摘 要:與具體工程相結合,闡述了碳纖維布在加固鋼筋混凝土中的應用,介紹了碳纖維布和配套膠的主要性能指標,探討了碳纖維布在加固工程中的計算方法和施工工藝,從而為設計施工人員提供參考。
關鍵詞:碳纖維布,混凝土結構,加固技術
中圖分類號: TU746. 3 文獻標識碼:A
碳纖維布加固修補結構技術是一種新型的結構加固技術,它是利用樹脂類粘結材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面,以達到對結構及構件加固補強的目的。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于20 世紀80 年代美、日等發達國家,我國起步很晚,近年來發展十分迅速,在航空、航天、汽車、環境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。
采用碳纖維布加固具有以下5 個優點:
1) 抗拉強度高,是普通鋼材的10 倍;
2) 加固后能大大提高結構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 ;基本不增加結構自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,適用范圍廣,適合任何形狀;
4) 施工簡便(不需大型施工機構及周轉材料) ,沒有濕作業,易于操作,經濟性好;
5) 適用范圍廣,施工工期短。
1 工程概況
大同煤礦集團大友賓館,建造于80 年代初,主體5 層,局部6層,設置水箱間,磚混結構。原設計水箱間放置兩個鋼水箱,5 t和10 t 水箱各一個,根據使用要求,將原10 t 水箱改為20 t 水箱。
由于水箱改變導致荷載增大,原6 層水箱間樓板梁不能滿足設計要求,需要加固。
經過方案論證、現場施工條件和經濟技術可行性比較,采用碳纖維布對混凝土梁進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,其主要性能指標見表1 。
2) 粘貼用樹脂采用國產J GN 型建筑結構膠,其主要性能指標見表2 。
3 加固設計
3. 1 基本假定
1) 構件達到受彎承載力極限狀態時,碳纖維片材的拉應變εcf按截面應變保持平面的假定確定,但不應超過碳纖維片材的容許拉應變[εcf ] ;
2) 當考慮二次受力影響時,應根據加固時的荷載狀況,按截面應變保持平面的假定計算加固前受拉區邊緣混凝土的初始應變εi ;
3) 碳纖維片材的拉應力σcf 應取碳纖維片材彈性模量Ecf 與其拉應變εcf 的乘積Ecf εcf ;
4) 在達到受彎承載力極限狀態前,碳纖維片材與混凝土之間不發生粘結剝離破壞。
3. 2 加固設計
根據《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS 146∶2003) 的規定,采用以概率理論為基礎的極限設計法進行計算??紤]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
原設計計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,梁跨中設計彎矩為: M = 365 kN·m。
本設計采取在梁底粘貼250 mm 寬碳纖維布3 層( Acf = 3 ×0. 111 ×250 = 83. 3 mm2) ,按規程公式計算。
碳纖維片材厚度折減系數: 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。
混凝土受壓區高度x = 76. 7 mm;ξcf bh =0. 198 5×600 =119. 1>x=76. 7mm。
根據規范公式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。
由計算結果可知經過碳纖維加固,此梁的最大彎矩設計值比原來提高了20. 8 %。
3. 3 構造做法
為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,沿梁全長粘貼100 mm 寬雙層U 型箍, U 型箍間距為100 mm ,U 型箍粘貼高度取構件截面高度。待U 型箍粘貼完后,在梁上端兩側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行加固時,具體粘貼層數要通過計算確定,考慮到碳纖維布多層粘貼時受施工現場影響的因素較大,各層的共同工作系數、抗疲勞的能力和避免脆性破壞,一般不宜超過3 層。另外,從受力性能角度而言,單層優于多層,窄幅優于寬幅;必要時縱向可以搭接,搭接長度不能少于100 mm ,而且要保證碳纖維端部有可靠的錨固,除計算要求外,還應有必要的構造措施。
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。
基本施工步驟有以下幾個方面。
4. 1 基底處理
1) 混凝土表面出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除,對于較大面積的劣質層在鑿除后應用聚合水泥砂漿進行修復。
2) 混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質,構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, 轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀( R ≥20 mm) 。
3) 風機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,用彈簧秤計量,電動攪拌器均勻攪拌。根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間,一般情況下20 min~50 min 內用完。
2) 將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定,以指觸干燥為準) 再進行下一道工序施工。一般固化時間為6 h~24 h。
4. 3 找平
1) 混凝土表面凹陷部位應用修補劑填平,模板接頭等出現高度差的部位應用修補劑填補,盡量減小高度差。2) 轉角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧,半徑不小于20 mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。
4. 4 粘貼
1) 按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。
2) 調配、攪拌粘貼材料粘結劑(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。嚴禁出現漏刷現象,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誤后,用特制工具反復沿纖維方向滾壓,去除氣泡,并使粘結膠充分浸透碳纖維布,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠,使之均勻。多層粘貼應重復上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。
4) 在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結膠。用工具反復沿纖維方向滾壓,并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠,使之均勻。
5) 碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100 mm。
4. 5 保護
加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。
5 施工效果
本工程對L421 ,L422 ,L4212 梁進行了加固,從2005 年6 月開始設計到竣工投入使用只有不到1 個月的時間,采用碳纖維加固的方式施工,從準備到竣工只用了8 d ,沒有出現任何質量問題,施工效果良好,得到了設計單位、監理單位、業主的好評。因此,粘貼碳纖維復合材料新技術是加固鋼筋混凝土結構行之有效的方法,值得推廣應用。
參考文獻:
[1 ]CECS 146∶2003 ,碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[ S] .
[2 ] GB 5001022002 ,混凝土結構設計規范[ S] .