系數(shù)；

②承載能力狀態(tài):取max{1.2×恒載＋1.4×活載，1.35×恒載＋1.4×0.9×活載}。

根據(jù)設(shè)計(jì)荷載取值，本工程兩種試驗(yàn)荷載加載值主要考慮板上均布荷載，具體值見(jiàn)表1。

表1 使用狀態(tài)以及承載能力試驗(yàn)加載值

比較兩種試驗(yàn)狀態(tài)的最大加載限值，最大加載值取承載力設(shè)計(jì)值中的大值，圖1中陰影區(qū)為加載范圍。

3）終止加載條件。根據(jù)規(guī)范要求，加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下列現(xiàn)象時(shí)應(yīng)立即停止加載，分析原因后如認(rèn)為需繼續(xù)加載，宜增加荷載分級(jí)，并應(yīng)采取相應(yīng)的安全措施:①控制測(cè)點(diǎn)的變形、裂縫、應(yīng)變等已達(dá)到或超過(guò)理論控制值；②結(jié)構(gòu)的裂縫、變形急劇發(fā)展；③出現(xiàn)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）中標(biāo)7.3.3所列的承載力標(biāo)志；④發(fā)生其他形式的意外試驗(yàn)現(xiàn)象。

4）試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)加載采用水壓均布加載進(jìn)行，加載方式按規(guī)范分級(jí)加載。試驗(yàn)過(guò)程中主要對(duì)擾度以及裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，特定值下試驗(yàn)梁的擾度以及裂縫主要監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 加固前梁現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論如下:試驗(yàn)梁在荷載未達(dá)到預(yù)定荷載時(shí)，裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到使用狀態(tài)的檢驗(yàn)指標(biāo)，依據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定可知三根試驗(yàn)梁均不滿足正常使用狀態(tài)，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 加固設(shè)計(jì)與施工

1）加固設(shè)計(jì)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，三根大跨度梁均需進(jìn)行加固。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算，梁彎矩以及剪力在恒載以及活荷載作用下彎矩以及剪力標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表3及表4。

表3 恒載以及活載下梁彎矩標(biāo)準(zhǔn)值（kN·m）

表4 恒載以及活載下梁剪力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

比較分析可知，恒載作用下內(nèi)力值占比很大。由于主要荷載（構(gòu)件自重）已加載完畢，僅活荷載以及建筑面層作用為作用于結(jié)構(gòu)主體。綜合比較現(xiàn)場(chǎng)情況以及施工情況后采用預(yù)應(yīng)力碳板對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行加固。

經(jīng)詳細(xì)計(jì)算后，預(yù)應(yīng)力碳板最終主要設(shè)計(jì)信息如下:①加固材料為高強(qiáng)度I級(jí)碳纖維板，碳板寬度50 mm，厚度4.0 mm；②預(yù)應(yīng)力碳板張拉控制應(yīng)力為1 150 MPa，即單條張拉力為230 kN，張拉控制應(yīng)變?yōu)?.9‰，張拉采用應(yīng)力和應(yīng)變雙控，且偏差需不大于6%，各加固梁具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 加固梁設(shè)計(jì)參數(shù)

2）加固施工。根據(jù)預(yù)應(yīng)力碳板加固特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求，主要施工步驟:搭設(shè)腳手架→清理障礙物→放線、驗(yàn)線→清理粘貼預(yù)應(yīng)力碳板混凝土結(jié)構(gòu)面→混凝土結(jié)構(gòu)面找平→種植安裝錨栓→安裝預(yù)應(yīng)力碳板的固定端支座和張拉端支座→粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板并進(jìn)行張拉→檢驗(yàn)→表面防護(hù)→報(bào)驗(yàn)。

施工注意要點(diǎn):①加固前必須先對(duì)構(gòu)件裂縫及缺陷進(jìn)行修復(fù)；②結(jié)構(gòu)面須找平并清理干凈無(wú)粉塵；構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)采用環(huán)氧膠修復(fù)至表面平整。加固前采用丙酮或工業(yè)酒精等有機(jī)溶劑清洗混凝土表面，確保混凝土表面平整無(wú)粉塵；③碳纖維復(fù)合板材粘貼面使用前應(yīng)使用丙酮擦拭干凈，否則粘貼表面殘留的油污易影響膠粘劑與碳纖維復(fù)合板材之間黏結(jié)力。

2.4 加固后靜載試驗(yàn)

加固施工完成后，為檢驗(yàn)加固施工質(zhì)量并查驗(yàn)加固后梁承載能力，檢測(cè)單位對(duì)試驗(yàn)梁按加固前試驗(yàn)重新對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行加載試驗(yàn)。靜載試驗(yàn)內(nèi)容、加載取值以及測(cè)試內(nèi)容同加固前靜載試驗(yàn)，最終結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 加固后梁現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值

依據(jù) 《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）及 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010），使用狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果以及承載力狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

可見(jiàn)采用預(yù)應(yīng)力碳板對(duì)梁進(jìn)行加固是成功的，采用預(yù)應(yīng)力碳板不僅提高了構(gòu)件承載力，而且貴構(gòu)件剛度也有一定的提高[5]。

3 結(jié)論及建議

通過(guò)大跨度梁加固后靜載試驗(yàn)結(jié)果可以知道，預(yù)應(yīng)力碳板加固梁效果良好，能有效提高構(gòu)件的承載能力，提高構(gòu)件剛度，延緩裂縫的出現(xiàn)。該加固工藝操作簡(jiǎn)單，安全可靠，值得大范圍推廣應(yīng)用。