摘 要:通過工程實例，對混凝土柱施工中常見的質(zhì)量事故運用碳纖維技術(shù)進(jìn)行加固處理的方法進(jìn)行了研究和探討。
關(guān)鍵詞:混凝土柱；質(zhì)量事故；碳纖維加固技術(shù)
中圖分類號: TU746.3; TU599 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1007-9815（2008）01-0028-03
前 言
混凝土柱施工過程中經(jīng)常會發(fā)生局部蜂窩狀缺陷、混凝土強(qiáng)度不足、柱內(nèi)縱向鋼筋強(qiáng)度不足或縱向鋼筋的焊接接頭強(qiáng)度不足等質(zhì)量事故。碳纖維加固技術(shù)一開始僅在梁、板等受彎構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)方面得到應(yīng)用，近幾年來，隨著這門技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，在混凝土柱常見質(zhì)量事故的加固補(bǔ)強(qiáng)方面也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。結(jié)合近兩年來實際工作中遇到的混凝土柱施工質(zhì)量事故并進(jìn)行歸類，運用碳纖維加固技術(shù)對該類質(zhì)量事故處理進(jìn)行了研究和探討。
1 對柱局部蜂窩狀缺陷的加固修復(fù)
混凝土柱在施工過程中因漏振或振搗不到位以及模板不密實漏漿等原因，造成柱身出現(xiàn)局部蜂窩狀缺陷。以往的處理方法是把缺陷混凝土剔除，然后用高一標(biāo)號的混凝土灌實。這種處理方法僅僅是把缺陷混凝土用高一標(biāo)號的混凝土置換，要想取得好的加固效果，必須把柱頂承受的樓面結(jié)構(gòu)荷載全部卸除，并且新老混凝土界面處理必須符合加固規(guī)范相應(yīng)的要求。由于施工現(xiàn)場條件和操作工人水平的限制，往往很難做到位。實際工程中，一般要求盡可能全部剔除缺陷混凝土，使舊混凝土露出堅實的結(jié)構(gòu)層，表面粗糙化后沖洗干凈，在后灌的混凝土中摻入微膨脹劑。在后灌的混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，根據(jù)柱的長細(xì)比大小，在缺陷混凝土以及上下一定高度區(qū)域內(nèi)做2～3 層碳纖維片材的環(huán)向圍束，以進(jìn)一步增強(qiáng)新老混凝土的整體性。詳見圖1。
2 對柱混凝土強(qiáng)度不足的加固修復(fù)
混凝土強(qiáng)度不足的情況在柱施工過程中經(jīng)常會發(fā)生。對于受荷相對較小、混凝土實際強(qiáng)度比設(shè)計值下降不大、長細(xì)比1/d<14 的混凝土柱，采用碳纖維片材環(huán)向圍束法進(jìn)行加固，具有不增加加固柱的截面尺寸、工期短、影響小和綜合造價較低的優(yōu)點。下面以一個工程實例來說明碳纖維片材環(huán)向圍束法加固混凝土柱的計算過程。
2.1 工程概況
某住宅小區(qū)57#房結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。4 層帶閣樓。建筑總高度18.55 m，建筑面積約5 000 m2，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)。該住宅樓在主體結(jié)構(gòu)封頂后，發(fā)現(xiàn)閣樓層部分框架柱的混凝土存在質(zhì)量問題，經(jīng)有關(guān)檢測單位現(xiàn)場回彈檢測，有3 根柱的混凝土強(qiáng)度達(dá)不到原設(shè)計C25 的要求，必須進(jìn)行加固處理以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。具體檢測結(jié)果詳見表1。
2.2 碳纖維片材環(huán)向圍束法的加固計算
本住宅樓閣樓層柱高3 200 mm，截面為300×300 mm，軸心受壓，所以長細(xì)比1/d<14、截面高寬比h/b<1.5、截面高度h<600 mm，滿足《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2006）關(guān)于采用環(huán)向圍束加固軸心受壓構(gòu)件的適用條件。根據(jù)規(guī)范的構(gòu)造要求，環(huán)向圍束加固軸心受壓構(gòu)件至少需粘貼3 層碳纖維片材，且需沿全長無間隔地環(huán)向連續(xù)粘貼。
計算公式為：N = 0.9(fc0 + 4 σ1)Acor；σ1 = 0.5 ×βc kc ρf Ef εfe。
式中：N 為軸向壓力設(shè)計值；fc0 為原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；Acor 為環(huán)向圍束內(nèi)混凝土面積；b 為正方形截面邊長；r為截面棱角的圓化半徑；βc 混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，混凝土強(qiáng)度等級不大于C50時，βc =1.0；kc為環(huán)向圍束的有效約束系數(shù)；ρf 為環(huán)向圍束體積比；εfe 為碳纖維片材的有效拉應(yīng)變設(shè)計值；取εfe=0.004 5；ρs 為柱中縱向鋼筋的配筋率。本工程的具體計算過程如下：
Acor = bh - (4 - π) r2 = 89 462.5
kc = 1-[(b-2r)2 + (h-2r)2/3Acor (1- ρs )] = 0.53ρf= 2nf tf (b+h)/ Acor = 0.006 72
σ1 = 0.5 ×βc kc ρf Ef εfe =1.917 54
N = 0.9 ×(7.2+1.917 54 × 4)× 89 462.5=1 197.29 kN
原設(shè)計混凝土柱軸向壓力設(shè)計值N = 11.9 ×300 × 300 = 1 071 kN，已小于加固后混凝土柱碳纖維布片材向圍束法軸向壓力設(shè)計值。2.3 碳纖維片材環(huán)向圍束法加固混凝土柱的構(gòu)造和施工要點
碳纖維片材環(huán)向圍束上下層之間的搭接寬度不應(yīng)<50 mm，環(huán)向截斷點的延伸長度不應(yīng)<200 mm，并且各碳纖維片材條帶搭接位置應(yīng)相互錯開。混凝土柱加固施工前，必須盡可能地對柱頂荷載進(jìn)行卸載；矩形截面柱的棱角應(yīng)打磨加以圓弧，圓弧半徑不應(yīng)<25 mm。柱的加固示意詳見圖2。
3 對柱內(nèi)鋼筋焊接接頭強(qiáng)度不足的加固修復(fù)
鋼筋混凝土柱的主筋往往直徑較大，目前很
多設(shè)計都采用HRB400鋼筋（新三級鋼），但施工中鋼筋的連接很多還采用閃光對焊工藝。由于施工單位操作工人對大直徑HRB400鋼筋的閃光對焊技術(shù)掌握不到位，經(jīng)常出現(xiàn)鋼筋焊接檢測不合格的現(xiàn)象。許多工程的工期很急，當(dāng)檢測結(jié)果出來時，這批鋼筋已經(jīng)用在工程中了，很多情況還是在受力較大的底層柱。下面以一個工程實例來說明用碳纖維片材加固修復(fù)此類施工質(zhì)量事故的計算過程。
3.1 工程概況
某車間結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。共4 層，建筑總高度17.80 m，建筑面積約15 000m2，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)。底層柱主筋為HRB400 鋼筋，直徑25 mm。施工中鋼筋的連接采用閃光對焊。由于該工程為外資項目，工期緊，施工單位的進(jìn)度趕得也很快。當(dāng)施工到二層樓面結(jié)構(gòu)時，柱鋼筋焊接檢測結(jié)果出來，表明力學(xué)性能不符合JGJ18-2003 規(guī)定的技術(shù)要求。部分檢測結(jié)果詳見表2。
3.2 碳纖維片材加固修復(fù)計算
根據(jù)施工和監(jiān)理單位的記錄，柱主筋的閃光對焊位置在承臺面向上1.8 m 處，施工時采用了錯
開放置的方法即一根鋼筋是通長的相鄰的才焊接的，具體情況詳見圖3。
直徑25 mm的HRB400鋼筋設(shè)計要求的焊接頭的抗拉強(qiáng)度為570 MPa，實際的抗拉強(qiáng)度取500MPa，每一柱側(cè)共兩根，則鋼筋的缺損量為：Ass =(1-500/570)× 0.785 × 25 × 25 × 2 = 120.5 mm2采用簡化的等面積替換法計算，取碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1 600 MPa，厚度0.111，寬度100 mm，兩層4 條，綜合系數(shù)0.75，則等效的鋼筋面積為：Ads = 4 × 0.75 × 1 600/360 × 0.111 × 100 = 148mm2。大于鋼筋的缺損量120.5 mm2。碳纖維片材粘貼延伸長度的計算：
lc = (ψl × ff × Af)/(ft.v × bf)+200= (1.45×1 600×0.111×100×2)/(0.4×1.71)+200= 953 mm，取1 000 mm。
式中：ψl 為修正系數(shù)，重要構(gòu)件取1.45，ft.v 為纖維與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值，一般取0.40ft，ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。加固示意詳見圖4。
4 結(jié)語
近幾年來，碳纖維片材加固修復(fù)技術(shù)從加固受彎構(gòu)件發(fā)展到受壓構(gòu)件，特別是《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2006）對碳纖維片材加固受壓構(gòu)件也有了一定的闡述和規(guī)定，但必須知道這門加固技術(shù)應(yīng)用在受壓構(gòu)件也是有一定條件和適用范圍的。從上述的工程實例可以看出，當(dāng)受壓構(gòu)件缺損較輕、強(qiáng)度降低幅度較小、構(gòu)件長細(xì)比不大等情況下采用碳纖維片材加固技術(shù)，具有工期短、影響小和綜合造價底的優(yōu)點，工程實踐中應(yīng)該優(yōu)先考慮采用。
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