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碳纤维复合材料在混凝土结构加固中的技术探讨


一、工程概况。
    某公司过滤车间厂房,始建于1981年,为3层钢筋混凝土框架结构。由于使用年限过长,混凝土构件出现表面开裂现象,曾用环氧砂浆修补过。但近年来逐渐发现其梁、柱均发生了不同程度的损伤,梁、柱上裂缝明显,许多裂缝宽度较大。此外,还发现梁、柱上多处钢筋暴露且锈蚀严重。

二、检测与计算结果分析
    l、检测结果。
    通过检测和检查发现,混凝土框架梁、柱现有强度为C25;混凝土碳化深度在25mm左右,已碳化至梁柱主筋;有部分柱混凝土保护层顺筋裂缝较宽,钢筋暴露且锈蚀严重,钢筋锈蚀后断面面积损失率约为8%;有部分梁混凝土保护层顺筋裂缝较宽,钢筋暴露且锈蚀严重,钢筋锈蚀后断面面积损失约为9%。
    2、计算结果。
    荷载由原有设计院提供,其它荷载值按照现行规范,利用PKPM结构计算软件计算结果表明,厂房第3层中间跨梁支座处负弯矩强度不够;柱抗弯及抗剪承载力不够,且不能满足现有抗震规范要求;框架梁的挠度可以满足现行规范要求;框架梁的裂缝宽度不能满足现行要求。
    3、分析与结论。
    此厂房长期处于震动和污染环境,混凝土腐蚀开裂较快。当混凝土裂缝至钢筋后,混凝土保护层失去作用,钢筋逐渐锈蚀。钢筋锈蚀到一定程度,混凝土保护层顺筋开裂,甚至导致混凝土保护层局部脱落,钢筋外露,给框架结构造成很大的危害。
    通过上述分析可以得出该结构主要存在两大问题:
    一是部分构件承载力不能满足现行规范要求;二是腐蚀问题影响了结构的耐久性。针对这个问题,需对结构进行补强加固和修补。

三、加固方案选择
    根据计算及检测结果,初步拟定加固方案有加大截面法、外包钢套法及外贴碳纤维复合材料加固法。加大截面法自重增加较大,如采用这种方法还需要加固基础,对原结构影响较大,施工周期长。考虑到厂方要求加固施工过程中不能停产,故首先排除这种方法。外包钢套法取材方便,成本较低,施工简单,但现场条件复杂,施工作业困难,而且该厂房处于腐蚀环境中。所以该方法也被排除掉,只能寻求耐腐蚀陛强、施工简便的加固方法。碳纤维复合材料是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有
以下几个优点:a、强度高(强度约为普通钢材的10倍),效果好.b、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性.c、自重轻(约200~m:),基本不增加结构白重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,适用范围广.d、施工简便(不需大型施工机构及周转材料),易于操作,经济陛好;e、施TT期短;f、用于补强加固时对原结构几乎没有影响,加固修补效果及耐久陛好,可以大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震J胜能,增强构件的延性和刚度,改善构件的受力性能等。

    经过分析比较,最终确定利用碳纤维复合材料加固补强方案,方案如下:
(1壮:所有柱均需抗弯、抗剪及抗震加固。①抗弯加固:沿柱的主轴方向粘贴玻璃纤维布,提高其抗弯能力。②抗剪加固:沿柱主轴垂直方向粘贴玻璃纤维布,由玻璃纤维布与柱
箍筋共同承担剪力,提高其抗剪能力。@抗震加固:在柱端一定长度范围内,沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布;在梁柱节点处,除沿柱主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布外,再附加交叉方向的玻璃纤维布。
(2)梁:局部梁支座及跨中处需进行抗弯加固,所有梁需进行抗震加固。①抗弯加固:沿梁的主轴方向粘贴玻璃纤维布,提高其抗弯能力。②抗震加固:在梁端一定长度范围内,沿梁主轴垂直方向加密粘贴玻璃纤维布。

四、材料选择。
    根据材料各种I生能比较,本次结构补强采用CFRP及粘贴结构胶YZJ,其能见表1、表2。表1 结构加固修补用碳纤维材料L300一C主要陛能指标弹性模量 延伸率 密度 耐腐蚀浸透性 均匀度(口、m 3) 性3550 24x105 20 1790 优 良好 良好表2 粘贴CFRP用长江牌(YzJ)建筑结构胶力学性能与混凝土抗拉强度 抗剪强度 适用温度 弹性模量粘贴强度MP且 MPa ℃ GPa30~35 24~30 2 2 —40一+7O 5~6、

五、计算方法
    1、加固构件抗弯计算由文献【犏到的钢筋直径损失与顺筋裂缝之间的关系公式(构件中钢筋平均直径16ram)。△D: 645-71 W _562 (1)式中,△D一钢筋直径损失( m);w~ 裂缝宽度(mm)根据文献【3】中,钢筋截面损失率与构件承载力降低之间的关系,可推得到以下钢筋截面损失率与构件承载力降低公式:12M#Mo+0.27p~%一12-0 (2)式中,M 书}浊构件承载力;M .正常构件承载力;p 一钢筋截面损失率。由此,可以得到构件裂缝宽度与构件承载力降低之间的关系:12M,[M~10.89W-1 1.05=0 (3)在观测宏观裂缝宽度,并且已知构件原有承载力的前提下,可通过上式得构件承载力的降低值,来计算纵向碳纤维布的需要量。碳纤维布对锈蚀结构承载力的加固计算公式如下(按钢筋混凝土单筋矩形截面受弯构件正截面承载力设计公式):0 j h=p 7^+Efe ~ 04、M。= ( —x/2) (5)在这里,根据ACI委员会FRP设计指南建议CFRP应变不应小于0.005,相当于x≤0.64∈山。 (6)
p。一锈蚀结构混凝土强度降低系数;p 一锈蚀结构混凝土强度降1氐系数; 1一p 为钢筋锈蚀后面积降低系数;£按照混凝土设计规范修订稿,混凝土强度等级不于C50时,等效矩形应力图的应力取轴心抗压强度 E —碳纤维布的弹性模量;s 一碳纤维布的极限拉应变(可取为0.01);A f..碳纤维布的使用截面积。2、锈蚀构件抗剪承载力加固设计抗剪加固设计公式v=V V1+Vf (7)其中,V 为混凝土的抗剪承载力,V 为箍筋的抗剪承载力,可按规范有关普通混凝土梁的规定方法进行计算,针对锈蚀构件,这两项前分别乖于混凝土和钢筋的降低系数p 、V 为碳纤维布抗剪承载力,按照碳纤维布的粘贴方式不同,采用不同计算公式。当梁侧的碳纤维布是以等间距的U形条带+压条的粘贴方式进行,则公式为: rc『v (8)j ⋯广.-碳纤维布受剪承载力影响系数(文献[5]取为0.7);叮广—碳纤维布破坏时应力;Af.一梁侧碳纤维布条带的面积;s广_-梁侧碳纤维布条带的面积;h —钢筋混凝土梁截面有效高度。当梁侧的碳纤维布是以梁的侧面全包+压条的粘贴方式进行,则公式为Vf=c~crf tf h。 (9)t 一梁侧碳纤维布的厚度。3、柱的抗震加固当柱抗剪能力不足或其配筋不满足现行抗震设计规范要求时,采用封闭式粘贴玻璃纤维布条约束混凝土对柱进行抗剪、抗震加固,箍筋的总折算体积配箍率可按式(6)计算:: 。+ , 竺 竺 (10)⋯ 一 “ ( +w#)bh ,w式中p 一按箍筋范围以内的核心截面的体积配箍率;1)d--玻璃纤维布条的有效约束系数,取0.45;对于柱,当轴压比大于0.5且未卸载时取0.36;s —玻璃纤维布条净间距;t旷-单层玻璃纤维布条厚度;w 一玻璃纤维布条宽度;玻璃纤维布条抗拉强度设计值;fⅦ一—箍筋抗拉强度设计值。

六、施工方法基本舡步骤(如图1):
1、基底处理
a混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等

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