碳纖維布加固混凝土梁抗彎強度計算及施工規(guī)程建議

1、碳纖維布加固混凝土梁抗彎強度計算及施工規(guī)程建議碳纖維布加固鋼筋混凝土短柱的抗震性能試驗研究 同濟大學土木工程學院屈文俊 張譽 摘要：碳纖維加固混凝土梁的計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，建議了碳纖維加固混凝土梁的抗彎強度計算方法，依實際施工經(jīng)驗，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題之一是：既有混凝土結(jié)構(gòu)的加固和修復。 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，已有一千多個工程實例。該方法的主要優(yōu)點表現(xiàn)在： 1、

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

3、試驗梁（L-1，L-2a，L-2b）的截面特性見表1，試驗梁澆筑日期：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”牌無紡單向碳纖維布，試驗梁的加固工作在試驗室內(nèi)進行，為了與實際加固施工現(xiàn)場操作相一致，操作人員上仰操作，加固操作程序為：打底膠、批膠泥、上膠、貼碳纖維布、罩面膠。 靜載試驗日期：99年11月18-11月21日 （一）、加荷裝置示意（二）、材料性能 混凝土、鋼筋的材料性能見表1。碳纖維布的規(guī)格：0.1×45mm,極限抗拉強度：3600Mpa,彈性模量 235Gpa。 （三）

4、、試驗結(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）沒有采用加固措施試驗梁的破壞為：受拉鋼筋屈服破壞。、加固效果對比 計算結(jié)果見表1。圖2.荷載-跨中撓度曲線表1.試驗梁截面特性及試驗結(jié)果試驗梁編號截面b×h(mm×mm)立方體強度MPaA s (As=0) mm×mma s鋼筋屈服強度f y (Mpa)鋼筋極限強度f y (Mpa)梁截面極限彎矩Mu(KN-m)未加固截面計算極限彎矩Mj1(KN-m)粘貼層數(shù)×條數(shù)加固后截面計算極限彎矩Mj2(KN-m)

5、截面極限強度提高率%Mu/Mj2破壞特性L-1150×25033.72262128541014.714.26無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、加固后的試驗梁，皆由于碳纖維布的拉斷而破壞，說明粘結(jié)性能良好，加固方法可靠，能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè) 計要求。 、加固后試驗梁的截面破壞彎矩，比加固前試驗梁的截面破壞計算彎矩提高42-54.7%，說明加固效果明 顯。 、

6、碳纖維的彈性模量與鋼筋相近，但由于其強度高，充分發(fā)揮碳纖維的強度需要較大的應(yīng)變。 、碳纖維布加固梁抗彎強度計算 依據(jù)加固試驗梁的破壞特性，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)計規(guī)范抗彎設(shè)計計算的基本原理，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)力強度為混凝土的彎曲抗壓強度; 、忽略混凝土的抗拉強度; 、在極限狀態(tài)下，碳纖維的應(yīng)力達抗拉設(shè)計強度。 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)計強度：ACF碳纖維截面面積；fCF碳纖維的抗拉設(shè)計強度，建議取極限抗拉強度的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)將試驗梁材料的實際強度代入（1）和（2），可計算出梁的極限破壞彎矩，見表1。實際梁截面破壞彎矩Mu與加固后截面計算極限彎矩比值的平均數(shù)為0.9735，說明計算方法可靠。四、碳纖維布加固修補結(jié)構(gòu)施工及驗收建議總 則 第1.0.1條 碳纖維布加固修補結(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)的加固與修補工程。為確保該項技術(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)計或施工不當、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鋼筋混凝土、預應(yīng)力混凝土及素混凝土結(jié)構(gòu)進行加固修補的施工及驗收。第1.0.3條 加固修補所使用的碳纖維布和膠粘劑，應(yīng)按設(shè)計要求選用，并應(yīng)符合現(xiàn)行材料標準的規(guī)定。對材料質(zhì)量發(fā)生懷疑時，應(yīng)進行抽樣檢查，合格后方可使用。第1.0.4條 碳纖維布加固修補施工的環(huán)境溫度，應(yīng)按膠粘劑產(chǎn)品說明要求。第1.0.5條 碳纖維布加固修補施工安全技術(shù)、勞動保護、防火、防毒等的要求，應(yīng)按國家現(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，充分攪拌后即可使用。第2.0.2條 配置膠料時應(yīng)注意以下事項：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，對較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用聚合物水泥砂漿進行修復。2、裂縫部位，如有必要應(yīng)

10、先進行封閉處理。3、用混凝土角磨機、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)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R3 20mm）。4、用吹風機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)場實際氣溫決定用量，并嚴格控制使用時間。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0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），再進行下一道工序。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，盡量減少高差。2、轉(zhuǎn)角的處理，應(yīng)用整平膠料將其修補為光滑的圓弧，半徑不小于10mm。3、整平膠料須固化后（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時），方可再進行下一道工序。粘貼碳纖維布 1、按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度應(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膠料。多層粘貼應(yīng)重復以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方

12、可進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 基層混凝土強度不低于C15。第3.2.2條 碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm。第3.2.3條 碳纖維布的端部在必要時應(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)盡量避開障礙物，如遇無法清除的障礙物而需截斷時，在截斷部位要予以適當處理，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應(yīng)盡量遠離電源，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離火源，避免陽光直接照射。 第4.0.3條 現(xiàn)場施工

13、人員應(yīng)穿工作服，同時還須佩戴口罩和手套，施工人員嚴禁在現(xiàn)場吸煙。第4.0.4條 配置及使用膠的場所必須保持良好的通風。施工溫度要求 施工現(xiàn)場的氣溫是影響施工的一個重要因素，根據(jù)工藝要求，現(xiàn)場氣溫應(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，如氣溫長時間低于50C，應(yīng)暫停施工。工程驗收 第6.0.1條 工程驗收時必須有碳纖維及其配套膠料廠家所提供的材料檢驗證明。第6.0.2條 每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進行檢驗，作好相關(guān)的驗收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問題，應(yīng)立即返工。第6.0.3條 施工結(jié)束后的現(xiàn)場驗收以評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，以回聲來判斷粘結(jié)效果，如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實現(xiàn)象，應(yīng)采取針管注膠的方法進行補救。