碳纤维布加固钢筋混凝土预制板的设计分析

1、第21卷第4期2005年8月文章编号1002-8528(2005)04-0073-03建筑科学BUILDINGSCIENCEVol121,No.4Aug.2005张号军,卢亦焱(武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072)摘要在相关理论的基础上,并对其设计方法进行了探讨,。可为关键词碳纤维布;设计方法中图分类号TU320.2;TU528.582文献标识码BDesignandAnalysisofReinforcedConcretePrecastSlabsStrengthenedwithCarbonFiberSheetsZHANGHao2jun,LUYi2yan(SchoolofCivilEngi

2、neering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)AbstractBasedontherelatedtheories,thedesignmethodofreinforcedconcreteprecastslabsstrengthenedwithcarbonfibersheetisdiscussed.Andthroughthetheoreticalanalysis,thecalculatedformulaofcarbonfibersheetconsumptionispresented.Be2sides,theconstructionmethodofcarbonf

3、ibersheet2bondedtechniqueisintroducedinthepaper.Itcanprovidereferenceforothersimilarengineeringapplications.Keywordscarbonfibersheets;strengthening;precastslab;designmethod1前言钢筋混凝土预制空心板是我国20世纪6070年代楼板及屋盖的主要结构构件。作为建筑结构的主要承重构件,钢筋混凝土预制空心板在其正常使用年限内,常常由于结构的损伤老化以及受拉区混凝土裂缝等原因使水分穿透混凝土保护层,引起主钢筋锈蚀膨胀,发生混凝土局部胀裂

4、,结构承载力也相应下降,影响结构的安全使用,这就要求对钢筋混凝土预制板进行补强加固。作为一种新的加固方法,CFRP加固法具有高强高效、施工便捷、不增加结构自重和尺寸、耐腐蚀及耐久性能好等优点1式,在此基础上,对CFRP加固的施工工艺作了介绍。为实际工程应用提供了理论依据。2CFRP加固预制空心板的设计计算2.1截面换算空心板可按受弯构件进行正截面承载力计算,在计算时可将原截面换算成等效的I形截面,即在板的总高度和宽度不变的情况下,将圆孔按照截面形心位置、面积和对形心轴惯性矩不变的原则换算成be×he的矩形孔(如图1)。换算结果为:be=。d,he=d,b=l-nbe62(d-he),

5、hf=a1+(d-he)22本文对CFRP加固钢筋锈蚀的混凝土预制板设计方法进行了探讨,并提出了粘贴CFRP的用量计算公收稿日期2004-12-25作者简介张号军(1980-),男,在读博士生联系方式hanliuzhj801005hf=a1+式中be、he圆孔换算成矩形孔的宽度和高度;d、n圆孔的直径和总数;l、l、h板的上、下边宽度和总高度;74建筑科学a1、a1圆孔上、下边缘距板上、下边缘的距离;hf、hf等效I型截面上、下翼缘的厚度;bf、bf等效I型截面上、下翼缘的宽度;b等效I型截面腹板宽度。则:=第21卷若cfbh<x<bh0,根据平衡条件得:(1-)ksfyAs+Ec

6、fxcfAcf=fcbfx=(1)(2)0.8cucu+cfh0.8cufcbfcu(3)(1k)fAEcfcf(4)xcfbh,根据平衡条件得:(1-)ksfyAs+EcfxcfAcf=fcbf(5)则同理可得:Acf=(1-ks+ks)fyAsEcfcf(6)第2类T形截面x=图1空心板截面计算简化示意图fyAs+fcbhf-fcbfhffcb时同理可得:2.2计算分析当cfbh<x<bh0时,(1-)ksfyAs+Ecf-b)hfcfAcf=fcbx+fc(bf(7)依据加固后的预制板承载力Mu不小于板的主钢筋未锈蚀前的承载力Mu的基本原则,计算所需的CFRP的量Aa。I形截

7、面的受拉区粘贴CFRP加固后,预制板中的弯矩可由考虑锈蚀影响的原配钢筋和CFRP共同承担。原钢筋考虑钢筋锈蚀率的影响,同时应考虑钢筋屈服强度的折减,引入钢筋屈服强度的折减系数ks。加固设计依据混凝土结构加固技术规范和碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程;承载力计算可按混凝土结构设计规范规定进行。(1)简化计算为了简化计算,可将Mu=Mu432cf=则Acf=当xcfbh时,0.8hcufcbffyAs-cu(8)(1-ks+ks)fyAsEcf(9)cf(1-)ksfyAs+Ecf-b)hfcfAcf=fcbx+fc(bf(10)Acf=(1-k+k)fAEcfcf(11)可见,无论截面为1类

8、或2类T形截面,对CFRP加固修复主钢筋锈蚀的钢筋混凝土预制板所需的碳纤维布的量为:当cfbh<x<bh0时,Acf=(1-k+k)fA的原则近似等效为:承载力计算中,加固后预制板的混凝土受压区高度与主钢筋未锈蚀前预制板的混凝土受压区高度相同。这种简化是偏于安全的。不考虑二次受力的影响。(2)CFRP的用量计算(Aa)Ecf(1-k+k)fAcf(12)第1类T形截面x当xcfbh时,时fcbffAAcf=Ecfcf(13)第4期张号军,等:碳纤维布加固钢筋混凝土预制板的设计分析75式中钢筋锈蚀率;粘结CFRP与混凝土共同工作的折减系数,取0.9;ks锈蚀钢筋强度折减系数;fy、A

9、s受拉钢筋抗拉强度、截面面积;磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出混凝土结构新面;转角粘贴处要进行导角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20mm,并用无油压缩空气吹除粉粒或清水冲洗,待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦净表面。(3)fc混凝土轴心抗压强度设计值;Ecf碳纤维片材的弹性模量;。应在树脂表面指触。(4)找平处理对混凝土表面凹陷部位用找平fcf、Acf;x;cfb土压坏同时发生时的界限相对受压区0.8cu高度,取=;cfbcu+cf混凝土极限压应变,取0.0033;cu碳纤维片材的拉应变,取cfcf=0.8hcufcbffyAs材料填补平整,且不应有棱角,转角处用找平材料修复为光

10、滑的圆弧,半径应不小于20mm,指触干燥后进行下一道工序。(5)粘贴将需要粘贴的混凝土表面涂上薄而均匀的浸渍树脂,然后将事先裁好的碳纤维布贴于预定位置,随后用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压,挤除气泡,使浸渍树脂充分浸透碳纤维布,同时使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结,压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复本步骤,应在纤维表面浸渍树脂指触干燥后立即进行下一层的粘贴,在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。(6)表面防护最后在碳纤维布上覆塑料薄膜-cu;碳纤维片材的允许拉应变,取cf2cfuminkm,0.01;cfu碳纤维片材的极限拉应变;取fcfk/Ecf;cfukm碳纤维片材厚度折减系数,取nEt进

11、行保护,至少8h后去除塑料薄膜,在碳纤维布表,tcf(mm),Ecf(MPa);1-420000面涂抹一层基底树脂,待基底树脂指触干燥后,外抹水泥砂浆做面层。(7)固化在常温下12d可完全固化。ncf碳纤维片材的层数;tcf单层碳纤维片材的厚度。3施工工序CFRP加固钢筋锈蚀的混凝土预制板的施工工4总结及建议(1)本文提出了CFRP加固钢筋混凝土预制板艺流程为:钢筋除锈及裂缝灌浆处理混凝土表面处理涂刷底层树脂找平处理粘贴碳纤维布固化表面防护。(1)钢筋除锈及裂缝灌浆处理在有可靠临时的设计计算方法,该计算方法概念明确、精度高,且简单实用,可供设计人员参考使用。(2)为保证CFRP强度的充分发挥,

12、设计时应尽量避免粘结破坏的发生,如:选用性能可靠的粘贴用胶;所加固钢筋混凝土预制板的混凝土强度等级不得低于C15;在实际工程中要使锚固长度尽可能大,同时要有可靠的锚固措施。(下转第84页)支撑的情况下,先凿除腐蚀疏松的混凝土,对钢筋除锈,然后将表面清洗干净后灌不低于原结构混凝土强度等级的聚合物胶凝砂浆。(2)混凝土表面处理被粘贴混凝土表面应打84建筑科学第21卷4施工措施及应用效果桩嵌入承台内长度>100mm,压桩孔内应采用C30微膨胀早强混凝土浇筑密实。压桩施工应对称5结束语工程实践表明,锚杆静压桩技术具有以下优点3:(1)施工设备轻便、移动灵活、操作方便,进行。开凿压桩孔并将孔壁凿毛

13、清理干净,压桩孔将原承台钢筋割断弯起,待压桩后再焊接。楔形孔上部为300mm×300mm,下部为400mm×400mm开凿锚杆孔,并用粘结剂封固。合规范JGJl23-2000毕后焊接锚杆交叉钢筋,清除压桩孔内杂物,然后与桩帽一起浇筑C30微膨胀早强混凝土,厚度为500mm。并采用一柱一封的方式,各桩尽量同时进2(24.5m)内进行压,机械无法进入施;(2)压桩施工过程中无振动、无噪音、无污染,对周围环境无影响,适用于密集的居民区内的地基加固施工,尤其适用于老城区改造和在密集建筑群内新建多层建筑时的地基加固工程;(3)采用锚杆静压桩施工,传递荷载过程和受行封口,待封填的混凝土

14、达到规定强度后,方可进行上部结构施工。要加强观察,防止封口开裂和基础不均匀沉降。该工程加固压桩施工从2002年5月30日开始,共160根桩用了30个昼夜,2003年10月工程竣工投产,到目前为止,原结构安然无恙,基础未出现不均匀沉降,说明采用锚杆静压桩加固取得了很好的效果。(上接第75页)(3)碳纤维布用来加固钢筋混凝土预制板时,施力性能非常明确,可直接测得每根桩的实际压桩力和桩的入土深度,对施工质量有可靠保证。参考文献1JGJ94-94,建筑桩基技术规范S.2JGJ123-2000,既有建筑地基基础加固技术规范S.3周清,等.既有建筑物地基加固和纠偏J.土工基础,2002(3):17-19.

15、(上接第81页)内,对基坑整体稳定不起作用;第5排预应力锚杆的设置有效地提高了潜在滑动体的抗滑力矩,对加强基工显得特别重要,若施工质量没有保证,则加固效果坑整体稳定效果显著。本工程预应力锚杆复合土钉将大打折扣。施工时要保证碳纤维布表面干净;粘贴墙的应用是成功的,不但满足了基坑整体稳定要求,而且有效控制了基坑边坡的变形。碳纤维布的混凝土表面一定要打磨平整,除去油渍和浮灰;胶要涂刷均匀;粘贴碳纤维布时要拉紧;碳纤维布与板粘贴要密实。参考文献1高作平,陈明祥.混凝土结构粘结加固技术新进展M.北京:中4结论(1)在基坑深度超出12m,经验算满足基坑整体稳定要求的前提下,可采用预应力锚杆复合土钉墙支护结构;(2)相对于普通土钉