摘 要:与具体工程相结合,阐述了碳纤维布在加固钢筋混凝土中的应用,介绍了碳纤维布和配套胶的主要性能指标,探讨了碳纤维布在加固工程中的计算方法和施工工艺,从而为设计施工人员提供参考。
关键词:碳纤维布,混凝土结构,加固技术
中图分类号: TU746. 3 文献标识码:A
碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术,它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面,以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于20 世纪80 年代美、日等发达国家,我国起步很晚,近年来发展十分迅速,在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。
采用碳纤维布加固具有以下5 个优点:
1) 抗拉强度高,是普通钢材的10 倍;
2) 加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性;
3) 自重轻(约200 g/ m2) ,密度只有普通钢材的1/ 4 ;基本不增加结构自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,适用范围广,适合任何形状;
4) 施工简便(不需大型施工机构及周转材料) ,没有湿作业,易于操作,经济性好;
5) 适用范围广,施工工期短。
1 工程概况
大同煤矿集团大友宾馆,建造于80 年代初,主体5 层,局部6层,设置水箱间,砖混结构。原设计水箱间放置两个钢水箱,5 t和10 t 水箱各一个,根据使用要求,将原10 t 水箱改为20 t 水箱。
由于水箱改变导致荷载增大,原6 层水箱间楼板梁不能满足设计要求,需要加固。
经过方案论证、现场施工条件和经济技术可行性比较,采用碳纤维布对混凝土梁进行加固是最佳的方案。
2 材料特性
1) 本工程使用的碳纤维布,其主要性能指标见表1 。
2) 粘贴用树脂采用国产J GN 型建筑结构胶,其主要性能指标见表2 。
3 加固设计
3. 1 基本假定
1) 构件达到受弯承载力极限状态时,碳纤维片材的拉应变εcf按截面应变保持平面的假定确定,但不应超过碳纤维片材的容许拉应变[εcf ] ;
2) 当考虑二次受力影响时,应根据加固时的荷载状况,按截面应变保持平面的假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变εi ;
3) 碳纤维片材的拉应力σcf 应取碳纤维片材弹性模量Ecf 与其拉应变εcf 的乘积Ecf εcf ;
4) 在达到受弯承载力极限状态前,碳纤维片材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。
3. 2 加固设计
根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS 146∶2003) 的规定,采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固梁上的活荷载基本卸除,故不考虑二次受力的影响。加固梁资料: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 ,
双肢Φ8 @150 箍筋, f yv = 210 N/ mm2 ,按
原设计计算梁跨中截面最大受弯承载力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。
由于荷载增大,梁跨中设计弯矩为: M = 365 kN·m。
本设计采取在梁底粘贴250 mm 宽碳纤维布3 层( Acf = 3 ×0. 111 ×250 = 83. 3 mm2) ,按规程公式计算。
碳纤维片材厚度折减系数: 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。
界限相对高度:ξcf b = 0. 8 ×εcu/ (εcu + [εcf ]) = 0. 8 ×0. 003 3/(0. 003 3 + 0. 01) = 0. 198 5。
混凝土受压区高度x = 76. 7 mm;ξcf bh =0. 198 5×600 =119. 1>x=76. 7mm。
根据规范公式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。
由计算结果可知经过碳纤维加固,此梁的最大弯矩设计值比原来提高了20. 8 %。
3. 3 构造做法
为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,沿梁全长粘贴100 mm 宽双层U 型箍, U 型箍间距为100 mm ,U 型箍粘贴高度取构件截面高度。待U 型箍粘贴完后,在梁上端两侧粘贴纵向碳纤维片材压条,压条宽100 mm。
值得注意的是使用碳纤维布进行加固时,具体粘贴层数要通过计算确定,考虑到碳纤维布多层粘贴时受施工现场影响的因素较大,各层的共同工作系数、抗疲劳的能力和避免脆性破坏,一般不宜超过3 层。另外,从受力性能角度而言,单层优于多层,窄幅优于宽幅;必要时纵向可以搭接,搭接长度不能少于100 mm ,而且要保证碳纤维端部有可靠的锚固,除计算要求外,还应有必要的构造措施。
4 施工工艺
一般工艺流程为卸荷→基底处理→涂底胶→找平→粘贴→保护。
基本施工步骤有以下几个方面。
4. 1 基底处理
1) 混凝土表面出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,对于较大面积的劣质层在凿除后应用聚合水泥砂浆进行修复。
2) 混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,构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, 转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状( R ≥20 mm) 。
3) 风机将混凝土表面清理干净,并保持干燥。
4. 2 涂底胶
1) 按配合比主剂∶固化剂= 3∶1 配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中,用弹簧秤计量,电动搅拌器均匀搅拌。根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间,一般情况下20 min～50 min 内用完。
2) 将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准) 再进行下一道工序施工。一般固化时间为6 h～24 h。
4. 3 找平
1) 混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平,模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补,尽量减小高度差。2) 转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧,半径不小于20 mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。
4. 4 粘贴
1) 按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。
2) 调配、搅拌粘贴材料粘结剂(使用方法与底胶相同) ,然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象,特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。
3) 粘贴碳纤维布,在确定所粘贴部位无误后,用特制工具反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使粘结胶充分浸透碳纤维布,并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀。多层粘贴应重复上述步骤,待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。
4) 在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压,并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀。
5) 碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100 mm。
4. 5 保护
加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。
5 施工效果
本工程对L421 ,L422 ,L4212 梁进行了加固,从2005 年6 月开始设计到竣工投入使用只有不到1 个月的时间,采用碳纤维加固的方式施工,从准备到竣工只用了8 d ,没有出现任何质量问题,施工效果良好,得到了设计单位、监理单位、业主的好评。因此,粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋混凝土结构行之有效的方法,值得推广应用。
参考文献:
[1 ]CECS 146∶2003 ,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[ S] .
[2 ] GB 5001022002 ,混凝土结构设计规范[ S] .
