摘 要:與具體工程相結(jié)合,闡述了碳纖維布在加固鋼筋混凝土中的應(yīng)用,介紹了碳纖維布和配套膠的主要性能指標(biāo),探討了碳纖維布在加固工程中的計(jì)算方法和施工工藝,從而為設(shè)計(jì)施工人員提供參考。
關(guān)鍵詞:碳纖維布,混凝土結(jié)構(gòu),加固技術(shù)
中圖分類號(hào): TU746. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù),它是利用樹(shù)脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面,以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于20 世紀(jì)80 年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)起步很晚,近年來(lái)發(fā)展十分迅速,在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
采用碳纖維布加固具有以下5 個(gè)優(yōu)點(diǎn):
1) 抗拉強(qiáng)度高,是普通鋼材的10 倍;
2) 加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性;
3) 自重輕(約200 g/ m2) ,密度只有普通鋼材的1/ 4 ;基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,適用范圍廣,適合任何形狀;
4) 施工簡(jiǎn)便(不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料) ,沒(méi)有濕作業(yè),易于操作,經(jīng)濟(jì)性好;
5) 適用范圍廣,施工工期短。
1 工程概況
大同煤礦集團(tuán)大友賓館,建造于80 年代初,主體5 層,局部6層,設(shè)置水箱間,磚混結(jié)構(gòu)。原設(shè)計(jì)水箱間放置兩個(gè)鋼水箱,5 t和10 t 水箱各一個(gè),根據(jù)使用要求,將原10 t 水箱改為20 t 水箱。
由于水箱改變導(dǎo)致荷載增大,原6 層水箱間樓板梁不能滿足設(shè)計(jì)要求,需要加固。
經(jīng)過(guò)方案論證、現(xiàn)場(chǎng)施工條件和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較,采用碳纖維布對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固是最佳的方案。
2 材料特性
1) 本工程使用的碳纖維布,其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1 。
2) 粘貼用樹(shù)脂采用國(guó)產(chǎn)J GN 型建筑結(jié)構(gòu)膠,其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2 。
3 加固設(shè)計(jì)
3. 1 基本假定
1) 構(gòu)件達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí),碳纖維片材的拉應(yīng)變εcf按截面應(yīng)變保持平面的假定確定,但不應(yīng)超過(guò)碳纖維片材的容許拉應(yīng)變[εcf ] ;
2) 當(dāng)考慮二次受力影響時(shí),應(yīng)根據(jù)加固時(shí)的荷載狀況,按截面應(yīng)變保持平面的假定計(jì)算加固前受拉區(qū)邊緣混凝土的初始應(yīng)變εi ;
3) 碳纖維片材的拉應(yīng)力σcf 應(yīng)取碳纖維片材彈性模量Ecf 與其拉應(yīng)變εcf 的乘積Ecf εcf ;
4) 在達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前,碳纖維片材與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。
3. 2 加固設(shè)計(jì)
根據(jù)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 146∶2003) 的規(guī)定,采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算。考慮到作用在加固梁上的活荷載基本卸除,故不考慮二次受力的影響。加固梁資料:L4212 , T 型梁截面: b ×h = 250 mm ×600 mm ,hf′= 100 mm , bf′= 800 mm ,C20 混凝土, f c = 9. 6 N/ mm2 , as′=36 mm , as = 42. 5 mm , h0 = 557. 5 mm , a1 = 1 ,
原梁下部配有4<25 ,As = 1 964 mm2 , f y = 300 N/ mm2 ,
上部配有2Φ12 , As’ = 226 mm2 。f y′= 210 N/ mm2 ,
雙肢Φ8 @150 箍筋, f yv = 210 N/ mm2 ,按
原設(shè)計(jì)計(jì)算梁跨中截面最大受彎承載力Mu 。
因: f yAs < a1 f cbf′hf′+ f y′As’ ,x = f yAs/ a1 f cbf′= 300 ×1 964/ 9. 6 ×800 = 76. 7 mm; Mu = a1 f cbf′×( h0 - x/ 2) + f y’As’ ( h0 - as′)= 9. 6 ×800 ×76. 7 ×(557. 5 - 76. 7/ 2) + 210 ×226 ×(557. 5 - 36) = 330. 6 kN·m。
由于荷載增大,梁跨中設(shè)計(jì)彎矩為: M = 365 kN·m。
本設(shè)計(jì)采取在梁底粘貼250 mm 寬碳纖維布3 層( Acf = 3 ×0. 111 ×250 = 83. 3 mm2) ,按規(guī)程公式計(jì)算。
碳纖維片材厚度折減系數(shù): km = 1 - ncf Ecf tcf / 420 000 = 1 - 3 ×2. 35 ×105 ×0. 111/ 420 000 = 0. 814。[εcf ] = kmεcf u = 0. 814 ×0. 017 8 = 0. 014 5 > 2/ 3 ×εcf u >0. 01 ,取[εcf ] = 0. 01。
界限相對(duì)高度:ξcf b = 0. 8 ×εcu/ (εcu + [εcf ]) = 0. 8 ×0. 003 3/(0. 003 3 + 0. 01) = 0. 198 5。
混凝土受壓區(qū)高度x = 76. 7 mm;ξcf bh =0. 198 5×600 =119. 1>x=76. 7mm。
根據(jù)規(guī)范公式4. 3. 224 ,M = f yAs ( h0 - 0. 5ξcf bh) + Ecf [εcf ] Acf h (1 - 0. 5ξcf b)= 300 ×1 964 ×(557. 5 - 0. 5 ×119. 1) + 2. 35 ×105 ×0. 01 ×83. 3 ×600 ×(1 - 0. 5 ×0. 198 5) = 399. 2 kN·m> 365 kN·m。
由計(jì)算結(jié)果可知經(jīng)過(guò)碳纖維加固,此梁的最大彎矩設(shè)計(jì)值比原來(lái)提高了20. 8 %。
3. 3 構(gòu)造做法
為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,沿梁全長(zhǎng)粘貼100 mm 寬雙層U 型箍, U 型箍間距為100 mm ,U 型箍粘貼高度取構(gòu)件截面高度。待U 型箍粘貼完后,在梁上端兩側(cè)粘貼縱向碳纖維片材壓條,壓條寬100 mm。
值得注意的是使用碳纖維布進(jìn)行加固時(shí),具體粘貼層數(shù)要通過(guò)計(jì)算確定,考慮到碳纖維布多層粘貼時(shí)受施工現(xiàn)場(chǎng)影響的因素較大,各層的共同工作系數(shù)、抗疲勞的能力和避免脆性破壞,一般不宜超過(guò)3 層。另外,從受力性能角度而言,單層優(yōu)于多層,窄幅優(yōu)于寬幅;必要時(shí)縱向可以搭接,搭接長(zhǎng)度不能少于100 mm ,而且要保證碳纖維端部有可靠的錨固,除計(jì)算要求外,還應(yīng)有必要的構(gòu)造措施。
4 施工工藝
一般工藝流程為卸荷→基底處理→涂底膠→找平→粘貼→保護(hù)。
基本施工步驟有以下幾個(gè)方面。
4. 1 基底處理
1) 混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除,對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用聚合水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)。
2) 混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì),構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整,尤其是表面的突起部位要磨平, 轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀( R ≥20 mm) 。
3) 風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈,并保持干燥。
4. 2 涂底膠
1) 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,用彈簧秤計(jì)量,電動(dòng)攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間,一般情況下20 min～50 min 內(nèi)用完。
2) 將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定,以指觸干燥為準(zhǔn)) 再進(jìn)行下一道工序施工。一般固化時(shí)間為6 h～24 h。
4. 3 找平
1) 混凝土表面凹陷部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填平,模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填補(bǔ),盡量減小高度差。2) 轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用修補(bǔ)劑修補(bǔ)成光滑的圓弧,半徑不小于20 mm。待修補(bǔ)劑表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一步工序。
4. 4 粘貼
1) 按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。
2) 調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑(使用方法與底膠相同) ,然后均勻涂抹于待粘貼的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴(yán)禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象,特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。
3) 粘貼碳纖維布,在確定所粘貼部位無(wú)誤后,用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓,去除氣泡,并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的粘貼。
4) 在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復(fù)沿纖維方向滾壓,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠,使之均勻。
5) 碳纖維布沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得小于100 mm。
4. 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)。
5 施工效果
本工程對(duì)L421 ,L422 ,L4212 梁進(jìn)行了加固,從2005 年6 月開(kāi)始設(shè)計(jì)到竣工投入使用只有不到1 個(gè)月的時(shí)間,采用碳纖維加固的方式施工,從準(zhǔn)備到竣工只用了8 d ,沒(méi)有出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題,施工效果良好,得到了設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的好評(píng)。因此,粘貼碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)是加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)行之有效的方法,值得推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[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 5001022002 ,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[ S] .
