CFRP在中小学校舍抗震加固中的应用

赵光桦 杨 胜

1 概述

汶川地震以后,国务院启动全国中小学校舍安全工程,对全国范围内的中小学校舍进行房屋质量排查鉴定。鉴定结果显示全国中小学校舍中有8亿多平方米达不到安全标准需要进行抗震加固处理,抗震加固任务异常艰巨。目前混凝土结构加固方法有多种,常用的有加大截面加固法、外包钢加固法和粘钢加固法等。采用外贴碳纤维(CFRP)对混凝土结构进行加固是最近几年发展起来的一种结构加固修复技术,已经得到较为广泛的应用,并已产生较大的经济效益。在混凝土结构的加固中,CFRP主要是分担钢筋的受力,提高结构构件的抗拉强度和抗变形能力,减少裂缝的开展。在工程结构加固改造中采用外贴CFRP加固与传统加固修补方法即钢筋水泥砂浆加固法相比具有强度高、施工工效高、没有湿作业、基本不增加结构自重和尺寸以及对原有结构损伤小等优点。本文以某中小学校舍抗震加固为例,针对中小学校舍结构的特点,综合考虑了各方面因素选用外贴CFRP的加固方式,在总结以往研究成果的基础上提出了相关设计建议,供实际加固改造工程的应用提供参考。

2 工程实例

该校舍位于浙江省某市,于1999年9月竣工并投入使用。房屋建筑平面大体呈矩形,总长34.8 m,总宽14.4 m。主体结构形式为框架结构,地上4层,总建筑面积约为1 985 m2。各层层高为3.5 m,总高为14.6 m。该综合楼为现浇钢筋混凝土框架结构体系,采用钢筋混凝土柱下独立基础。梁、柱混凝土设计强度等级为C25。砌体均采用MU10页岩砖,M7.5混合砂浆砌筑。

根据现场的排查鉴定和设计院出具的原设计图纸,对全校舍各层进行全面检测,发现该校舍主体结构基本完好,周边地基土的不均匀沉降对该校舍主体产生轻微的倾斜,但不影响结构主体使用安全。各楼层内墙部分有细微斜裂缝,外墙面砖无脱落,梁、柱、楼板等构件的几何尺寸、混凝土保护层厚度、钢筋位置和数量等满足原设计要求,结构设计符合当时规范要求。通过采用回弹仪测定梁、柱的混凝土强度,发现该校舍底层梁和柱的混凝土强度等级仅为C20,不满足原设计C25的要求,存在巨大的抗震安全隐患,其余各层混凝土强度等级满足要求。砖和砂浆强度等级经测定也符合原设计要求。通过计算复核,该校舍的底层梁和柱抗震承载力未达到设计要求,需进行抗震加固处理。

3 结构承载力复核

3.1 加固实例

根据现场检测结果和原设计院出具的该校舍梁、柱等各构件的配筋情况,针对单一构件,对底层梁、柱进行承载力计算复核。以底层梁A-B/3为例,原设计尺寸为250 mm×750 mm,通长的梁上部配筋为2Φ22;梁底配筋 6Φ22 2/4,梁端配筋 5Φ22 3/2,箍筋为φ8@100/200(2),混凝土强度等级为C25,而实测的混凝土强度等级为C20。

3.2 计算结果分析

经过计算复核,底层梁A-B/3的跨中抗弯承载力 M设计=446.3 k N◦m;梁端的抗剪承载力 V设计=347.7 k N,V实际=326.5 k N。由于实测混凝土强度等级为C20,梁的跨中抗弯承载力未达到设计要求;同时梁端的抗剪承载力设计值大于现在梁所能承受的实际值,存在安全隐患,需进行抗震加固处理。

4 加固设计

4.1 梁的加固设计

以该校舍底层梁A-B/3为例,针对该梁的抗弯、抗剪承载能力不足,初步采用沿梁底通长外贴CFRP来增加梁抗弯承载能力,并在梁端采用外贴U形CFRP以加强梁的抗剪能力,同时 U形CFRP还能起到锚固梁底通长CFRP的作用。经计算梁底所需CFRP面积 Afe=7.53 mm2,故选取CFRP宽 200 mm,其计算面积Afe=22.2 mm2＞7.53 mm2,满足梁抗弯承载力要求。在梁两端各外贴宽 150 mm、高 750 mm、净间距300 mm的 U形 CFRP一层,共贴4条 U形CFRP。此时 U形CFRP承受的剪力 Vbf=40.6 k N,故 Vjg=326.5+40.6=367.1 kN＞347.7 k N,满足抗剪承载力要求。其余底层梁加固方式与该梁类似。通过采用此种CFRP加固方式,梁的抗震能力和延性同时得到大幅加强。梁加固详图见图1。

4.2 柱的加固设计

该校舍的竖向承重构件为框架柱,根据承载力计算复核结果,对承载力不满足要求的底层柱采取外贴CFRP进行加固。采用绕

文章编号:1009-6825(2010)20-0070-03柱外贴一层CFRP的加固处理方法,在搭接处的搭接长度不应小于100 mm。经检测,加固前底层柱的混凝土强度为 fc=10.7 MPa;通过CFRP加固后,柱的抗压强度为 fc=10.7+3.69=14.39 MPa＞11.9 MPa,满足原设计要求。此加固方案与增大柱截面法等常规加固方法相比,在基本不增大柱截面,也不破坏原教学空间的情况下能够显著提高构件承载能力,同时增强柱的抗震耗能能力和延性。加固详图见图2。

5 施工工艺

CFRP施工的一般工艺流程为混凝土表面处理,涂底胶,找平,粘贴CFRP,CFRP表面处理。

1)将梁、柱混凝土表面出现剥落、空鼓等现象的部位予以凿除,在转角处要进行倒角处理并打磨成圆弧状,同时保持混凝土表面干燥。2)底涂作业施工表面必须干燥,环境湿度大于80%,底涂主剂、硬化剂依比例均匀调和,待胶固化后再进行下一工序施工,固化时间一般由产品性能决定。3)对混凝土表面凹陷部位用修补剂填补平整,在找平材料表面指触干燥后立即进行下一步工序施工。4)依计划位置由上而下,由左而右粘贴碳纤维布。按工艺配制树脂并均匀涂于碳纤维布上,用专用滚筒顺纤维方向滚压以排除气泡。5)确保CFRP表面已充分风干结合,再进行表面必要之美化装饰。

6 结语

1)在加固设计时,应充分考虑到CFRP与梁柱等构件之间的相互粘结,防止CFRP与混凝土梁发生剥离破坏,使其共同协调受力。2)通过采用外贴CFRP加固梁柱构件,可以有效提高梁的抗弯抗剪性能和柱的抗震耗能能力和延性。3)在对梁、柱等构件进行外贴CFRP时,应打磨构件的棱角,防止CFRP在棱角处发生应力集中。4)在中小学教学楼加固中使用外贴CFRP的加固方法可以有效的节约原有空间,并不会对中小学生产生身体上的意外伤害。

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