碳纖維布在混凝土構件加固中的設計及應用

邢銳閌

0 引言

鋼筋混凝土構件出現質量問題之后,除了倒塌斷裂事故必須重新制作外,在許多情況下可采用加固的辦法來處理。碳纖維加固修復混凝土結構技術利用浸漬樹脂,將碳纖維布粘貼于混凝土表面,共同工作,達到對混凝土結構構件加固補強的目的。

目前,施工中常用碳纖維布的各項指標見表1。

表1 碳纖維布物理性能

與之配套的粘結材料有底層樹脂、找平材料以及浸漬樹脂,其各項指標見表2。

表2 粘結材料的物理力學指標

1 加固分析

1.1 受彎加固

為避免碳纖維布被拉斷而發生脆性破壞,可對其允許極限拉伸應變[εcf]進行限制。據《混凝土結構設計規范》對構件塑性變形控制的要求,筆者認為可以取[εcf]=0.01。

1)計算公式。

其中,Acf為受拉面粘貼的碳纖維布截面面積,mm2;fcf為碳纖維布的抗拉設計強度,N/mm2;Mu為構件的正截面受彎承載力計算值,N?mm;M為彎矩設計值,N?mm。

若不滿足假設條件,即 x＜2a′,則 M≤Mu=fcfAcf(h0-a′)+fyAs(h0-a′)。

對于 fcf的值,可取其達到允許極限應變時的應力值,即fcf=Ecf?[ εcf]=Ecf×0.01 。

因在加固前,構件已受力及變形,則加固受彎構件屬二次受力構件。和受彎構件中已配鋼筋相比,碳纖維布應變滯后,若原有構件應力、應變都已經很大,則構件破壞時碳纖維布尚未達到fcf,設計中可取(0.8～1.0)fcf作為極限設計值。

2)計算延伸長度。

碳纖維布的切斷位置距其充分利用截面的距離不小于延伸長度Lcd,且延伸至不需要布截面之外不小于200 mm。一般將布沿梁底全長粘貼,兩端加設U形箍,則可不必計算 Lcd。

3)構造措施。

a.當對梁、板進行加固時,碳纖維布應伸至支座邊緣。

b.當碳纖維布的延伸長度無法滿足上述計算的延伸長度時,應采取附加錨固措施。對梁,在延伸長度范圍內設置碳纖維布U形箍;對板,可以設置垂直于受力碳纖維布方向的壓條。

c.在碳纖維布延伸長度端部和集中荷載作用點兩側,應設置構造碳纖維布U形箍或橫向壓條。

4)例題。

有一框架房屋,其中有一榀框架梁,凈跨6.3 m,截面b×h=400 mm×800 mm,混凝土強度等級為C35,鋼筋Ⅱ級。梁跨中原設計彎矩為 M=355 kN?m,受拉主筋4Φ 22,As=1 520 mm2,受壓鋼筋為 4Φ 20,A′s=1 256 mm2。現房屋用途改變,需承擔彎矩M=470 kN?m。采用型號為FTS-C1-20的碳纖維布加固,求所需碳纖維布的截面面積。

解:假設 x≥2a′,x≤ζbh0時,材料強度取值如下:Ⅱ級鋼筋,fy=300 N/mm2;C35混凝土,fc=16.7 N/mm2;h0=h-a′=800-25=775 mm;FTS-C1-20 碳纖維布,fcf=0.9Ecf?[εcf]=0.9×2.35×105×0.01=2 115 N/mm2。

本題主要闡述碳纖維布加固,故作簡化計算,忽略受壓鋼筋的作用,得:

聯立解式(1),式(2)兩方程,得:x=96 mm,Acf=80.41 mm2,則x＞2a′=50 mm,且 x＜ζbh0=426.25 mm,滿足假設。

配碳纖維布兩層,與梁等寬,則實際面積為2×400×0.111=88.8 mm2。碳纖維布沿梁底全長粘貼,兩端加U形箍(為同一種碳纖維布型號),且對稱布置于梁端,故不再計算延伸錨固長度,示意圖如圖1所示。

1.2 受剪加固

采用碳纖維布受剪加固的主要粘貼方式有:全截面封閉粘貼、U形粘貼和兩側面粘貼,如圖2所示,封閉粘貼的加固效果最好,U形粘貼次之,最后是兩側面粘貼。

1)計算公式。

粘貼碳纖維布加固后鋼筋混凝土構件斜截面受剪承載力可視為由兩部分組成:1)原鋼筋混凝土對抗剪承載力的貢獻 Vrc;2)碳纖維布對抗剪承載力的貢獻 Vcf。其中,Vcf按照《混凝土結構設計規范》規定的方法計算如下:

其中,φ為碳纖維布受剪加固形式系數,對于封閉粘貼,取φ=1.0,對于 U形粘貼,取 φ=0.85,對于兩側面粘貼,取 φ=0.70;εcf,v為達到受剪承載力極限狀態時碳纖維布的應變;α為碳纖維布纖維方向與構件軸向的夾角;ncf為粘貼層數;wcf為條帶寬度;scf為條帶凈間距;tcf為單層布厚度;hcf為側面粘貼高度;λ為剪跨比;n為柱的軸壓比,n=N/(fcA)。

2)構造措施。

a.對于梁,U形粘貼和兩側面粘貼的粘貼高度 hcf應粘貼至板底。b.對于U形粘貼,應在上端粘貼縱向碳纖維布壓條;對于兩側面粘貼,應在上、下端粘貼縱向碳纖維布壓條,如圖3所示。

2 施工技術

一般工藝流程:卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護。

基本施工步驟:施工前須卸載荷。

1)基底處理。混凝土表層出現劣化現象的部位應予以鑿除,并除去混凝土表面浮漿、油污等雜質,將構件基面的混凝土打磨平整,轉角粘貼處進行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20 mm)。2)涂底膠。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,均勻攪拌,一般情況下20 min～50 min內使用完。將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后進行下一工序施工。3)找平。混凝土表面凹陷部位用修補劑填平,減小高度差,轉角處用修補劑修補成光滑圓弧。4)粘貼。調配、攪拌粘貼材料粘結劑,均勻涂抹于待粘貼部位。粘貼碳纖維布,用特制工具反復沿纖維方向滾壓,去除氣泡,使粘結膠充分浸透碳纖維布,并刮涂布表面粘結膠,使之均勻。多層粘貼重復上述步驟,待布表面指觸干燥后方可進行下一層粘貼。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。6)質量要求。每一道工序結束后均按工藝要求檢查,并做好驗收記錄,如有質量問題,立即返工。施工結束后的現場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主,用小錘等工具輕敲布表面,以回音判斷粘結效果。如出現空鼓等現象,應用針管注粘結膠的方法進行補救。嚴格控制施工現場溫度和濕度。施工溫度在5℃～35℃范圍內,相對濕度不大于70%。

3 結語

本文在綜合分析前人研究以及實際工作經驗的基礎上,系統闡述了碳纖維布加固的設計及施工,并且針對性的提出了加固的措施,同時結合具體工程實際進行了分析驗證,為碳纖維布在工程加固實際應用中提供經驗,然而要對該加固技術有比較客觀、正確的認識,還有待于進一步的試驗研究。

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

[2] GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[3] CECS 78∶96,磚混結構房屋加固技術規范[S].