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理論探討
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碳纖維復合材料在混凝土結構加固中的技術探討


一、工程概況。
    某公司過濾車間廠房,始建于1981年,為3層鋼筋混凝土框架結構。由于使用年限過長,混凝土構件出現表面開裂現象,曾用環氧砂漿修補過。但近年來逐漸發現其梁、柱均發生了不同程度的損傷,梁、柱上裂縫明顯,許多裂縫寬度較大。此外,還發現梁、柱上多處鋼筋暴露且銹蝕嚴重。

二、檢測與計算結果分析
    l、檢測結果。
    通過檢測和檢查發現,混凝土框架梁、柱現有強度為C25;混凝土碳化深度在25mm左右,已碳化至梁柱主筋;有部分柱混凝土保護層順筋裂縫較寬,鋼筋暴露且銹蝕嚴重,鋼筋銹蝕后斷面面積損失率約為8%;有部分梁混凝土保護層順筋裂縫較寬,鋼筋暴露且銹蝕嚴重,鋼筋銹蝕后斷面面積損失約為9%。
    2、計算結果。
    荷載由原有設計院提供,其它荷載值按照現行規范,利用PKPM結構計算軟件計算結果表明,廠房第3層中間跨梁支座處負彎矩強度不夠;柱抗彎及抗剪承載力不夠,且不能滿足現有抗震規范要求;框架梁的撓度可以滿足現行規范要求;框架梁的裂縫寬度不能滿足現行要求。
    3、分析與結論。
    此廠房長期處于震動和污染環境,混凝土腐蝕開裂較快。當混凝土裂縫至鋼筋后,混凝土保護層失去作用,鋼筋逐漸銹蝕。鋼筋銹蝕到一定程度,混凝土保護層順筋開裂,甚至導致混凝土保護層局部脫落,鋼筋外露,給框架結構造成很大的危害。
    通過上述分析可以得出該結構主要存在兩大問題:
    一是部分構件承載力不能滿足現行規范要求;二是腐蝕問題影響了結構的耐久性。針對這個問題,需對結構進行補強加固和修補。

三、加固方案選擇
    根據計算及檢測結果,初步擬定加固方案有加大截面法、外包鋼套法及外貼碳纖維復合材料加固法。加大截面法自重增加較大,如采用這種方法還需要加固基礎,對原結構影響較大,施工周期長。考慮到廠方要求加固施工過程中不能停產,故首先排除這種方法。外包鋼套法取材方便,成本較低,施工簡單,但現場條件復雜,施工作業困難,而且該廠房處于腐蝕環境中。所以該方法也被排除掉,只能尋求耐腐蝕陛強、施工簡便的加固方法。碳纖維復合材料是由環氧樹脂粘高抗拉強度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有
以下幾個優點:a、強度高(強度約為普通鋼材的10倍),效果好.b、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性.c、自重輕(約200~m:),基本不增加結構白重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,適用范圍廣.d、施工簡便(不需大型施工機構及周轉材料),易于操作,經濟陛好;e、施TT期短;f、用于補強加固時對原結構幾乎沒有影響,加固修補效果及耐久陛好,可以大大提高被加固構件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震J勝能,增強構件的延性和剛度,改善構件的受力性能等。

    經過分析比較,最終確定利用碳纖維復合材料加固補強方案,方案如下:
(1壯:所有柱均需抗彎、抗剪及抗震加固。①抗彎加固:沿柱的主軸方向粘貼玻璃纖維布,提高其抗彎能力。②抗剪加固:沿柱主軸垂直方向粘貼玻璃纖維布,由玻璃纖維布與柱
箍筋共同承擔剪力,提高其抗剪能力。@抗震加固:在柱端一定長度范圍內,沿柱主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布;在梁柱節點處,除沿柱主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布外,再附加交叉方向的玻璃纖維布。
(2)梁:局部梁支座及跨中處需進行抗彎加固,所有梁需進行抗震加固。①抗彎加固:沿梁的主軸方向粘貼玻璃纖維布,提高其抗彎能力。②抗震加固:在梁端一定長度范圍內,沿梁主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布。

四、材料選擇。
    根據材料各種I生能比較,本次結構補強采用CFRP及粘貼結構膠YZJ,其能見表1、表2。表1 結構加固修補用碳纖維材料L300一C主要陛能指標彈性模量 延伸率 密度 耐腐蝕浸透性 均勻度(口、m 3) 性3550 24x105 20 1790 優 良好 良好表2 粘貼CFRP用長江牌(YzJ)建筑結構膠力學性能與混凝土抗拉強度 抗剪強度 適用溫度 彈性模量粘貼強度MP且 MPa ℃ GPa30~35 24~30 2 2 —40一+7O 5~6、

五、計算方法
    1、加固構件抗彎計算由文獻【犏到的鋼筋直徑損失與順筋裂縫之間的關系公式(構件中鋼筋平均直徑16ram)。△D: 645-71 W _562 (1)式中,△D一鋼筋直徑損失( m);w~ 裂縫寬度(mm)根據文獻【3】中,鋼筋截面損失率與構件承載力降低之間的關系,可推得到以下鋼筋截面損失率與構件承載力降低公式:12M#Mo+0.27p~%一12-0 (2)式中,M 書}濁構件承載力;M .正常構件承載力;p 一鋼筋截面損失率。由此,可以得到構件裂縫寬度與構件承載力降低之間的關系:12M,[M~10.89W-1 1.05=0 (3)在觀測宏觀裂縫寬度,并且已知構件原有承載力的前提下,可通過上式得構件承載力的降低值,來計算縱向碳纖維布的需要量。碳纖維布對銹蝕結構承載力的加固計算公式如下(按鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構件正截面承載力設計公式):0 j h=p 7^+Efe ~ 04、M。= ( —x/2) (5)在這里,根據ACI委員會FRP設計指南建議CFRP應變不應小于0.005,相當于x≤0.64∈山。 (6)
p。一銹蝕結構混凝土強度降低系數;p 一銹蝕結構混凝土強度降1氐系數; 1一p 為鋼筋銹蝕后面積降低系數;£按照混凝土設計規范修訂稿,混凝土強度等級不于C50時,等效矩形應力圖的應力取軸心抗壓強度 E —碳纖維布的彈性模量;s 一碳纖維布的極限拉應變(可取為0.01);A f..碳纖維布的使用截面積。2、銹蝕構件抗剪承載力加固設計抗剪加固設計公式v=V V1+Vf (7)其中,V 為混凝土的抗剪承載力,V 為箍筋的抗剪承載力,可按規范有關普通混凝土梁的規定方法進行計算,針對銹蝕構件,這兩項前分別乖于混凝土和鋼筋的降低系數p 、V 為碳纖維布抗剪承載力,按照碳纖維布的粘貼方式不同,采用不同計算公式。當梁側的碳纖維布是以等間距的U形條帶+壓條的粘貼方式進行,則公式為: rc『v (8)j ?廣.-碳纖維布受剪承載力影響系數(文獻[5]取為0.7);叮廣—碳纖維布破壞時應力;Af.一梁側碳纖維布條帶的面積;s廣_-梁側碳纖維布條帶的面積;h —鋼筋混凝土梁截面有效高度。當梁側的碳纖維布是以梁的側面全包+壓條的粘貼方式進行,則公式為Vf=c~crf tf h。 (9)t 一梁側碳纖維布的厚度。3、柱的抗震加固當柱抗剪能力不足或其配筋不滿足現行抗震設計規范要求時,采用封閉式粘貼玻璃纖維布條約束混凝土對柱進行抗剪、抗震加固,箍筋的總折算體積配箍率可按式(6)計算:: 。+ , 竺 竺 (10)? 一 “ ( +w#)bh ,w式中p 一按箍筋范圍以內的核心截面的體積配箍率;1)d--玻璃纖維布條的有效約束系數,取0.45;對于柱,當軸壓比大于0.5且未卸載時取0.36;s —玻璃纖維布條凈間距;t曠-單層玻璃纖維布條厚度;w 一玻璃纖維布條寬度;玻璃纖維布條抗拉強度設計值;fⅦ一—箍筋抗拉強度設計值。

六、施工方法基本舡步驟(如圖1):
1、基底處理
a混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等

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