CFRP板條加固鋼筋混凝土梁在結構改造工程中的應用

姚 鐘

【摘要】本文對重慶市綦江縣某綜合辦公樓梁的加固改造過程進行了詳細剖析。首先通過對碳纖維材料的性能優勢分析確定加固方案,接著對碳纖維板條結構加固的計算方法和施工質量控制方法進行了研究和探討。

【關鍵詞】CFRP板條;性能分析;加固設計;施工質量控制

一、工程概況

重慶市綦江縣一綜合辦公樓于1999年建成,在2007年8月的質量檢查中發現如下問題:(1)部分框架梁在跨中出現上小下大的明顯裂縫,有露筋,且銹蝕現象較嚴重,造成安全隱患 ;(2)原設計砼強度為C30,實測砼強度在C20～C30之間。

該工程是由于施工質量低劣而影響了構件強度 。但對相關框架梁進行加固改造之后,該辦公樓仍可繼續使用。

二、碳纖維板條的性能分析及加固方案確定

1.CFRP材料的性能優勢

(1)輕質高強。重量輕,基本不會增加被加固結構的重量。強度高,其抗拉強度時鋼材的10倍左右。尤其是高彈模型碳纖維,其抗拉強度比鋼材大68倍,彈性模量比鋼材大2.0倍～2.6倍。

(2)高耐久性。在600℃高溫下其性能保持不變,在-180℃低溫下仍很柔韌;不與惡劣環境下酸、堿、鹽發生腐蝕。

(3)施工性好。由于碳纖維布質輕又可折可彎,可使用不同構件形狀,成型很方便,可根據受力需要粘貼若干層。

(4)熱膨脹系數小。碳纖維材料的熱膨脹系數非常小.其在纖維方向的熱膨脹系數幾乎等于0。這一特性是目前其他任何材料無可比擬的,垂直于纖維方向的熱膨脹系數雖然比較大,但各向同性制品與其他材料相比又最小。

2.本工程加固方案確定

根據常用的幾種加固方法的工藝要求及本工程的具體條件,并綜合考慮經濟因素,采用排除法來確定最終的加固方案。首先,由于該大樓主要為辦公用房,層高較低,因此對于加大載面法來說,會進一步降低使用空間,不符合該工程的實際情況,所以第一個被排除。第二是常用的粘鋼加固,必須沿鋼板縱向每隔一定距離用注膠脹栓將鋼板與混凝土梁表面貼緊,這就必須在混凝土梁表面鉆大量的孔。由于該綜合辦公樓旁邊就是綦江縣敬老院,鉆孔噪音必然會對周圍居民產生嚴重影響。故粘鋼加固方法也予排除。第三,對于預應力加固方法來說,因其對施工機具要求較高,現場施工繁瑣,且造價相對較高,因此也被排除在外。

三、CFRP板條加固設計

1.本工程加固設計基本指導思想

本綜合辦公樓部分框架梁的混凝土保護層已經開裂,造成較為嚴重的鋼筋銹蝕現象,引起鋼筋截面積減少,鋼筋強度降低,且鋼筋與混凝土之間粘結強度降低。在進行碳纖維加固時,應針對結構銹蝕程度不同,來計算縱向碳纖維布所需數量,以提高抗彎承載力;計算橫向碳纖維布數量,以提高抗剪承載力。

2.CFRP布用量計算

3.錨固長度

CFRP布與混凝土之間的粘結性能,無論從變分布還是應力分布來看,都存在一段有效錨固長度。從應變與裂縫的距離曲線圖中可以看出,除了數值大小有差別以外,曲線的形狀十分相似,說明碳纖維布中的應變和應力在平穩地發展;同時,粘結應變和應力主要在離裂縫50mm以內發生明顯變化,從而可以說明,碳纖維布的粘結錨固長度取100mm左右最合適的。

本工程框架梁和次梁的寬度均為250 mm,把各相關參數代入上述公式計算得到沿梁底需通長粘貼2層200 mm寬和0.111 mm厚的碳纖維片材,梁頂在1/3梁跨范圍內粘貼2層200mm寬和0.111mm厚的碳纖維片材,并用100 mm寬的縱向碳纖維片材壓條進行錨固。

四、施工質量控制

1.施工卸載

為降低原結構加固前的應力水平指標,應盡量卸載。卸載方法分為直接卸載和間接卸載法。直接卸載法即加固前卸掉原結構上一切的可卸荷載。間接卸載法一般采用模升卸載法、螺旋千斤頂頂升卸載法、體外施加預應力反向加載卸載法。

2. 表面處理

目的主要是確保混凝士結構與纖維布粘結牢固,去掉混凝土、鋼筋表面銹蝕及老化部位,利用結構膠修補裂縫、填補孔洞、調整高差、削除尖角。因為碳纖維的脆性性能,所以待加固構件表面的內凹角應通過修補膠泥、外凸角應通過打磨加以圓化。

3.配制粘貼樹脂

必須由專人負責,嚴格按照配制比例進行操作,并盡可能做到少配多用,防止放置時間較長,粘貼樹脂產生初步固化。

4.粘貼纖維布

施工時必須確定纖維粘貼方向與受力方向一致,纖維布一定要鋪設平整,不能裙皺,不能彎曲,浸漬膠必須浸透,并排除氣泡。并且應特別注意用橡皮輥輪順纖維方向均勻平穩壓實,使樹脂從兩邊擠出,保證密實無空洞。施工完畢后可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面進行檢查。

【參考文獻】

[1]GB 50367-2006,混凝土結構加固設計規范[S]

[2]CECS146:2003,碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[S]