碳纖維加固技術(shù)在砌體危房加固中的應(yīng)用

劉士偉

(屏山縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，四川 宜賓 644000)

0 前 言

農(nóng)村危房加固工作是實(shí)現(xiàn)脫貧攻堅(jiān)“兩不愁、三保障”的重要指標(biāo)，是如期打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)必須完成的重要任務(wù)。鑒于全國(guó)農(nóng)村危房需要加固的工作量大、時(shí)間緊迫，如何使用有限的資金實(shí)施加固成為目前亟待解決的問題。我國(guó)自20世紀(jì)50年代修建了大量磚砌結(jié)構(gòu)，自20世紀(jì)70年代海城地震和唐山地震后全面開展加固工作[1]，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用采用新材料、新技術(shù)較少，理論和實(shí)踐研究不深，碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,研究碳纖維加固技術(shù)對(duì)工程實(shí)踐有重要的意義。有關(guān)碳纖維材料加固砌體結(jié)構(gòu)的理論方法仍在不斷研究和完善之中，本文通過介紹砌體結(jié)構(gòu)加固公式計(jì)算及舉例論證碳纖維加固砌體結(jié)構(gòu)的可行性，并對(duì)實(shí)際工程運(yùn)用中設(shè)計(jì)及施工方面的要點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 研究背景

我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶與地中海-喜馬拉雅地震帶之間，是地震分布廣泛和地震頻發(fā)的國(guó)家，而四川剛好位于龍門山地震帶上，地震頻發(fā)。雖然隨著脫貧攻堅(jiān)工作的不斷推進(jìn)，人口城鎮(zhèn)化取得了一定成效，但目前農(nóng)村人口在城鄉(xiāng)比例中仍占大多數(shù)，村鎮(zhèn)砌體房屋較多。近10年內(nèi)四川省發(fā)生7級(jí)以上地震就有以下3起：2008年5月12日在四川汶川縣發(fā)生8.0級(jí)特大地震，2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級(jí)地震，2017年8月8日在四川省阿壩州九寨溝縣發(fā)生7.0級(jí)地震。在這多起地震中，絕大部分村鎮(zhèn)房屋受損嚴(yán)重，多處房屋傾覆、倒塌，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)我國(guó)地震震害調(diào)查表明，砌體結(jié)構(gòu)房屋在歷次地震中的破壞最嚴(yán)重。

許多不能滿足現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)的磚砌體，若直接拆除，不僅是資源的浪費(fèi)，而且會(huì)增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，在綜合考慮多種因素下，只能通過采取措施對(duì)這些房屋進(jìn)行加固處理解決。傳統(tǒng)的砌體危房加固方法普遍存在施工工期長(zhǎng)、施工場(chǎng)地大、耗費(fèi)大量人力和物力等缺點(diǎn)，在山區(qū)偏遠(yuǎn)地區(qū)可實(shí)施推廣性有限，如何提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，改善砌體的脆性特性，亟待尋找一種全新的適合農(nóng)村砌體結(jié)構(gòu)危房進(jìn)行加固的新材料及施工方法進(jìn)行完善。

2 碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)的抗剪承載力

現(xiàn)具有代表性的抗剪強(qiáng)度理論主要有以下兩種：①剪摩型(根據(jù)剪摩強(qiáng)度理論建立，目前砌體規(guī)范采用的抗剪計(jì)算公式)；②主拉型(根據(jù)主拉強(qiáng)度理論建立，目前抗震規(guī)范采用的抗剪計(jì)算公式)。這兩種理論進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓應(yīng)力與平均純剪強(qiáng)度之比較小時(shí)，使用這兩種公式計(jì)算出來(lái)的抗剪強(qiáng)度懸殊不大；當(dāng)比值較大時(shí)，使用這兩種公式計(jì)算出來(lái)的抗剪強(qiáng)度差距較大。通過碳纖維布加固墻體的抗剪承載力計(jì)算公式對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[2]提出的碳纖維布加固砌體墻抗剪承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算公式易于計(jì)算，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用計(jì)算的需要。

1)未開裂磚砌體的抗剪承載力，計(jì)算公式為[2]：

(1)

式中，P墻為砌體沿階梯形截面破壞的抗震抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；F為非抗震設(shè)計(jì)的砌體抗震抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；H/L為砌體的高寬比；W為對(duì)應(yīng)于重力荷載代表值的砌體截面平均壓應(yīng)力；U為摩擦系數(shù)；A為構(gòu)件水平截面面積。

2)對(duì)于墻體已經(jīng)開裂的部位的抗剪承載力，計(jì)算公式為：

P墻=(F+0.4W)A

(2)

3)碳纖維布加固墻體中碳纖維布所承受的極限剪力計(jì)算公式為：

tere kümün ?ɡd?r(??ɡed?r)tere tuqai ü (那個(gè)人昨天就把那件事說了)

P布=nt/h(α1f1bL1sinθ+0.5α2f2L2)

(3)

式中，n為碳纖維布的層數(shù)；t為碳纖維布的計(jì)算厚度；h為墻體高度；α1、α2為分別為碳纖維布長(zhǎng)向、短向抗拉強(qiáng)度的利用系數(shù)；f1、f2為分別為塊體、砂漿的抗壓強(qiáng)度平均值；b為碳纖維布的寬度；L1、L2為分別為墻體的長(zhǎng)度、碳纖維布的長(zhǎng)度；θ為碳纖維布沿長(zhǎng)向和水平面的夾角。

4)碳纖維布加固墻體的抗剪承載力可看做在相同條件下未加固墻體承載力和碳纖維布承擔(dān)的抗剪承載力之和，即：

P加固=P墻+P布

(4)

式中，P加固為碳纖維布加固墻體后抗剪承載力；P墻為未加固墻體抗剪承載力；P布為碳纖維布所承擔(dān)的抗剪承載力。

根據(jù)《四川省農(nóng)村住房建設(shè)統(tǒng)籌管理聯(lián)席會(huì)議辦公室關(guān)于開展脫貧攻堅(jiān)住房建設(shè)質(zhì)量安全隱患排查的通知》(川農(nóng)房聯(lián)席辦【2017】4號(hào))文件要求，四川某縣對(duì)區(qū)域內(nèi)存在質(zhì)量安全隱患的農(nóng)村住房進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)存在隱患的農(nóng)村住房除極少數(shù)為磚木結(jié)構(gòu)外，均為磚混結(jié)構(gòu)，層數(shù)為1～2層。本區(qū)域內(nèi)抗震設(shè)防烈度為7度(地震動(dòng)峰值加速度0.1g)，這里以碳纖維布沿墻對(duì)角線“X”粘貼方式加固未開裂普通磚砌體墻體(見圖1)為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如下：

圖1 計(jì)算模型

普通磚砌體取值分別為：墻厚0.24 m，高1 m，長(zhǎng)4.17 m，磚強(qiáng)度等級(jí)為MU15，砂漿為M5。碳纖維布按照目前市場(chǎng)常規(guī)碳纖維布取值：寬0.3 m，厚0.1035 mm，粘貼層數(shù)為2層。查《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50003—2011)[3]得普通燒結(jié)磚砌體的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.11 MPa；查《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[4]，房屋高寬比不得大于2.5，此處計(jì)算高寬比為1/4.17，滿足規(guī)范要求；α1、α2取值分別為0.35和0.05；對(duì)于大多數(shù)砌體材料，U的取值范圍為0.6～0.7，此處取0.65；按W/F=1計(jì)算，則W=F。計(jì)算可得普通磚砌體沿階梯形截面破壞的抗震抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為140 kN；碳纖維布加固墻體中碳纖維布所承受的極限剪力為42.8 kN；碳纖維布加固墻體后抗剪承載力為182.8 kN。

由此可見，使用碳纖維來(lái)提高磚砌體結(jié)構(gòu)農(nóng)村危房抗剪承載力的加固方法是有效的，加固墻體與未加固墻體相比抗剪承載力明顯提高，抗震性能明顯改善。研究碳纖維布的加固公式可知，用碳纖維布加固墻體時(shí)，碳纖維布的寬度越大、層數(shù)越多、厚度越大，P布的數(shù)值就越大，加固效果越明顯，考慮到農(nóng)村危房加固政策的資金有限(某縣：每戶危房加固資金平均不得超過1.5萬(wàn)元)，建議無(wú)需貼很多層或者粘貼很厚碳纖維材料；危房層數(shù)多為1層，墻體高度較低，P布的數(shù)值較大，加固成效顯著。

3 設(shè)計(jì)施工

3.1 設(shè)計(jì)方案

3.1.1 碳纖維布的選擇

建議選用目前市面上比較典型規(guī)格的碳纖維布，規(guī)格如下：碳纖維單位面積質(zhì)量為200 g/m2、寬度300 mm或者400 mm、力學(xué)性能為Ⅱ級(jí)或者Ⅲ級(jí)。碳纖維布層數(shù)為單層或兩層。碳纖維復(fù)合材安全性鑒定的檢驗(yàn)項(xiàng)目及合格指標(biāo)應(yīng)滿足文獻(xiàn)[5]規(guī)范要求。

3.1.2 碳纖維布的布置形式。

1)對(duì)墻體進(jìn)行加固時(shí)。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墻體的高寬比大于0.5時(shí)，適宜采用“X”的粘貼方式，當(dāng)小于0.5時(shí)，應(yīng)選用“∧”粘貼方式(見圖2)。

圖2 “X”粘貼方式 及“∧”粘貼方式

2)對(duì)樓板進(jìn)行加固時(shí)，主要側(cè)重于其支座和跨中的抗彎強(qiáng)度不足而采用碳纖維布進(jìn)行加固, 或因?yàn)闃前宓木植块_洞而采用補(bǔ)強(qiáng)加固, 見圖3[6]。

(a)板支座加固 (b)板跨中加固 (c)板開洞加固

注：1-碳纖維布；2-板。

圖3樓板加固

3.1.3 錨固件的布置

加固的墻體中碳纖維起到的主要作用是承受拉力，而其所承受的壓力并不明顯。粘貼碳纖維布的角部位置由于應(yīng)力集中，在碳纖維布的交叉位置及端部進(jìn)行錨固，可保證碳纖維布在與墻體其他部位剝落的情況下也能繼續(xù)受力工作，更能發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。采用碳纖維銷釘穿鋼板的方式在碳纖維布的交叉處、碳纖維布與墻上下端處進(jìn)行錨固較為可靠。

3.2 施工要點(diǎn)

施工工序應(yīng)嚴(yán)格按照下面流程操作：施工準(zhǔn)備→底層處理→配制涂刷底膠→砂漿抹灰找平→配制涂刷結(jié)構(gòu)膠→粘貼碳纖維布→螺栓錨固→抹灰表面防護(hù)。

1)施工準(zhǔn)備。熟悉施工圖紙，了解施工現(xiàn)場(chǎng)和被加固砌體構(gòu)件狀況，在加固范圍標(biāo)注輪廓線。

2)底層處理，涂刷底膠。對(duì)于清水墻面，對(duì)出現(xiàn)的裂縫部位進(jìn)行掏縫、聚合物加固砂漿灌縫處理后，對(duì)粘碳纖維布的墻體表面使用打磨機(jī)打磨平整，除去油污等雜質(zhì)，露出磚砌體結(jié)構(gòu)新面，按照膠粘劑生產(chǎn)廠家要求配制底膠并涂刷；抹灰墻面應(yīng)剔除原抹灰層后進(jìn)行處理。

3)砂漿抹灰找平[7]，涂刷結(jié)構(gòu)膠。對(duì)于結(jié)構(gòu)面平整度較差的部位，用聚合物加固砂漿進(jìn)行找平后，在整個(gè)表面抹15 mm厚聚合物加固砂漿，灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于7天，待表面干燥后再刷底膠。

4)粘貼碳纖維布，抹灰防護(hù)。按設(shè)計(jì)要求裁剪碳纖維布、按廠家要求配制粘結(jié)膠后，將涂有粘結(jié)膠的碳纖維布用手輕壓貼于需粘貼部位(碳纖維布粘貼順序?yàn)橄蓉Q向后橫向，豎向的先中間后兩邊，橫向先下后上)，從纖維布寬度中間向兩側(cè)方向用刮刀趕出氣泡后，用橡膠滾筒纖維布長(zhǎng)度方向壓實(shí)，使膠液從兩邊擠出。碳纖維布的搭接部位應(yīng)錯(cuò)開交叉處且搭接長(zhǎng)度不小于100 mm。需粘貼2層碳纖維布時(shí)應(yīng)連續(xù)粘貼，若不能連續(xù)粘貼時(shí)，應(yīng)在第一層碳纖維布粘貼12小時(shí)并清理后粘貼第二層。待膠固化后可進(jìn)行抹灰防護(hù)工序，避免碳纖維布直接暴露于陽(yáng)光或有害介質(zhì)中[8]，養(yǎng)護(hù)24小時(shí)后在墻體兩側(cè)碳纖維布上打孔，采用碳釘穿鋼板進(jìn)行錨固處理將碳釘穿入孔內(nèi)并灌注環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行錨固處理(見圖4)。

圖4 碳釘加固

3.3 注意事項(xiàng)

用于施工的碳纖維布外觀應(yīng)干凈整齊，不得出現(xiàn)破損和污染。缺緯、脫緯現(xiàn)象每50 m不得多于2處；每50 m碳纖維布斷經(jīng)長(zhǎng)度不超過10 mm不多于1處，斷經(jīng)長(zhǎng)度超過10 mm的不多于2處；纖維排列均勻[9]。加固施工后對(duì)于有淋雨或者其他干擾的地方應(yīng)進(jìn)行遮擋養(yǎng)護(hù)。相對(duì)濕度不宜大于70%；由于碳纖維是僅次于金屬的導(dǎo)電體，施工時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電源及電氣設(shè)備，避免觸電危險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前是全國(guó)脫貧攻堅(jiān)的關(guān)鍵時(shí)期，實(shí)現(xiàn)“住上好房子”的指標(biāo)具有重要意義，對(duì)砌體危房簡(jiǎn)單快捷、科學(xué)化的加固解決方案提出了更高的要求，本文結(jié)合對(duì)實(shí)例模型的計(jì)算研究，系統(tǒng)地介紹了設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)，對(duì)目前砌體危房的加固實(shí)施具有一定指導(dǎo)意義。碳纖維加固技術(shù)的發(fā)展應(yīng)通過嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的試驗(yàn)研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)方法理念，推動(dòng)碳纖維加固技術(shù)的進(jìn)步。筆者堅(jiān)信，只要具有發(fā)展創(chuàng)新砌體危房加固新技術(shù)的堅(jiān)定理念，相信隨著碳纖維加固技術(shù)的不斷探索完善、設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)新技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用將指日可待。