碳纤维加固技术在砖混结构加固中的应用.doc

碳纤维加固技术在砖混结构加固中的应用摘要：以一个工程应用为例介绍了碳纤维复合材料（CFRP）在砖混结构加固中的计算方法和施工工艺。关键词：碳纤维复合材料 砖混结构 加固技术APPLICATION OF CFPR TO STRENGTHEN BRICKWORK STRUCTURESAbstract：The method and technics of CFRP strengthening for brickwork structures is introduced based on an application example of reconstruction engineering.Keywords：CFRP, brickwork structures, strengthen technology碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer简称CFRP）是一种新兴的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领域，近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。碳纤维增强聚合物（也称碳纤维增强塑料）由改性环氧树脂粘聚高抗拉强度的碳纤维束组成。采用碳纤维布加固具有以下几个优点：a、抗拉强度高（抗拉强度约为二级钢的十几倍），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200g/m2），基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广，适合任何形状；d、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），没有湿作业，易于操作，经济性好；e、施工工期短。1、工程概况某市公安局干警接待站建造于80年代，属于砖混结构，共六层，每隔两层布置一层圈梁，即2、4、6层设有圈梁，设计时未进行抗震设防。1995年曾对2、4、6层周边圈梁采用加大截面法对其进行抗震加固，并在转角增设抗震柱。2000年5月，建筑物内部改造，部分圈梁下承重墙需拆除，需对相应圈梁进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，决定采用碳纤维复合材料进行加固。加固平面如图1所示。图1 加固平面（2、4、6层圈梁）2、材料特性本工程使用德国进口的碳纤维布（UDO200），其主要性能指标见表1：表1型号单位面积质量（gcm-2）设计厚度mm设计抗拉强度fcf / MPa弹性模量Ecf / MPaUDO2002000.11135342.28105粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶，其主要性能指示见表2：表2种类拉伸强度MPa压缩强度MPa剪切强度MPa适用温度可使用时间min基底树脂（JGN-E）-0381530修补树脂（LGN-F）28501803840粘结树脂（JGN-D）285018038603、加固设计3.1基本假定碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：（1）受拉区混凝土的作用忽略不计；（2）梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：cf=Ecfcf且cf0.01。3.2设计方法3.2.1实用公式根据极限状态应力应变关系（图2），由平衡条件可得：当2a时，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcf （1）MucfAcf(h-/2)+fyAs(h0-/2)-fyAs(/2-as) 当2a时，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcf （2）MucfAcf (h-as)+fyAs(h0-as)图2 截面极限状态应力示意图式中 Mu包含初始弯矩的总弯矩设计值Acf受拉面粘贴的碳纤维片材截面面积;cf碳纤维片材抗拉强度设计值;AS、AS受拉钢筋、受压钢筋截面面积;fy、fy受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值;3.2.2规程公式根据碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程（报批稿）的规定，当混凝土受压区高度xcfbh时，其极限弯矩：M= fyAs x (h0x/2)+ fyAs (h0a)+ Ecf cfAcf (hh0) （3）当混凝土受压区高度2axcfbh时，其极限弯矩：MfyAs (h0- 0.5gcfbh)+Ecfcf Acf（1-0.5cfb） （4）当混凝土受压区高度x2a时，其极限弯矩： M= fyAs(h0-a)+Ecf cfAcf(h0-a) （5）其中，界限相对受压区高度：cfb=0.8cu/（cu+cf） （6）cf= kmcfu 其中km=1-ncfEcftcf/42000 （7）式中 M包含初始弯矩的总弯矩设计值Acf受拉面粘贴的碳纤维片材截面面积;cf碳纤维片材抗拉强度设计值;AS、AS受拉钢筋、受压钢筋截面面积;fy、fy受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值;Ecf碳纤维片材弹性模量;cfb碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度;cf碳纤维片材的允许拉应变;km碳纤维片材厚度折减系数;ncf碳纤维片材的层数;tcf单层碳纤维片材的厚度;cu混凝土极限压应变，取0.0033;3.3梁加固设计梁截面：bh=240mm300mm，原梁配有As0 = 226mm2 As0=226mm2设计弯矩：Mu=28Knm 设计配筋As = 402mm2 As=226mm23.3.1按实用公式计算（因为圈梁原配筋截断位置不明，加固计算中不考虑原配筋作用）首先估算混凝土受压区高度45.6mm2a=70mm根据公式(2),解得:Acf=46.34mm23.3.2按规程公式计算（因为圈梁原配筋截断位置不明，加固计算中不考虑原配筋作用）km=1-ncfEcftcf/42000=0.881cf= kmcfu=0.011 取cf=0.01界限相对高度：cfb=0.80.0033/(0.0033+0.01)=0.198552.268mm2a=70mm根据公式（4），解得：取Acf=46.34mm2 3.3.3设计结论两种计算公式（2）与（5）相比较，在x2a时，计算公式是一致的。在2a，规程公式还区分cfbh和cfbh的情况，本设计采取在梁底粘贴240mm宽碳纤维布两层（Acf=52.8mm2），可满足设计和使用要求。 3.4构造做法为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴160mm宽U型箍1道,在主次梁相交处每侧粘贴160mm宽U型箍1道,具体做法如图3所示。图3 厦门市公安局接待站-粘贴碳纤维加固图4、加固施工一般工艺流程为卸荷基底处理涂底胶找平粘贴保护。考虑本工程特殊施工环境因素，加固中应进行卸荷。加固前先将板面粉刷层及板面杂物清除。本工程加固施工中，应先凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。基本施工步骤：基底处理混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R20mm）。风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。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，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌。根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间，一般情况下2050mim内用完。将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为624h。找平混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。粘贴按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后，用特制工具反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分浸透碳纤维布；并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。多层粘贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。在碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200mm。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。质量要求每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。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