碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應用

李 豪 孔新立 周玉鵬

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應用

李 豪 孔新立 周玉鵬

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

以某衛生中心的加固改造工程為例，從承載力復核、方案設計、驗算等方面，闡述了碳纖維布在框架梁抗彎加固工程中的應用，并介紹了錨固方案的設計措施，有效提高了加固梁的剝離承載力。

框架梁，抗彎加固，碳纖維布，錨固方案

據統計，我國現有建筑物總面積在100億m2以上。由于建筑物自身的老化、各種自然災害及人為損傷等原因，越來越多的結構安全問題引發人們的關注。當前，需要加固維修的建筑在25億m2以上[1]。

與傳統加固材料相比，碳纖維材料應用于加固工程時表現出輕質、高強、抗腐蝕、耐疲勞等優點。其密度只有鋼材的0.2倍～0.25倍[2]，彈性模量基本與鋼材一致，抗拉強度卻遠遠高于鋼材。因此，研究碳纖維材料在加固工程中的應用具有廣闊的前景和巨大的經濟效益。

本文以某衛生中心的加固改造工程為背景，研究碳纖維布在框架梁抗彎加固中加固方案的設計過程，為類似工程實踐提供參考。

1 工程概況

本工程原為“揚州市廣陵區日間照料中心”，建筑面積4 118 m2，上部結構由伸縮縫分割為A區、B區。A區為四層框架，B區為三層框架。建筑高度為13.80 m，基礎形式為獨立基礎。加固后建筑使用功能更改為衛生服務中心。原結構按抗震設防烈度7度(0.15g)、抗震設防分類丙類建筑進行設計。現該地區抗震設防烈度為7度(0.15g)，按抗震設防分類乙類建筑進行核算、復核。建筑外觀圖見圖1，A區一層框架梁平面圖見圖2。

2 結構復核計算

1)結構復核原則。在結構承載能力復核分析中，結構布置及

結構構件信息采用現場實測值與原設計值相結合的原則，兩者之中取不利值。房屋所在區域的地震信息、風荷載信息、場地信息采用原設計值，并參考現行規范的規定。結構材料信息中，當現場實測值小于原設計要求時采用現場實測值，當大于原設計要求時采用原設計值。荷載取值按照結構設計說明選用。

2)結構復核采用程序。結構的復核計算采用中國建筑科學研究院研制開發的PKPM系列中的S-1，QITI模塊。計算參數如下：建筑結構安全等級：二級。加固后結構設計使用年限：50年。建筑抗震設防類別：重點設防建筑(乙類)。地基基礎設計等級：丙級。基本風壓：0.40 kN/m2(50年一遇)。基本雪壓：0.35 kN/m2(50年一遇)。抗震設防烈度：7度(0.15g)，設計地震分組：第一組，常遇水平地震影響系數最大值：0.12，特征周期值：0.45 s。建筑物場地土類別：Ⅲ類。

3)復核結果。經復核，該衛生服務中心上部主體結構承載能力和變形能力基本能夠滿足規范要求，主要不符之處為：一層個別框架梁承載能力略有不足。

3 加固方案設計

以一層⑨軸框架梁KL3為例(見圖2標注部分)，截面尺寸為250 mm×600 mm，配筋圖見圖3。混凝土強度等級C30，經PKPM分析計算，該截面彎矩設計值為312.2 kN·m。

3.1 承載力復核

由截面力的平衡條件[3]得：

(1)

則：x=88.62 mm≥2as=70 mm。

其中,as為混凝土保護層厚度。

所以，該梁受彎承載力為[3]：

(2)

其中，Mu為梁受彎承載力；h0為截面有效高度，h0=500-35=465 mm。

則：Mu=261.8 kN·m<312.2 kN·m。

所以，該梁需要加固。

3.2 加固方案初步設計

擬采用兩層碳纖維布對梁抗彎加固。加固后，梁截面圖如圖4所示。

3.3 加固方案驗算

在梁底面粘貼碳纖維布時，梁的受彎承載力[4]：

(3)

其中，M為加固后梁受彎承載力，M=312.2 kN；x′為加固后梁受壓區高度。

則：x′=116.81 mm>2as=70 mm。

由加固后梁橫截面力的平衡[4]：

(4)

其中,ψf為碳纖維布強度利用系數，ψf=1.0；ff為碳纖維布抗拉強度設計值，ff=1 400 N/mm2；Afe為粘貼碳纖維布面積。

則需要粘貼碳纖維布面積：Afe=71.99 mm2。

其中,km為碳纖維布厚度折減系數，km=0.9；nf為粘貼碳纖維布層數，nf=2；bf為碳纖維布寬度，bf=250 mm；tf為碳纖維布厚度，tf=0.167 mm。

所以，加固方案滿足要求。

4 錨固方案設計

當碳纖維布應用于混凝土梁的抗彎加固時，常發生碳纖維布早期剝離破壞現象。剝離破壞作為一種脆性破壞模式，在實際工程中應避免。研究表明，采用一定的附加錨固措施可以提高加固梁的剝離承載力，避免碳纖維布的剝離破壞。

在眾多錨固方法中，碳纖維布U形箍錨固法由于施工操作方便、經濟性強等優點，是目前應用最為廣泛的錨固方式[5]。根據文獻[6][7]對U形箍錨固位置的研究結論，在框架梁端部布置寬度為150 mm的U形箍，剪跨區布置寬度為100 mm的U形箍，集中荷載處布置寬度為200 mm的U形箍，U形箍高度均為600 mm。附加碳纖維布U形箍示意圖見圖5。

5 結語

1)采用兩層碳纖維布加固后，框架梁抗彎承載力滿足要求。

2)碳纖維布應用于混凝土梁的抗彎加固時，常發生碳纖維布早期剝離破壞現象。采用一定的附加錨固措施可以提高加固梁的剝離承載力，避免碳纖維布的剝離破壞。

3)碳纖維布U形箍錨固法是一種有效的錨固方式，具有施工操作方便、經濟性強等優點。

[1] 張益多，劉榮桂.混凝土結構加固技術研究及應用綜述[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2003,24(6)：91-94.

[2] 張 沖.FRP加固混凝土梁抗剪承載力研究[D].西安：長安大學，2012.

[3] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[4] GB 50367—2013，混凝土結構加固設計規范[S].

[5] 夏建飛,周雪華.FRP片材錨固技術研究現狀[J].玻璃鋼/復合材料,2014(1):99-103.

[6] 張 瓊.U形箍錨固碳纖維加固低強度混凝土梁的有限元分析[D].秦皇島：燕山大學，2009.

[7] 譚賢秀.CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁錨固有限元研究[D].重慶：西南大學，2008.

Application of CFRP sheets in flexueal reinforcement of frame beam

Li Hao Kong Xinli Zhou Yupeng

(CollegeofDefenceEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Taking the reinforcement and renovation engineering of a health center as an example, a from the bearing capacity check, scheme design, calculation and other aspects, this paper elaborated the application of carbon fiber cloth in frame beams bending resistance reinforcement engineering, and introduced the design measures of anchorage scheme, effectively improved the stripping bearing capacity of reinforced beams.

frame beam, bending resistance reinforcement, carbon fiber cloth, anchoring scheme

1009-6825(2016)05-0039-02

2015-12-08

李 豪(1990- )，男，在讀碩士； 孔新立(1979- )，男，副教授； 周玉鵬(1991- )，男，在讀碩士

TU746.3

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