碳纤维布在混凝土构件加固中的设计及应用

邢锐闶

0 引言

钢筋混凝土构件出现质量问题之后,除了倒塌断裂事故必须重新制作外,在许多情况下可采用加固的办法来处理。碳纤维加固修复混凝土结构技术利用浸渍树脂,将碳纤维布粘贴于混凝土表面,共同工作,达到对混凝土结构构件加固补强的目的。

目前,施工中常用碳纤维布的各项指标见表1。

表1 碳纤维布物理性能

与之配套的粘结材料有底层树脂、找平材料以及浸渍树脂,其各项指标见表2。

表2 粘结材料的物理力学指标

1 加固分析

1.1 受弯加固

为避免碳纤维布被拉断而发生脆性破坏,可对其允许极限拉伸应变[εcf]进行限制。据《混凝土结构设计规范》对构件塑性变形控制的要求,笔者认为可以取[εcf]=0.01。

1)计算公式。

其中,Acf为受拉面粘贴的碳纤维布截面面积,mm2;fcf为碳纤维布的抗拉设计强度,N/mm2;Mu为构件的正截面受弯承载力计算值,N◦mm;M为弯矩设计值,N◦mm。

若不满足假设条件,即 x＜2a′,则 M≤Mu=fcfAcf(h0-a′)+fyAs(h0-a′)。

对于 fcf的值,可取其达到允许极限应变时的应力值,即fcf=Ecf◦[ εcf]=Ecf×0.01 。

因在加固前,构件已受力及变形,则加固受弯构件属二次受力构件。和受弯构件中已配钢筋相比,碳纤维布应变滞后,若原有构件应力、应变都已经很大,则构件破坏时碳纤维布尚未达到fcf,设计中可取(0.8～1.0)fcf作为极限设计值。

2)计算延伸长度。

碳纤维布的切断位置距其充分利用截面的距离不小于延伸长度Lcd,且延伸至不需要布截面之外不小于200 mm。一般将布沿梁底全长粘贴,两端加设U形箍,则可不必计算 Lcd。

3)构造措施。

a.当对梁、板进行加固时,碳纤维布应伸至支座边缘。

b.当碳纤维布的延伸长度无法满足上述计算的延伸长度时,应采取附加锚固措施。对梁,在延伸长度范围内设置碳纤维布U形箍;对板,可以设置垂直于受力碳纤维布方向的压条。

c.在碳纤维布延伸长度端部和集中荷载作用点两侧,应设置构造碳纤维布U形箍或横向压条。

4)例题。

有一框架房屋,其中有一榀框架梁,净跨6.3 m,截面b×h=400 mm×800 mm,混凝土强度等级为C35,钢筋Ⅱ级。梁跨中原设计弯矩为 M=355 kN◦m,受拉主筋4Φ 22,As=1 520 mm2,受压钢筋为 4Φ 20,A′s=1 256 mm2。现房屋用途改变,需承担弯矩M=470 kN◦m。采用型号为FTS-C1-20的碳纤维布加固,求所需碳纤维布的截面面积。

解:假设 x≥2a′,x≤ζbh0时,材料强度取值如下:Ⅱ级钢筋,fy=300 N/mm2;C35混凝土,fc=16.7 N/mm2;h0=h-a′=800-25=775 mm;FTS-C1-20 碳纤维布,fcf=0.9Ecf◦[εcf]=0.9×2.35×105×0.01=2 115 N/mm2。

本题主要阐述碳纤维布加固,故作简化计算,忽略受压钢筋的作用,得:

联立解式(1),式(2)两方程,得:x=96 mm,Acf=80.41 mm2,则x＞2a′=50 mm,且 x＜ζbh0=426.25 mm,满足假设。

配碳纤维布两层,与梁等宽,则实际面积为2×400×0.111=88.8 mm2。碳纤维布沿梁底全长粘贴,两端加U形箍(为同一种碳纤维布型号),且对称布置于梁端,故不再计算延伸锚固长度,示意图如图1所示。

1.2 受剪加固

采用碳纤维布受剪加固的主要粘贴方式有:全截面封闭粘贴、U形粘贴和两侧面粘贴,如图2所示,封闭粘贴的加固效果最好,U形粘贴次之,最后是两侧面粘贴。

1)计算公式。

粘贴碳纤维布加固后钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力可视为由两部分组成:1)原钢筋混凝土对抗剪承载力的贡献 Vrc;2)碳纤维布对抗剪承载力的贡献 Vcf。其中,Vcf按照《混凝土结构设计规范》规定的方法计算如下:

其中,φ为碳纤维布受剪加固形式系数,对于封闭粘贴,取φ=1.0,对于 U形粘贴,取 φ=0.85,对于两侧面粘贴,取 φ=0.70;εcf,v为达到受剪承载力极限状态时碳纤维布的应变;α为碳纤维布纤维方向与构件轴向的夹角;ncf为粘贴层数;wcf为条带宽度;scf为条带净间距;tcf为单层布厚度;hcf为侧面粘贴高度;λ为剪跨比;n为柱的轴压比,n=N/(fcA)。

2)构造措施。

a.对于梁,U形粘贴和两侧面粘贴的粘贴高度 hcf应粘贴至板底。b.对于U形粘贴,应在上端粘贴纵向碳纤维布压条;对于两侧面粘贴,应在上、下端粘贴纵向碳纤维布压条,如图3所示。

2 施工技术

一般工艺流程:卸荷—基底处理—涂底胶—找平—粘贴—保护。

基本施工步骤:施工前须卸载荷。

1)基底处理。混凝土表层出现劣化现象的部位应予以凿除,并除去混凝土表面浮浆、油污等杂质,将构件基面的混凝土打磨平整,转角粘贴处进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥20 mm)。2)涂底胶。按配合比主剂∶固化剂=3∶1配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中,均匀搅拌,一般情况下20 min～50 min内使用完。将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后进行下一工序施工。3)找平。混凝土表面凹陷部位用修补剂填平,减小高度差,转角处用修补剂修补成光滑圆弧。4)粘贴。调配、搅拌粘贴材料粘结剂,均匀涂抹于待粘贴部位。粘贴碳纤维布,用特制工具反复沿纤维方向滚压,去除气泡,使粘结胶充分浸透碳纤维布,并刮涂布表面粘结胶,使之均匀。多层粘贴重复上述步骤,待布表面指触干燥后方可进行下一层粘贴。5)保护。加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。6)质量要求。每一道工序结束后均按工艺要求检查,并做好验收记录,如有质量问题,立即返工。施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主,用小锤等工具轻敲布表面,以回音判断粘结效果。如出现空鼓等现象,应用针管注粘结胶的方法进行补救。严格控制施工现场温度和湿度。施工温度在5℃～35℃范围内,相对湿度不大于70%。

3 结语

本文在综合分析前人研究以及实际工作经验的基础上,系统阐述了碳纤维布加固的设计及施工,并且针对性的提出了加固的措施,同时结合具体工程实际进行了分析验证,为碳纤维布在工程加固实际应用中提供经验,然而要对该加固技术有比较客观、正确的认识,还有待于进一步的试验研究。

[1] CECS 146∶2003,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[3] CECS 78∶96,砖混结构房屋加固技术规范[S].