預應力碳板在梁加固工程中的應用

雷立志 潘琰楓

武漢弘泰建筑工程質量檢測有限公司（430070）

0 引言

梁加固工程中，目前常用的加大截面、粘鋼等直接加固法都要求先進行卸載，已經投入使用的建筑物很難滿足此條件。《混凝土加固設計規范》2013版相較2016版[1]，增加了預應力碳纖維復合板加固法，根據規范說明:此方法適用于截面偏小或配筋不足的鋼筋混凝土受彎、受拉和大偏心受壓構件的加固[2]，可知其對受彎構件是比較合適的。而且此方法對構件進行加固，可不采取卸除作用在被加固結構上活荷載的措施，相比傳統加固方法在其適用加固范圍以內是具有一定優勢的。

1 預應力碳板加固理念

預應力碳板加固構件過程中，碳板在施加預應力后會有一個收縮的力，在碳板和碳板膠與加固構件形成整體以后，收縮力會給加固構件一個偏心軸力。預應力碳板可以在原構件不變形的情況下，主動參與到整個結構的受力體系當中，因此可以在不卸載的情況下進行加固。碳板本身韌性好，可以使加固構件撓度減小、原有裂縫寬度收縮并且預防新的裂縫產生[3]。文章結合實際工程對此加固方法進行介紹。

2 工程案例

2.1 工程基本情況

某學校新建禮堂，采用單層框架結構，層高9 m，局部在4.5 m高度處有夾層（禮堂工作平臺用）。結構主要設計數據如下:框架柱混凝土等級采用C35，梁板混凝土強度采用C30，各構件縱筋以及箍筋均為HRB400。設計荷載取值如下:屋面附加恒載（保溫隔熱層等自重）取3.5 kN/m2，屋面活荷載取0.5 kN/m2，屋面層結構布置如圖1所示。

圖1 屋面層結構布置圖

由于N×5~11、P×5~11及R×5~11軸屋面梁跨度達24 m，且未使用預應力。為了解此大跨度梁的承載性能是否能滿足設計要求，結構施工完畢后，業主委托檢測公司對該部分結構進行原位加載試驗。

2.2 靜載試驗介紹及試驗結果

1）靜載試驗。靜載試驗主要依據結構設計資料及《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）。本工程選擇使用狀態試驗以及承載力試驗，試驗中主要測試構件的變形及裂縫[4]。

2）確定加載荷載。根據使用狀態以及承載力各設計要求，加載值分別按如下公式計算:

①使用狀態:準永久組合設計值=恒載＋可變荷載×可變荷載的準永久系數；

②承載能力狀態:取max{1.2×恒載＋1.4×活載，1.35×恒載＋1.4×0.9×活載}。

根據設計荷載取值，本工程兩種試驗荷載加載值主要考慮板上均布荷載，具體值見表1。

表1 使用狀態以及承載能力試驗加載值

比較兩種試驗狀態的最大加載限值，最大加載值取承載力設計值中的大值，圖1中陰影區為加載范圍。

3）終止加載條件。根據規范要求，加載過程中結構出現下列現象時應立即停止加載，分析原因后如認為需繼續加載，宜增加荷載分級，并應采取相應的安全措施:①控制測點的變形、裂縫、應變等已達到或超過理論控制值；②結構的裂縫、變形急劇發展；③出現《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）中標7.3.3所列的承載力標志；④發生其他形式的意外試驗現象。

4）試驗結果。試驗加載采用水壓均布加載進行，加載方式按規范分級加載。試驗過程中主要對擾度以及裂縫進行監測。根據試驗結果，特定值下試驗梁的擾度以及裂縫主要監測值見表2。

表2 加固前梁現場加載試驗監測值

根據試驗數據，最終得出結論如下:試驗梁在荷載未達到預定荷載時，裂縫寬度已經達到使用狀態的檢驗指標，依據規范相關規定可知三根試驗梁均不滿足正常使用狀態，不滿足設計要求。

2.3 加固設計與施工

1）加固設計。根據檢測結果，三根大跨度梁均需進行加固。經詳細計算，梁彎矩以及剪力在恒載以及活荷載作用下彎矩以及剪力標準值見表3及表4。

表3 恒載以及活載下梁彎矩標準值（kN·m）

表4 恒載以及活載下梁剪力標準值（kN）

比較分析可知，恒載作用下內力值占比很大。由于主要荷載（構件自重）已加載完畢，僅活荷載以及建筑面層作用為作用于結構主體。綜合比較現場情況以及施工情況后采用預應力碳板對試驗梁進行加固。

經詳細計算后，預應力碳板最終主要設計信息如下:①加固材料為高強度I級碳纖維板，碳板寬度50 mm，厚度4.0 mm；②預應力碳板張拉控制應力為1 150 MPa，即單條張拉力為230 kN，張拉控制應變為6.9‰，張拉采用應力和應變雙控，且偏差需不大于6%，各加固梁具體設計見表5。

表5 加固梁設計參數

2）加固施工。根據預應力碳板加固特點以及設計要求，主要施工步驟:搭設腳手架→清理障礙物→放線、驗線→清理粘貼預應力碳板混凝土結構面→混凝土結構面找平→種植安裝錨栓→安裝預應力碳板的固定端支座和張拉端支座→粘貼預應力碳纖維板并進行張拉→檢驗→表面防護→報驗。

施工注意要點:①加固前必須先對構件裂縫及缺陷進行修復；②結構面須找平并清理干凈無粉塵；構件表面凹陷部位應采用環氧膠修復至表面平整。加固前采用丙酮或工業酒精等有機溶劑清洗混凝土表面，確保混凝土表面平整無粉塵；③碳纖維復合板材粘貼面使用前應使用丙酮擦拭干凈，否則粘貼表面殘留的油污易影響膠粘劑與碳纖維復合板材之間黏結力。

2.4 加固后靜載試驗

加固施工完成后，為檢驗加固施工質量并查驗加固后梁承載能力，檢測單位對試驗梁按加固前試驗重新對試驗梁進行加載試驗。靜載試驗內容、加載取值以及測試內容同加固前靜載試驗，最終結果見表6。

表6 加固后梁現場加載試驗監測值

依據 《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）及 《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），使用狀態試驗結果以及承載力狀態試驗結果均滿足規范要求，達到設計要求。

可見采用預應力碳板對梁進行加固是成功的，采用預應力碳板不僅提高了構件承載力，而且貴構件剛度也有一定的提高[5]。

3 結論及建議

通過大跨度梁加固后靜載試驗結果可以知道，預應力碳板加固梁效果良好，能有效提高構件的承載能力，提高構件剛度，延緩裂縫的出現。該加固工藝操作簡單，安全可靠，值得大范圍推廣應用。