陳莉

【摘 要】碳纖維，簡稱 CFRP，是近十年來在發(fā)達(dá)國家新興的一種加固混凝土結(jié)構(gòu)的新材料，以其優(yōu)異的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域日漸受寵，具有高強(qiáng)質(zhì)輕，耐久耐腐蝕性好等特點(diǎn)。 我國于上個(gè)世紀(jì) 90 年代展開了對該項(xiàng)技術(shù)的研究，并于 2003 年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前碳纖維已廣泛應(yīng)用到各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固工程中。本文對由于功能調(diào)整引起的構(gòu)件加固進(jìn)行了計(jì)算和介紹，進(jìn)一步說明了這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和有效性。通過實(shí)例對框架結(jié)構(gòu)建筑功能調(diào)整中主、次梁構(gòu)件進(jìn)行了粘碳纖維加固結(jié)構(gòu)計(jì)算，對碳纖維加固施工工藝和施工要點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】框架結(jié)構(gòu)；碳纖維；加固工程

前言：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱：FRP）加固技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速。FRP材料主要是指碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（CFRP）及芳綸纖維（AFRP）等樹脂類復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的建筑加固材料相比，它們具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性好、易于施工等突出優(yōu)點(diǎn)。

近年來，國際國內(nèi)對與碳纖維復(fù)合材料用于各種材料的加固進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究，尤其是在混凝土材料的結(jié)構(gòu)的加固試驗(yàn)研究上的研究取得了可喜的成果，并且已經(jīng)形成了部分纖維復(fù)合材料加固行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、技術(shù)較為成熟的施工技術(shù)。

一、工程概況

某礦山企業(yè)主井大樓，框架結(jié)構(gòu)60m高?，F(xiàn)六層部分房間改為機(jī)房，受到?jīng)_擊力荷載增加，為保證結(jié)構(gòu)安全，需對機(jī)房處五層頂梁板進(jìn)行加固施工。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。

二、材料特性

本工程使用了日本進(jìn)口的碳纖維布（ST300），其主要性能指標(biāo)見表1。

表1碳纖維布主要性能指標(biāo)

三、加固設(shè)計(jì)

1基本假定

（1）受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)。

（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)符合平截面假定。

（3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf

2設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2006）的規(guī)定，在矩形

截面受彎構(gòu)件的受拉邊混凝土表面上粘貼碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，其正截面受彎承載力應(yīng)按下列公式確定：

M≤α1fcobxh0-x2+f′y0A′s0（h-a′）-fy0As0（h-h0）（1）

α1fcobx=fy0As0+ΨfffAfe-f′y0-A′s0（2）

Af=Afe/km（3）

式中

fy0、f′y0———原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

As0、A′s0———原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的截面面積。

Afe———碳纖維的有效截面面積。

Ψf———考慮碳纖維實(shí)際抗拉應(yīng)變達(dá)不到設(shè)計(jì)值而引用的強(qiáng)度利

用系數(shù)。

Af———實(shí)際應(yīng)粘貼的碳纖維截面面積。

km———碳纖維厚度折減系數(shù)。

3次梁加固設(shè)計(jì)

次梁截面：b×h=250mm×600mm；原截面鋼筋：As0=911mm2，A′s0=402mm2；功能調(diào)整前截面彎矩：M0=150kN·m，功能調(diào)整后截面彎矩：M=200kN·m；功能調(diào)整前截面最大剪力：Vmax0=190kN，功能調(diào)整后截面最大剪力：Vmax=260kN。

（1）正截面加固計(jì)算

混凝土受壓區(qū)高度：x=52mm≥2α′，根據(jù)公式（2）、（3）解得：Af=46.2mm2。

采用在梁底粘貼250mm寬碳纖維布兩層（Af=83.5mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

（2）斜截面加固計(jì)算

驗(yàn)算截面尺寸：0.25βcfc0bh0=686kN>Vmax，截面滿足要求。

原次梁斜截面承載力：Vu=0.7βhft0bh0+1.25fyv0Asv0sh0=330kN>Vmax，滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算截面滿足抗剪承載力驗(yàn)算，故僅需對構(gòu)件做構(gòu)造處理增加

環(huán)形箍或“U”形箍。

4主梁加固設(shè)計(jì)

主梁截面：b×h=300mm×600mm，原截面鋼筋A(yù)s0=1520mm2，A′s0=760mm2。功能調(diào)整前截面彎矩M0=260kN·m，功能調(diào)整后截面彎矩M=350kN·m；功能調(diào)整前截面最大剪力Vmax0=360kN，功能調(diào)整后截面最大剪力Vmax=500kN。

（1）正截面加固計(jì)算

混凝土受壓區(qū)高度：x=75mm≥2α′，根據(jù)公式（2）、（3）解得：Af=140.2mm2。

采用在梁底粘貼300mm寬碳纖維布四層（Af=150.3mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。經(jīng)驗(yàn)算截面滿足抗剪驗(yàn)算。

（2）斜截面加固計(jì)算

驗(yàn)算截面尺寸：0.25βcfc0bh0=823kN>Vmax，截面滿足要求。

原次梁斜截面承載力：Vu=0.7βhft0bh0+1.25fyv0Asv0sh0=443kN>Vmax，滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算截面滿足抗剪承載力驗(yàn)算，故僅需對構(gòu)件做構(gòu)造處理增加“環(huán)”形箍或“U”形箍。

5構(gòu)造做法

為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力，在梁端每側(cè)粘貼“U”形箍。

柱邊3個(gè)U形箍；2.次梁每側(cè)2個(gè)U形箍

四、粘貼碳纖維布施工工藝及要點(diǎn)

1施工工藝流程

混凝土表面處理→涂底膠→修補(bǔ)找平→粘貼碳纖維布。

2表面處理

（1）被粘貼混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮渣、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。

（2）用壓縮空氣機(jī)吹去混凝土表面粉塵并清理干凈，保持混凝土表面干燥。

3粘貼碳纖維

粘貼碳纖維布應(yīng)符合下列要求：

（1）按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。

（2）按照工藝規(guī)定配制浸漬樹脂并均勻涂抹于所要粘貼的部位。

（3）用專用的滾筒沿著碳纖維方向多次滾壓，擠出氣泡，使浸漬樹

脂充分浸透碳纖維布。滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。

（4）最后在碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

（5）待碳纖維完全干燥后，外面抹防護(hù)水泥砂漿并與原抹灰層找平。

五、實(shí)施效果

1加固后的碳纖維與原混凝土之間能共同工作，使加固體系與原構(gòu)件形成一個(gè)良好的整體，提高了結(jié)構(gòu)整體承載力。

2碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期很短，效率高，材料由人工在現(xiàn)場加工；沒有大中型設(shè)備的損耗；檢測方便、快捷，在較小的空間即可進(jìn)行施工，基本不影響結(jié)構(gòu)的正常使用。施工便捷，對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外形大都可以使用該方法加固。由于材料自重較輕，加固后基本不增加結(jié)構(gòu)自重，不改變結(jié)構(gòu)外觀尺寸和形狀，與其他加固方法相比，節(jié)省了大量的機(jī)械臺班費(fèi)、人工費(fèi)和檢測費(fèi)。

3運(yùn)用該技術(shù)施工時(shí)對環(huán)境的干擾影響很小，符合現(xiàn)代工程建設(shè)對施工技術(shù)的要求，有利于環(huán)境保護(hù)，從長遠(yuǎn)看，該技術(shù)將在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

六、結(jié)束語

工程實(shí)踐證明，CFRP加固技術(shù)對于建筑功能調(diào)整的補(bǔ)強(qiáng)加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，該技術(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達(dá)到了業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙志高.有限元法在基礎(chǔ)不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)受損分析中的應(yīng)用[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（04）：114-116.

[2]王宗年，李志剛.某教學(xué)樓裂縫原因分析和安全性檢測鑒定[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，（04）：27-30.

[3]馬衛(wèi)華，康洪震.FRP加固在役混凝土柱軸壓試驗(yàn)方法[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，（02）：34-36，41.