碳纤维布加固修复砌体结构裂缝的技术应用研究

周　俊

摘要:文章分析砌体结构常见的裂缝类型和加固技术,阐明了加固修复新技术研究的必要性,结合碳纤维和粘结材料的性能,设计了碳纤维布加固修复砌体结构裂缝试验。试验共2片砖砌体,在砖砌体两面加固。通过5个油压千斤顶在顶梁顶面施加竖向轴力,千斤顶由油泵通过溢流阀供油,故能在试验的全过程保持轴力的稳定。经过定量和定性分析,得出该技术具有技术先进、施工简便、效果良好等优点。

关键词:碳纤维布;加固修复;彻体结构;裂缝试验;粘结材料

中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)18-0050-02

砌体是用砌筑砂浆将块材(砖或砌块)砌在一起而形成的一种承重材料,和混凝土相比,砌体虽有一定的抗压承载力,但其抗拉、抗剪、抗弯能力均很低。因此砌体结构特别是无筋砌体结构整体性较差,承载力较低,极易在外荷载作用下出现裂缝。因此,做好砌体结构裂缝的加固修复至关重要。碳纤维布加固技术是近些年来兴起的一种结构加固方法,因其具有质轻肩强、施工便捷、耐腐蚀性及耐久性好,又不改变结构形状和不影响建筑外观等优点,试验结果表明,该加固技术能有效提高砌体结构的抗震性能,在工程中有广阔的推广应用前景。

一、砌体结构的加固应用现状分析

(一)砌体结构的裂缝类型

砌体结构地基不均匀沉降,导致墙体产生了沉降裂缝;气温或环境温度温差太大,加之砌体所受的约束的影响,墙体产生温度裂缝;局部砌体墙、柱承载力不足;墙体错位、变形引起墙体开裂;由于设计构造不当引起墙体开裂;由于材料质量不良、施工质量低劣而引起墙体开裂;由于房屋改建加层而使原砌体房屋承载力不足;在抗震设防区经抗震鉴定,房屋抗震设计不满足要求或房屋抗震构造措施不满足要求;在地震发生后,房屋受损的修复和加固。上述种种裂缝现象,轻则影响砌体结构的功能体现,重则影响砌体结构的寿命,甚至造成严重的人身和经济损失,必须进行裂缝修复加固处理。

(二)常用的砌体结构加固方法

1.水泥灌浆法。水泥灌浆主要用于砌体裂缝的补强加固,常用的灌浆方法有重力灌浆和压力灌浆两种。这两种灌浆加固方法对裂缝进行修补后,其强度均能达到或超过原来砌体强度。

2.扩大砌体截面法。主要用于砌体承载力不足,但砌体尚未压裂,或仅有轻微裂缝,而且要求扩大截面面积情况。一般的独立砖柱、砖壁柱、窗间墙和其他承重墙的承载能力不足时,均可采用此法加固。

3.钢筋网水泥砂浆加固。主要用于墙承载能力不足时的加固,是指把需加固的砖墙表面除去粉刷层后,两面附设钢筋网片,然后喷射砂浆(或细石混凝土)的加固方法。

4.增设或扩大扶壁柱。扶壁柱有砖砌和钢筋混凝土两种,主要用于提高砌体承载力和稳定性。无论增设砖砌扶壁柱或是钢筋混凝土扶壁柱,它们与原砖墙的连接都十分重要。

5.增加预应力撑杆。主要用于大梁下砌体承载力严重不足时使用。通过增加预应力型钢支柱,达到对原结构加固的目的。

二、层碳纤维加固修复砌体结构裂缝的技术应用研究

(一)碳纤维和粘结材料的性能

碳纤维即纤维状碳材料。根据其原料及生产方式的不同,主要分为聚丙烯腈基碳纤维及沥青基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维是把聚丙烯腈基碳纤维在惰性气体中高温加热所获得的纤维。沥青基碳纤维是把煤焦油或石油沥青抽丝后经高温烧结而成的纤维。碳纤维产品包括高强度型一聚丙烯腈基碳纤维及高弹性模量型一沥青基碳纤维。

碳纤维布具有优异的物理性能,主要表现在以下几个方面:(1)力学性能:高强度、高模量是碳纤维最重要的特性之一;(2)耐腐蚀性:碳纤维耐腐蚀性能非常优越,除强氧化剂外,对一般酸、碱均不起作用;(3)热性能:碳纤维的热膨胀系数是各向异性的,垂直于纤维方向的是正值,平行于纤维方向的是负值;(4)耐磨性:碳纤维具有良好的自润滑性能,摩擦系数小,耐磨,塑料中加入碳纤维后,磨损率可降低1000倍。

(二)试验研究

1.试件设计。本试验共2片砖砌体,砖的规格为240mm×115mm×53mm,强度MU10;砂浆强度等级分别为M2.5和M5,采用混合砂浆。墙片宽3m,高1.5m,墙厚240mm。碳纤维布厚0.11mm,宽100mm,在砖砌体两面加固。

2.试验加载装置。本试验在砖砌体顶部施加垂直荷载以模拟上层竖向荷载,在砖砌体顶部施加低周反复水平荷载以模拟地震力。在砌体的上下两边都设置了钢筋混凝土梁,顶梁传递水平剪力,并使垂直压力均匀地传到砌体上。试验时,先加竖向荷载,稳压后启动液压伺服作动器施加水平荷载。通过5个油压千斤顶在顶梁顶面施加竖向轴力,千斤顶由油泵通过溢流阀供油,故能在试验的全过程保持轴力的稳定。为了使试验过程中墙体位移不受竖向荷载的约束,并使墙体上竖向荷载的位置保持不变,在千斤顶与钢反力大梁之间装置了辊轴。通过PL-Z630x液压伺服作动器施加顶部的水平反复荷载。

3.试验测量装置及试验数据的采集。为了解试件的荷载-变形规律,分析其滞回曲线,本试验安装了5个位移计以测量试件变形,分别布置在墙的上部、中部和下部以及顶梁、底梁处。试验时位移计的读数、液压伺服作动器的荷载和位移值由计算机采集,并采用拟静力试验程序实时画出荷载-位移曲线,以监控试验进程并确定试件的屈服荷载。

4.加载前墙体的破坏形态。在水平荷载小于破坏荷载约60%之前,观察不出试件表面变化,此时计算机绘制的墙片滞回曲线基本上为直线,表明墙片基本上处于弹性阶段,卸载时残余变形极小,随着荷载的增加,滞回曲线发生一定的弯曲,并且滞回曲线也逐渐丰满成为滞回环,此时墙片进入弹塑性状态。

5.墙体的侧向承载能力和极限位移。

从表1可以看出,墙片Y155的极限荷载达到加固前的98.8%,而极限位移比加固前增大了9.86%;由于对墙片X264施加荷载过大,使得墙体破坏较为严重,因此墙片Y155的极限荷载较小,但仍达到加固前的74.4%,而且极限位移比加固前增大24.1%。这充分表明,由于碳纤维布的存在,大大增加了墙片的延性。表1同时表明,砂浆强度的提高将提高砌体的抗剪强度,但会降低其变形能力;垂直应力(反映了轴压比)越大则抗剪强度和刚度越高。

6.加固对整体结构的影响。在对墙体进行加固时,传统的加固方法往往会使墙体的刚度发生大的改变,使上下层结构的侧移刚度产生较大的改变或突变,对砌体结构的抗震不利,而采用碳纤维布加固砖砌体结构,其弹性刚度没有明显的改变,不增加结构构件的几何尺寸,不会使加固的某层结构同其上部结构的侧移刚度产生突变,从而避免使原结构水平荷载的分担情况产生大的影响,不会产生薄弱层或部位转移问题,这对砌体结构的抗震是很有利的,也是采用碳纤维布加固砖砌体结构的一个显著优点。目前进行的试验及分析仅基于单片墙体,其对整体结构的影响可通过进一步的整体结构计算分析或整体模型试验进行验证。

三、碳纤维加固技术的优越性

鉴于碳纤维材料及其粘结材料的这些特点,结合试验结论,不难总结出碳纤维加固施工具有明显的技术优势,是一个值得推广的砌体结构加固技术。

1.质量易保证。由于碳纤维布是柔性的,即使被加固的结构表面不是非常平整,有效粘结率也基本可以达到100 %。而粘贴钢板则很难达到这种程度,相应的验收标准也只要求达到70%。此外,碳纤维布粘结后万一发现有气泡,也很容易修补,只要将树脂注射进去即可赶跑空气。

2.耐腐蚀性及耐久性。碳纤维的化学性质稳定,不与酸、碱、盐等化学物质发生反应,因而用碳纤维材料加固后的结构构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性,解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题。

3.不增加构件的自重及体积。碳纤维布质量轻且厚度薄,经加固修补后的构件,基本上不增加原结构的自重及尺寸,也就不会减少建筑物的使用空间。

4.适用面广。由于碳纤维布是一种柔性材料,而且可以任意地裁剪,所以这种加固技术可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位,且不改变结构形状及不影响结构外观。同时,对于其他加固方法无法实施的结构和构件,碳纤维加固技术都能解决。

5.便于施工。将碳纤维材料用于加固建筑结构,在施工现场不需要大型的施工机械,占用施工场地少,而且没有湿作业,因而工效很高。

6.高强高效。由于碳纤维材料优异的物理力学性能,在对建筑结构进行加固补强过程中,可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。

四、结语

针对上述分析可知,采用碳纤维布加固砌体结构是有效的。一方面,用碳纤维布加固砖砌体,可提高其抗剪承载能力,提高墙体的开裂荷载、极限荷载,明显改善墙体的变形能力,增加墙体的延性,开裂位移也有显著的提高,是一种行之有效的抗震加固方法。另一方面,采用碳纤维布加固砖砌体结构,不会使结构的侧移刚度产生突变,对抗震十分有利。由于本次试验试件数量有限且对墙片的影响因素考虑较少,故只对试验结果进行了基础性处理和定性分析,对砌体结构用碳纤维布进行的抗震加固有待于进一步研究。

参考文献

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作者简介:周俊(1975-),男,江苏扬州人,江苏石油勘探局油田建设处建筑工程公司工程师,研究方向:碳纤维布加固修复裂缝。