预应力碳纤维布加固混凝土梁

毛铁军

随着生活水平的提高,人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求不断提高,同时由于建筑物使用性能的改变、荷载变化、结构部分损坏以及设计与施工缺陷造成的质量隐患等,需对建筑物进行补强加固处理。多数情况下,采用碳纤维布加固混凝土结构比其他加固方法更有优势,它具有高强高效、施工便捷、耐久性耐腐蚀性好、热膨胀系数低、适用面广、自重轻、不增大结构尺寸等优点,因此,碳纤维布加固混凝土结构技术具有重要的工程应用价值。但是在碳纤维布的理论研究和实际工程应用中,逐渐发现碳纤维布加固有其固有弊端:1)强度不能充分发挥,加固效率不高。钢筋的极限应变取0.01,碳纤维布应变值近似于0.01,只占碳纤维布极限应变的10%～20%,碳纤维布的高强特性没有得以充分利用。2)二次受力对加固效果的影响。进行加固的结构一般已经承受一定的初始荷载,加固前,原构件截面就会在所承受的截面内力下处于某个初始应力应变状态。普通碳纤维布没有考虑初始荷载对构件产生的应变,加固效果偏不安全。

1 相对优势

对碳纤维布施加预应力后进行加固,可以有效地提高碳纤维布的利用率,同时预应力可以约束混凝土裂缝的过早出现,有利于提高构件的承载力。由于预应力抑制构件裂缝过早出现,又可以避免在裂缝处出现应力集中而引起碳纤维布在裂缝处出现剥离现象。1)采用预应力碳纤维布加固的构件,由于碳纤维布在被加固到构件上开始受力之前已有较大的应变,碳纤维布可以较早参与工作并发挥较大作用,所以,利用这种方法加固的构件可以明显提高梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,减小梁在使用阶段的变形和梁内主筋的应力,对预应力混凝土桥梁加固效果更为明显。2)预应力碳纤维布加固混凝土构件,在碳纤维和结构粘结界面上会产生很大的剪切应力,采用合理、可靠的锚固方式可以避免或推迟碳纤维布与混凝土基层间粘结剥离破坏或保护层混凝土剪切受拉剥离破坏,避免了碳纤维布在没有达到极限拉应变之前结构就被破坏,充分的利用材料,避免了脆性破坏。3)预应力碳纤维布加固混凝土构件可以改善构件裂缝和变形等使用性能,有效地抑制裂缝的发展,减小现存裂缝的宽度,提高结构的耐久性。4)国外的研究表明,在寒冷环境下,预应力碳纤维布材加固混凝土梁的粘结没有受到低温的不利影响,加固效果没有降低,说明预应力碳纤维布加固方法适用于极其恶劣的环境。

2 施工工序及应注意的事项

对碳纤维布施加预应力,首先要选用张拉工具。在对碳纤维布施加预应力后,需要在其上涂刷建筑胶,然后粘贴到梁底。因此预应力碳纤维布的施工工艺和预应力钢筋的施工工艺不同:这种工艺不仅考虑张拉,同时还要考虑涂刷建筑胶,先张拉后粘贴,张拉后利用建筑胶和混凝土之间的粘结力锚固碳纤维布,类似于先张法预应力混凝土施工;在已经浇筑好的试件上对碳纤维布施加预应力,待建筑胶固化后放松张拉工具,类似于后张自锚法预应力混凝土施工。预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺和普通碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺不同,预应力碳纤维布加固粘贴工艺的要求更高,对碳纤维布施加预应力后,梁的粘贴表面要求平整,而普通碳纤维布加固曲面也可以。预应力碳纤维布加固,同时要考虑张拉,由于碳纤维布这种材料独特的性质,对夹具也有特殊的要求。

我国现行的预应力碳纤维布加固混凝土构件技术施工工艺一般流程如下:1)施工准备。在施工前对粘贴部位混凝土的表面含水率和所处的环境温度进行判定,若混凝土表面或环境湿度较高,宜采用高湿性配套树脂;若环境温度小于5℃时,则应采用局部加热措施。2)构件缺陷修复。对所加固的构件已经存在的裂缝,应先行修复,裂缝较小(宽度小于2 mm),可采用低压持续注射法,裂缝较宽,可以采用开槽法修补,混凝土的蜂窝麻面,应采用强度高于构件的环氧树脂砂浆修复。3)面层处理。用砂轮机或磨光机将混凝土劣化层除去,研磨至混凝土基面为止,构件转角处应打磨半径大于3 cm的光滑圆弧。打磨结束后,用吹风机或毛刷将表面粉尘除去,直至表面干净。4)涂刷底胶与整平。由于碳纤维布张拉后呈直线,因此粘贴前构件底应严格涂刷底胶与整平,如构件底上凹,粘贴会出现脱胶现象,粘贴质量得不到可靠保证。考虑到张拉时梁会出现反拱,可以将梁底找成略微下凸的弧形。为了保证构件和碳纤维之间的粘结,应该按使用说明均匀混合底层树脂主剂和硬化剂,在可操作时间内均匀涂抹在粘贴面上。涂抹好的混凝土表面细微不平处,要采用找平胶处理。5)预应力碳纤维布的粘贴与张拉。预应力碳纤维布的粘贴与张拉主要工序和注意事项如下:a.碳纤维布下料时,应充分考虑张拉端锚固所需的工作长度。b.为了尽可能充分地利用碳纤维的高强度,提高碳纤维布材中纤维单丝共同工作的性能,要用环氧树脂充分浸润到碳纤维布材。c.将张拉设备就位,将环氧树脂充分浸渍的碳纤维布安装至张拉机的锚固装置上,反复调整两个锚固端的平整度,直至控制截面上的应力分布均匀为止。d.将张拉机具沿固定在柱子上的蜗杆机构上升,直至初步拉直的碳纤维布距受弯构件待加固表面20 cm～30 cm。e.正式张拉前先进行预张拉,预张拉力可取10%张拉控制应力。以设计确定的速度均匀张拉碳纤维布,张拉速度直接影响构件所能达到的预应力水平。张拉速度越慢,所能达到的预应力水平越高。一般的张拉速度为350 MPa/h～450 MPa/h。张拉过程采用张拉力和伸长值双控方法,可以更好控制施工质量,防止发生事故。f.张拉应力至设计应力时,按所选用胶使用说明配制粘贴树脂,注意避免杂质影响粘结质量。用刮刀或刷子将粘贴树脂均匀涂抹于构件与碳纤维布的粘贴面,在混凝土的搭接、转角部位要多涂一些。g.提升张拉机具,使受弯构件的粘贴表面与碳纤维的粘贴表面紧密结合,用压辊沿纤维方向滚压以去除碳纤维增强塑料下面的气泡。处理粘贴不良处的方法:树脂未充满的空隙用注射器注入环氧树脂;较大的空隙处,可配制粘稠度较大的环氧树脂填入。h.为避免碳纤维布与混凝土之间在粘结界面上发生粘结破坏,必须设置锚固。为有效的防止粘结破坏发生,可沿梁设置U形锚固带。i.养护。为减少雨水、砂、灰尘等对施工质量造成的不利影响,粘贴后应采用塑料布覆盖构件,养护期长短可根据环境温度确定,一般1周～2周时间。

3 结语

采用预应力碳纤维布方法加固混凝土构件相对于传统粘贴碳纤维加固方法,预应力碳纤维布的高强性能得以有效利用,加固效果比普通碳纤维布得到了很大的提高,同时具有普通碳纤维布加固的优点,在提高结构抗弯刚度、承载力,减小结构变形,抑制裂缝发展等方面表现出了显著的效果,具有较高的实用价值,值得推广应用。

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