CFRP在中小學校舍抗震加固中的應用

趙光樺 楊 勝

1 概述

汶川地震以后,國務院啟動全國中小學校舍安全工程,對全國范圍內的中小學校舍進行房屋質量排查鑒定。鑒定結果顯示全國中小學校舍中有8億多平方米達不到安全標準需要進行抗震加固處理,抗震加固任務異常艱巨。目前混凝土結構加固方法有多種,常用的有加大截面加固法、外包鋼加固法和粘鋼加固法等。采用外貼碳纖維(CFRP)對混凝土結構進行加固是最近幾年發展起來的一種結構加固修復技術,已經得到較為廣泛的應用,并已產生較大的經濟效益。在混凝土結構的加固中,CFRP主要是分擔鋼筋的受力,提高結構構件的抗拉強度和抗變形能力,減少裂縫的開展。在工程結構加固改造中采用外貼CFRP加固與傳統加固修補方法即鋼筋水泥砂漿加固法相比具有強度高、施工工效高、沒有濕作業、基本不增加結構自重和尺寸以及對原有結構損傷小等優點。本文以某中小學校舍抗震加固為例,針對中小學校舍結構的特點,綜合考慮了各方面因素選用外貼CFRP的加固方式,在總結以往研究成果的基礎上提出了相關設計建議,供實際加固改造工程的應用提供參考。

2 工程實例

該校舍位于浙江省某市,于1999年9月竣工并投入使用。房屋建筑平面大體呈矩形,總長34.8 m,總寬14.4 m。主體結構形式為框架結構,地上4層,總建筑面積約為1 985 m2。各層層高為3.5 m,總高為14.6 m。該綜合樓為現澆鋼筋混凝土框架結構體系,采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎。梁、柱混凝土設計強度等級為C25。砌體均采用MU10頁巖磚,M7.5混合砂漿砌筑。

根據現場的排查鑒定和設計院出具的原設計圖紙,對全校舍各層進行全面檢測,發現該校舍主體結構基本完好,周邊地基土的不均勻沉降對該校舍主體產生輕微的傾斜,但不影響結構主體使用安全。各樓層內墻部分有細微斜裂縫,外墻面磚無脫落,梁、柱、樓板等構件的幾何尺寸、混凝土保護層厚度、鋼筋位置和數量等滿足原設計要求,結構設計符合當時規范要求。通過采用回彈儀測定梁、柱的混凝土強度,發現該校舍底層梁和柱的混凝土強度等級僅為C20,不滿足原設計C25的要求,存在巨大的抗震安全隱患,其余各層混凝土強度等級滿足要求。磚和砂漿強度等級經測定也符合原設計要求。通過計算復核,該校舍的底層梁和柱抗震承載力未達到設計要求,需進行抗震加固處理。

3 結構承載力復核

3.1 加固實例

根據現場檢測結果和原設計院出具的該校舍梁、柱等各構件的配筋情況,針對單一構件,對底層梁、柱進行承載力計算復核。以底層梁A-B/3為例,原設計尺寸為250 mm×750 mm,通長的梁上部配筋為2Φ22;梁底配筋 6Φ22 2/4,梁端配筋 5Φ22 3/2,箍筋為φ8@100/200(2),混凝土強度等級為C25,而實測的混凝土強度等級為C20。

3.2 計算結果分析

經過計算復核,底層梁A-B/3的跨中抗彎承載力 M設計=446.3 k N?m;梁端的抗剪承載力 V設計=347.7 k N,V實際=326.5 k N。由于實測混凝土強度等級為C20,梁的跨中抗彎承載力未達到設計要求;同時梁端的抗剪承載力設計值大于現在梁所能承受的實際值,存在安全隱患,需進行抗震加固處理。

4 加固設計

4.1 梁的加固設計

以該校舍底層梁A-B/3為例,針對該梁的抗彎、抗剪承載能力不足,初步采用沿梁底通長外貼CFRP來增加梁抗彎承載能力,并在梁端采用外貼U形CFRP以加強梁的抗剪能力,同時 U形CFRP還能起到錨固梁底通長CFRP的作用。經計算梁底所需CFRP面積 Afe=7.53 mm2,故選取CFRP寬 200 mm,其計算面積Afe=22.2 mm2＞7.53 mm2,滿足梁抗彎承載力要求。在梁兩端各外貼寬 150 mm、高 750 mm、凈間距300 mm的 U形 CFRP一層,共貼4條 U形CFRP。此時 U形CFRP承受的剪力 Vbf=40.6 k N,故 Vjg=326.5+40.6=367.1 kN＞347.7 k N,滿足抗剪承載力要求。其余底層梁加固方式與該梁類似。通過采用此種CFRP加固方式,梁的抗震能力和延性同時得到大幅加強。梁加固詳圖見圖1。

4.2 柱的加固設計

該校舍的豎向承重構件為框架柱,根據承載力計算復核結果,對承載力不滿足要求的底層柱采取外貼CFRP進行加固。采用繞

文章編號:1009-6825(2010)20-0070-03柱外貼一層CFRP的加固處理方法,在搭接處的搭接長度不應小于100 mm。經檢測,加固前底層柱的混凝土強度為 fc=10.7 MPa;通過CFRP加固后,柱的抗壓強度為 fc=10.7+3.69=14.39 MPa＞11.9 MPa,滿足原設計要求。此加固方案與增大柱截面法等常規加固方法相比,在基本不增大柱截面,也不破壞原教學空間的情況下能夠顯著提高構件承載能力,同時增強柱的抗震耗能能力和延性。加固詳圖見圖2。

5 施工工藝

CFRP施工的一般工藝流程為混凝土表面處理,涂底膠,找平,粘貼CFRP,CFRP表面處理。

1)將梁、柱混凝土表面出現剝落、空鼓等現象的部位予以鑿除,在轉角處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀,同時保持混凝土表面干燥。2)底涂作業施工表面必須干燥,環境濕度大于80%,底涂主劑、硬化劑依比例均勻調和,待膠固化后再進行下一工序施工,固化時間一般由產品性能決定。3)對混凝土表面凹陷部位用修補劑填補平整,在找平材料表面指觸干燥后立即進行下一步工序施工。4)依計劃位置由上而下,由左而右粘貼碳纖維布。按工藝配制樹脂并均勻涂于碳纖維布上,用專用滾筒順纖維方向滾壓以排除氣泡。5)確保CFRP表面已充分風干結合,再進行表面必要之美化裝飾。

6 結語

1)在加固設計時,應充分考慮到CFRP與梁柱等構件之間的相互粘結,防止CFRP與混凝土梁發生剝離破壞,使其共同協調受力。2)通過采用外貼CFRP加固梁柱構件,可以有效提高梁的抗彎抗剪性能和柱的抗震耗能能力和延性。3)在對梁、柱等構件進行外貼CFRP時,應打磨構件的棱角,防止CFRP在棱角處發生應力集中。4)在中小學教學樓加固中使用外貼CFRP的加固方法可以有效的節約原有空間,并不會對中小學生產生身體上的意外傷害。

[1] 劉 水,溫 欣.CFRP加固補強技術在實際工程中的具體應用[J].山西建筑,2009,35(10):57-58.

[2] CECS 146∶2003,碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[S].

[3] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[4] GB 50367-2006,混凝土結構加固設計規范[S].