碳纖維布加固混凝土梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算及施工規(guī)程建議

1、碳纖維布加固混凝土梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算及施工規(guī)程建議碳纖維布加固鋼筋混凝土短柱的抗震性能試驗(yàn)研究 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院屈文俊 張譽(yù) 摘要：碳纖維加固混凝土梁的計(jì)算理論和施工操作規(guī)范，是碳纖維加固混凝土梁走向規(guī)范化和科學(xué)化的基礎(chǔ)。本文依據(jù)三根粘貼碳纖維布混凝土梁的抗彎試驗(yàn)，建議了碳纖維加固混凝土梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算方法，依實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，提出了碳纖維布加固混凝土梁的施工規(guī)程建議。關(guān)鍵詞：碳纖維布加固梁，抗彎強(qiáng)度，施工規(guī)程前 言：混凝土結(jié)構(gòu)工程新千年所面臨的主要問(wèn)題之一是：既有混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)。 粘貼碳纖維布加固技術(shù)，是近十年在日本首先應(yīng)用和發(fā)展的，已有一千多個(gè)工程實(shí)例。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： 1、

2、性能穩(wěn)定，一般無(wú)腐蝕問(wèn)題。 2、重量輕，不增加結(jié)構(gòu)靜載。 3、強(qiáng)度高。4、容易手工操作，不需專門機(jī)械設(shè)備。 5、施工無(wú)灰塵和噪聲污染，并可不間斷生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。目前，在我國(guó)已有不少單位在研究碳纖維粘貼布的計(jì)算方法，已有不少工程實(shí)例。同濟(jì)大學(xué)在接收生產(chǎn)任務(wù)的同時(shí)，針對(duì)性地做了一系列試驗(yàn)，如環(huán)向粘貼碳纖維布間接提高柱的抗壓承載能力試驗(yàn)，加固混凝土梁的抗彎試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，為工程應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。本文的主要目的是探討粘貼碳纖維布混凝土梁的抗彎計(jì)算方法以及總結(jié)粘貼碳纖維布的施工操作方法。試驗(yàn)研究： 在同濟(jì)大學(xué)建工系結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行了三根梁的試驗(yàn)，其中二根梁貼碳纖維布加固，為對(duì)比試驗(yàn)，一根梁沒(méi)有粘貼碳纖維布。三根

3、試驗(yàn)梁（L-1，L-2a，L-2b）的截面特性見(jiàn)表1，試驗(yàn)梁澆筑日期：99年10月21-22日，水泥：砂：石子=26：48：97；貼碳纖維布日期：99年11月16日； 碳纖維布為上海同砼碳纖維布有限公司生產(chǎn)的“同砼”牌無(wú)紡單向碳纖維布，試驗(yàn)梁的加固工作在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，為了與實(shí)際加固施工現(xiàn)場(chǎng)操作相一致，操作人員上仰操作，加固操作程序?yàn)椋捍虻啄z、批膠泥、上膠、貼碳纖維布、罩面膠。 靜載試驗(yàn)日期：99年11月18-11月21日 （一）、加荷裝置示意（二）、材料性能 混凝土、鋼筋的材料性能見(jiàn)表1。碳纖維布的規(guī)格：0.1×45mm,極限抗拉強(qiáng)度：3600Mpa,彈性模量 235Gpa。 （三）

4、、試驗(yàn)結(jié)果、破壞特性： 二根（L-2a，L-2b）貼碳纖維布梁的破壞為：受拉鋼筋首先屈服，而后加固梁表現(xiàn)出較大的塑性，最后碳纖維布拉斷；一根（L- 1）沒(méi)有采用加固措施試驗(yàn)梁的破壞為：受拉鋼筋屈服破壞。、加固效果對(duì)比 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。圖2.荷載-跨中撓度曲線表1.試驗(yàn)梁截面特性及試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)梁編號(hào)截面b×h(mm×mm)立方體強(qiáng)度MPaA s (As=0) mm×mma s鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn) y (Mpa)鋼筋極限強(qiáng)度f(wàn) y (Mpa)梁截面極限彎矩Mu(KN-m)未加固截面計(jì)算極限彎矩Mj1(KN-m)粘貼層數(shù)×條數(shù)加固后截面計(jì)算極限彎矩Mj2(KN-m)

5、截面極限強(qiáng)度提高率%Mu/Mj2破壞特性L-1150×25033.72262128541014.714.26無(wú)0 鋼筋屈服L-2a150×25033.22262128541022.0514.25單層21.9254.71.015碳纖維拉斷L-2b150×25035.02262128541020.314.28單層21.9842.20.932碳纖維拉斷（四）結(jié)論、加固后的試驗(yàn)梁，皆由于碳纖維布的拉斷而破壞，說(shuō)明粘結(jié)性能良好，加固方法可靠，能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)要求。 、加固后試驗(yàn)梁的截面破壞彎矩，比加固前試驗(yàn)梁的截面破壞計(jì)算彎矩提高42-54.7%，說(shuō)明加固效果明 顯。 、

6、碳纖維的彈性模量與鋼筋相近，但由于其強(qiáng)度高，充分發(fā)揮碳纖維的強(qiáng)度需要較大的應(yīng)變。 、碳纖維布加固梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算 依據(jù)加固試驗(yàn)梁的破壞特性，在極限狀態(tài)下，受拉鋼筋屈服，破壞由碳纖維拉斷誘發(fā)，參照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范抗彎設(shè)計(jì)計(jì)算的基本原理，假定:、混凝土梁受彎后，變形規(guī)律符合平截面； 、鋼筋為理想彈塑性材料; 、混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所建議的關(guān)系式；在極限狀態(tài)下，受壓區(qū)混凝土 應(yīng)力等效為矩形應(yīng)力塊，應(yīng)力強(qiáng)度為混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度; 、忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度; 、在極限狀態(tài)下，碳纖維的應(yīng)力達(dá)抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。 在極限狀態(tài)下,加固梁的截面應(yīng)力圖由圖3所示。圖中，Mu截面極限彎矩;As

7、,As受拉受壓鋼筋面積， fY,fY鋼筋抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度：ACF碳纖維截面面積；fCF碳纖維的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，建議取極限抗拉強(qiáng)度的0.8倍。圖3所示截面的平衡方程為：Fx=0Asfy+AcFfcf-Asfy-bxfcm=0 (1)MAS(F)=0M=bxfcm(ho-x/2)+Asfy(ho-as)+AcFfcFas (2)將試驗(yàn)梁材料的實(shí)際強(qiáng)度代入（1）和（2），可計(jì)算出梁的極限破壞彎矩，見(jiàn)表1。實(shí)際梁截面破壞彎矩Mu與加固后截面計(jì)算極限彎矩比值的平均數(shù)為0.9735，說(shuō)明計(jì)算方法可靠。四、碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收建議總 則 第1.0.1條 碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)

8、，主要用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修補(bǔ)工程。為確保該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的工程質(zhì)量，提高施工管理水平，特制訂本規(guī)范。第1.0.2條 本規(guī)范適用于因設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)、材料質(zhì)量不符合要求、使用功能改變、遭受災(zāi)害以及耐久性原因而需對(duì)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土及素混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修補(bǔ)的施工及驗(yàn)收。第1.0.3條 加固修補(bǔ)所使用的碳纖維布和膠粘劑，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求選用，并應(yīng)符合現(xiàn)行材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。對(duì)材料質(zhì)量發(fā)生懷疑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抽樣檢查，合格后方可使用。第1.0.4條 碳纖維布加固修補(bǔ)施工的環(huán)境溫度，應(yīng)按膠粘劑產(chǎn)品說(shuō)明要求。第1.0.5條 碳纖維布加固修補(bǔ)施工安全技術(shù)、勞動(dòng)保護(hù)、防火、防毒等的要求，應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。其

9、材料堆放應(yīng)注意安全防火。膠粘劑的配置 第2.0.1條 將原材料按不同配合比稱量準(zhǔn)確，分別配置底涂膠料、整平膠料及粘結(jié)膠料。先將稀釋劑加入聚合物主料內(nèi)攪拌均勻，再將填料加入繼續(xù)攪拌至均勻，最后加入固化劑，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂?。?.0.2條 配置膠料時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：底涂膠料每次配置量以12公斤為宜；整平膠料每次配置量以0.51公斤為宜；粘結(jié)膠料每次配置量以12公斤為宜。第2.0.3條 所有膠料要求于1小時(shí)內(nèi)施工完畢。施工要求 第一節(jié) 施工操作順序基底處理 1、混凝土表面如出現(xiàn)剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予剔除，對(duì)較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)。2、裂縫部位，如有必要應(yīng)

10、先進(jìn)行封閉處理。3、用混凝土角磨機(jī)、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R3 20mm）。4、用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈并保持干燥。涂底膠 1、按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。2、用滾桶刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，厚度不超過(guò)0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時(shí)），再進(jìn)行下一道工序。用整平膠料找平 1、混凝土表面凹陷部位應(yīng)用刮刀

11、嵌刮整平膠料修補(bǔ)填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用整平膠料填補(bǔ)，盡量減少高差。2、轉(zhuǎn)角的處理，應(yīng)用整平膠料將其修補(bǔ)為光滑的圓弧，半徑不小于10mm。3、整平膠料須固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時(shí)），方可再進(jìn)行下一道工序。粘貼碳纖維布 1、按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長(zhǎng)度應(yīng)在3m以內(nèi)。2、配置、攪拌粘貼膠料，然后用滾筒刷均勻涂抹于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當(dāng)多涂抹一些。3、用特制光滑滾子在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤(rùn)膠料。多層粘貼應(yīng)重復(fù)以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方

12、可進(jìn)行下一層碳纖維布的粘貼。4、在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層粘貼膠料。 第二節(jié) 施工構(gòu)造要求第3.2.1條 基層混凝土強(qiáng)度不低于C15。第3.2.2條 碳纖維布沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得小于100mm。第3.2.3條 碳纖維布的端部在必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的附加措施，如采取鋼板固定等。第3.2.4條 粘貼碳纖維布應(yīng)盡量避開(kāi)障礙物，如遇無(wú)法清除的障礙物而需截?cái)鄷r(shí)，在截?cái)嗖课灰枰赃m當(dāng)處理，具體措施應(yīng)視不同情況而定。施工安全措施 第4.0.1條 裁剪及使用碳纖維布時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源，尤其是高壓電線及輸電線路。第4.0.2條 碳纖維布的配套用膠要遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射。 第4.0.3條 現(xiàn)場(chǎng)施工

13、人員應(yīng)穿工作服，同時(shí)還須佩戴口罩和手套，施工人員嚴(yán)禁在現(xiàn)場(chǎng)吸煙。第4.0.4條 配置及使用膠的場(chǎng)所必須保持良好的通風(fēng)。施工溫度要求 施工現(xiàn)場(chǎng)的氣溫是影響施工的一個(gè)重要因素，根據(jù)工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)氣溫應(yīng)3 50C，如果氣溫低于50C，應(yīng)使用適于低溫的特殊膠種或采取其它加溫處理措施，如氣溫長(zhǎng)時(shí)間低于50C，應(yīng)暫停施工。工程驗(yàn)收 第6.0.1條 工程驗(yàn)收時(shí)必須有碳纖維及其配套膠料廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明。第6.0.2條 每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢驗(yàn)，作好相關(guān)的驗(yàn)收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)立即返工。第6.0.3條 施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回聲來(lái)判斷粘結(jié)效果，如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實(shí)現(xiàn)象，應(yīng)采取針管注膠的方法進(jìn)行補(bǔ)救。