碳纖維布在砌體結構墻體加固中的應用研究

呂志明 高興勝

據統計,目前我國已建現有建筑中絕大多數為磚混結構形式的建筑,現存珍貴文物保護建筑或構筑物大多數是砌體結構。隨著我國經濟的不斷發展,結構的設計標準、抗震標準也在不斷提高,許多已有建筑已不適應現行的安全標準。歷次震害表明,許多無筋磚房遭到了嚴重破壞甚至倒塌,損傷慘重。甚至一些新建筑也存在安全隱患,但實際情況并不允許將其全部推倒重建,而只能采取適當的措施,對其進行補強與加固處理,使這些建筑仍能滿足人們對建筑安全性、適用性和耐久性的要求。同時,由于我國多數地區都處于地震區,因此在新建建筑不斷增加的同時,對現有建筑的維護和補強加固也引起了工程界的廣泛重視[1]。

1 常見的砌體破壞形式

1.1 多層磚房墻體的破壞主要是剪切破壞

在水平地震力作用下,砌體結構中的墻體往往產生斜裂縫或交叉斜裂縫,從而造成結構的破壞,產生這種裂縫的原因是墻體的抗剪強度不足。從調查的資料來看,裂縫形式呈斜向或交叉的“X”形裂縫,當墻體的高寬比比較小時,墻體中段出現水平開裂,見圖1。

1.2 砌體結構的修復或加固[1]

砌體結構在下列情況下進行修復或加固:1)由于地基不均勻沉降墻體產生裂縫;2)由于屋面熱脹冷縮,墻體產生溫度裂縫;3)砌體墻、柱局部承載力不足;4)由于房屋改建加層而使原砌體房屋承載力不足;5)在地震設防區經抗震鑒定,房屋抗震驗算或房屋抗震構造措施不滿足要求;6)地震發生房屋受損。

2 墻體加固

目前,工程上對墻體抗震加固的方法主要有:1)內設構造柱與圈梁抗震加固方法;2)外加構造柱與鋼拉桿抗震加固方法;3)墻體內配筋抗震加固方法;4)預應力磚墻抗震加固方法;5)外貼面層抗震加固方法;6)無粘結外包型鋼加固法;7)灌漿法和噴射修補法。

3 碳纖維布加固技術

碳纖維布(Carbon Fiber Sheet,簡稱CFS)結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面,使兩者共同工作,提高構件承載能力,由此達到對建筑物進行加固補強的目的。碳纖維布加固技術是纖維增強塑料應用技術中一種使用較普遍、性能較好的結構外部加固新技術。

粘貼纖維材料加固技術的主要特點有[2]:

1)高強高效。纖維材料物理力學性能優異,在加固修補結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高結構的承載力,改善其受力性能,達到高強高效的目的。2)施工工序簡單。可用小型電動工具操作,可在傳統技術無法施工的有限作業空間內施工。工期短,更能在持續交通的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停運的時間。3)根據受力分析可以進行多層粘貼,其方向也可以靈活掌握,可裁剪,易于操作。4)耐腐蝕性能及耐久性能好。纖維材料多具有優異的化學穩定性,使經過補強和維修的結構具有抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后以有效防火。可以大大增強結構對惡劣外部環境的適應能力,延長結構壽命。5)耐疲勞性能好。6)適用面廣。纖維材料加固修補結構可以廣泛應用于各種結構類型、各種結構形狀、各種結構部位的加固修補,而且不改變結構形狀及不影響結構的外觀。尤其對一些大型土木工程等,采用傳統的加固手段幾乎無法實現,而采用纖維材料加固技術都能很好地解決。7)纖維材料質輕而薄。幾乎不增加結構自重和截面尺寸,對原結構幾乎不會造成新的損傷,施工質量能夠保證。由于纖維材料是柔性的,即使被加固的結構表面不是非常平整也基本可以達到100%有效粘貼率。加固后的協調性較好,能夠與基材緊密連接。

4 加固的程序

4.1 建筑物加固的工作程序

可靠性鑒定→加固方案選擇→加固設計→施工組織設計→施工→驗收。

4.2 碳纖維布的粘貼施工[3]

1)制作準備。首先在磚墻表面將需要粘結碳纖維布的區域用墨線標示出來,準備好施工用的碳纖維布、配套樹脂、機具等。2)表面處理。清除磚墻表面剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等的磚塊,接著采用角磨機將要粘貼碳纖維布的磚墻表面打磨平整,除去表層浮漿、灰塵等雜質,直至完全露出磚結構新面,再用壓縮空氣將磚墻表面吹干凈。在粘結碳纖維布前用丙酮將磚墻表面清洗一遍,并使其干燥。3)涂刷底層樹脂。按產品商提供的工藝規定進行配制底層樹脂,將稱量好的主劑和固化劑進行充分混合,采用軟毛刷將配制好的底層樹脂墨線標示的加固區域涂刷一道,使底膠充分滲透到磚墻和砂漿表面。4)找平處理。按產品生產商提供的工藝規定進行配制找平樹脂,將稱量好的主劑和固化劑進行充分混合,采用油灰刀將配制好的找平樹脂涂抹于磚墻和砂漿的凹處,將凹面修補平整。找平樹脂表面脂干后,盡快進行下一道工序。5)粘貼碳纖維布。按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。按產品生產商提供的工藝規定進行配制浸漬樹脂,將稱量好的主劑和固化劑進行充分混合,采用軟毛刷將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于墨線標示的加固區域。將碳纖維布用手輕壓粘貼于粘貼位置,采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓,排氣,使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布,滾壓時不得損傷碳纖維布。宜在碳纖維布表面的浸漬樹脂干后盡快進行下一層碳纖維布粘貼。6)表面防護及養護。碳纖維布粘貼完成后采用塑料薄膜將試件覆蓋,待粘結劑完全固化。

墻體高寬比的不同使得碳纖維布內的應力分布也不同,纖維布的加固效果也有所不同,當高寬比小于0.5時,不適宜用“X”的貼布方案,而應選用“∧”貼布方案。碳纖維布的角部由于應力集中,應力相對較大,所以端部必須錨固。

4.3 施工注意事項

1)分段粘貼碳纖維布時,在接頭處做好搭接標志,確保每段碳纖維布之間的搭接長度大于150 mm。2)施工時溫度應在5℃以上并避免明火。3)做好碳纖維布的錨固工作。

5 結語

研究表明,碳纖維布用于增強磚砌體抗震能力的加固方法是非常有效的。碳纖維布加固磚墻后的抗剪承載力等于相同條件下未加固墻體的抗剪承載力與加固后碳纖維布所承擔的抗剪承載力之和。碳纖維布加固墻體的開裂荷載(極限荷載)較未加固墻體明顯提高。變形能力也明顯改善,加固后墻體的開裂位移顯著增加。開裂荷載可提高28.6%～50.0%,開裂位移可以提高134.5%～440.7%。碳纖維布加固墻體,無須貼多層布或者使用高強碳纖維布。碳纖維布用于加固磚墻時,布的幅寬越大,其加固作用也越明顯。碳纖維布通過桁架模型中的受力拉桿機制改善墻體內的受力狀態,從而提高構件的抗剪承載力;另一方面通過限制墻體裂縫開展,也提高了構件的抗裂能力。

[1]呂西林.建筑結構加固設計[M].北京:科學出版社,2001.

[2]周德源,張 暉,施衛星,等.建筑結構抗震技術[M].北京:化學工業出版社,2005.

[3]張祥順,谷 倩,管克撿,等.碳纖維布加固砌體結構試驗研究[J].武漢理工大學學報,2002(11):25-26.