碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)

近年來，人們對結(jié)構(gòu)的安全性，使用性和耐久性要求不斷增強(qiáng)，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護(hù)和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化，化學(xué)腐蝕，社會需求的變化，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高等，這些出現(xiàn)問題的建筑物，當(dāng)實(shí)際情況不允許推倒重建時(shí)，則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。隨著材料科學(xué)的的發(fā)展，纖維維材料于土木木工程中的應(yīng)應(yīng)用成為國內(nèi)內(nèi)外研究的熱熱點(diǎn)，纖維材材料中的碳纖纖維用于加固固補(bǔ)強(qiáng)混凝土土結(jié)構(gòu)有著其其自身的技術(shù)術(shù)優(yōu)勢：高效效高強(qiáng)（可以以充分的利用用其高強(qiáng)度、高高模量的特點(diǎn)點(diǎn)來提高結(jié)構(gòu)構(gòu)及構(gòu)件的承承載力和延性性，改善受力力性能，達(dá)到到高效加固的的目的）、耐耐腐蝕性及耐耐久性（碳纖纖維材料化學(xué)學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不不與酸堿鹽等等化學(xué)物質(zhì)反反應(yīng)）、不增增加構(gòu)件的自自重和體積（碳碳纖維質(zhì)輕而而?。?、使用用面廣（碳纖纖維是一種柔柔性材料，且且可以任意裁裁剪）、便于于施工（無需需大型的施工工機(jī)械，占用用場地少，無無濕作業(yè)）。碳碳纖維布已廣廣泛應(yīng)用于鋼鋼筋混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)的梁板柱柱的加固補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)，并由國家家工業(yè)建筑診診斷與改造工工程研究中心心主編，在總總結(jié)近年來國國內(nèi)各高校和和科研單位的的研究成果以以及各設(shè)計(jì)、施施工單位采用用碳纖維布進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固固的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，參考國外外大量相關(guān)資資料，并進(jìn)行行大量的試算算和調(diào)研的基基礎(chǔ)上，制定定了《碳纖維維片材加固混混凝土結(jié)構(gòu)技技術(shù)規(guī)程》，其其編號為CEECS1466：2003。以以下將針對各各種情況來進(jìn)進(jìn)行說明其簡簡便的計(jì)算方方法?！籼祭w維補(bǔ)強(qiáng)加加固鋼筋混凝凝土受彎構(gòu)件件的正截面承承載力：正截面承載力全全過程分析的的假定：平截截面假定；鋼鋼筋采用完全全彈塑性的應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；；受壓區(qū)混凝凝土采用E.Hoggnestaad建議的非線線形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；；混凝土受壓壓區(qū)沿截面高高度劃分成有有限的面積相相等的條帶（小小單元），并并設(shè)每條帶的的應(yīng)力均勻分分布。根據(jù)理理論分析結(jié)合合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提提出了如下的的簡化計(jì)算方方法：偏于安安全的假設(shè)碳碳纖維的拉應(yīng)應(yīng)變等于鋼筋筋的拉應(yīng)變，并并將碳纖維的面積積轉(zhuǎn)化為等效效鋼筋面積：：式中，，和分別表示碳碳纖維的面積積、抗拉強(qiáng)度度、等效的鋼鋼筋面積與鋼鋼筋的抗拉強(qiáng)強(qiáng)度。碳纖維的面積取取其凈面積即即：其中為碳纖維的的計(jì)算厚度，為碳纖維布的幅寬，為層數(shù)。得到等效鋼筋面面積之后，可可參照鋼筋混混凝土單筋矩矩形截面受彎彎構(gòu)件的正截截面設(shè)計(jì)公式式進(jìn)行計(jì)算。對受壓區(qū)混凝土土合力作用點(diǎn)點(diǎn)取矩其中可有水平力力平衡得到：：上式中為混凝土土棱柱體抗壓壓強(qiáng)度；為鋼鋼筋混凝土構(gòu)構(gòu)件中所配鋼鋼筋面積與碳碳纖維布的等等效鋼筋面積積總和。對于碳纖維布補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)加固的鋼鋼筋混凝土適適筋梁，其適適用條件為：：受壓區(qū)高度度不宜大于；加加固后受彎承承載力的提高高幅度不宜超超過40%；加固后在在荷載效應(yīng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組合下受受拉鋼筋的拉拉應(yīng)力不宜超超過鋼筋的抗抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值。當(dāng)計(jì)算得到的相相對受壓區(qū)高高度高度不大大于,或者小于時(shí)，應(yīng)應(yīng)對碳纖維片片材的厚度進(jìn)進(jìn)行折減，具具體計(jì)算方法法詳見技術(shù)規(guī)規(guī)程的有關(guān)部部分。其中為為碳纖維片材材達(dá)到其允許許拉應(yīng)變與混混凝土壓壞同同時(shí)發(fā)生時(shí)的的相對受壓區(qū)區(qū)高度。工程實(shí)例1：某某混合結(jié)構(gòu)，原原設(shè)計(jì)為教室室，后因使用用要求的變化化改為書庫。由由于樓面荷載載的增加，使使得按原荷載載設(shè)計(jì)的進(jìn)深深梁抗彎強(qiáng)度度不足，需要要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加加固處理。該該梁跨度為55m，截面尺尺寸為，按原原使用荷載計(jì)計(jì)算的跨中彎彎矩為。受力力鋼筋為3Ф18，設(shè)計(jì)強(qiáng)強(qiáng)度為，混凝凝土的強(qiáng)度等等級可取為，使使用功能改變變后要求梁的的抗彎承載力力增加到。按按照現(xiàn)行的混混凝土規(guī)范計(jì)計(jì)算得到原設(shè)設(shè)計(jì)能承受的的彎矩為（此此建筑物按889規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)，如果按照照89混凝土規(guī)范范里的材料強(qiáng)強(qiáng)度取值來計(jì)計(jì)算則），對對該梁采用碳碳纖維布進(jìn)行行補(bǔ)強(qiáng)，在梁梁底粘貼兩層層兩條寬，厚厚度為的碳纖纖維布（碳纖纖維布的抗拉拉強(qiáng)度為）。有有，，滿足公式式計(jì)算要求。則則有。選用兩兩條的加固方方案，一是考考慮到分條加加固的效果比比整條好，二二是考慮到兩兩條布同時(shí)失失效的概率小小，可提高加加固后構(gòu)件的的安全度。工程實(shí)例2：某某住宅小區(qū)由由于施工的原原因，樓板出出現(xiàn)了大量的的貫通裂縫，有有的出現(xiàn)于板板角，有的出出現(xiàn)于板跨中中，在住戶中中造成了很大大影響。后采采用碳纖維布布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在在用樹脂封閉閉裂縫后，選選用寬的碳纖纖維布在板角角處的板面放放射狀布置，在在跨中的板底底按間距沿裂裂縫走向布置置，取得了很很好的效果。◆碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)加固鋼筋混混凝土受彎構(gòu)構(gòu)件的斜截面面承載力：碳纖維布加固鋼鋼筋混凝土梁梁時(shí)，其抗剪剪效果作用和和箍筋類似，梁梁在彎剪受力力時(shí)，傳力模模型是桁架機(jī)機(jī)構(gòu)與拉桿拱拱機(jī)構(gòu)的復(fù)合合傳力機(jī)制。剪跨比小時(shí)，發(fā)發(fā)生斜壓破壞壞。碳纖維的的應(yīng)變發(fā)展速速度較慢，在在構(gòu)件達(dá)到最最大受剪承載載力時(shí)，碳纖纖維的應(yīng)變相相對較小，其其對抗剪承載載力的貢獻(xiàn)也也較小，加固固效果不明顯顯。隨著剪跨比的加加大，發(fā)生剪剪壓破壞。此此時(shí)碳纖維布布受力較大，碳碳纖維的應(yīng)變變已接近于拉拉斷應(yīng)變，其其對抗剪承載載力的貢獻(xiàn)較較大，加固效效果明顯。當(dāng)剪跨比很大時(shí)時(shí)，發(fā)生斜拉拉破壞。此時(shí)時(shí)梁的主裂縫縫方向較緩，與與碳纖維的受受力方向接近近垂直。雖然然碳纖維布的的受力更為合合理，但是對對于這種破壞壞形式，主裂裂縫兩側(cè)的混混凝土塊體將將在破壞前發(fā)發(fā)生錯動，而而碳纖維布的的剛度很小，可可能在碳纖維維完全發(fā)揮作作用之前就和和混凝土剝離離破壞。因而而只有當(dāng)剪跨跨比適中時(shí)才才可采用碳纖纖維布加固。根據(jù)試驗(yàn)研究和和力學(xué)分析，碳碳纖維布加固固鋼筋混凝土土梁的總剪力力可表示為鋼鋼筋混凝土部部分承擔(dān)的剪剪力和碳纖維維布貢獻(xiàn)的抗抗剪能力之和和：--構(gòu)件斜截面面上的剪力設(shè)設(shè)計(jì)值；--鋼筋混凝土土混凝土構(gòu)件件承擔(dān)的剪力力按照現(xiàn)行《鋼鋼筋混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范范》計(jì)算；---碳纖維片片材承擔(dān)的剪剪力；--達(dá)到受剪承承載力極限狀狀態(tài)時(shí)碳纖維維片材的應(yīng)變變；--碳纖維片材材的極限拉應(yīng)應(yīng)變；--碳纖維片材材的加固形式式系數(shù)，對封封閉粘貼取11.0，U形粘貼取0..85，側(cè)面面粘貼取0..70；--構(gòu)件受剪計(jì)計(jì)算截面的剪剪跨比，對于于集中荷載作作用情況取，當(dāng)當(dāng)大于3.0時(shí)取3.0，當(dāng)小于1.5時(shí)取1.5，為集中荷載載作用點(diǎn)到支支座邊緣的距距離；對均布布荷載的情況況取3.0；、、--碳纖維維的粘貼層數(shù)數(shù)、單層碳纖纖維的厚度、碳碳纖維布條帶帶的寬度；、--碳纖維條條的凈間距、側(cè)側(cè)面粘貼碳纖纖維布的高度度；工程實(shí)例3：某某混合結(jié)構(gòu)房房屋，其進(jìn)深深梁的截面尺尺寸為，支座座最大剪力為為，混凝土設(shè)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為，實(shí)實(shí)際配箍筋為為Ф6@250。后由于使使用功能的變變化增加了樓樓面荷載，使使支座處最大大剪力增加到到。造成該梁梁抗剪承載力力不足，需要要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加加固。選用碳碳纖維布進(jìn)行行抗剪補(bǔ)強(qiáng)，碳碳纖維布的抗抗拉強(qiáng)度為，通通過5、6、7式的計(jì)算選選用每隔粘貼貼一層寬的碳碳纖維U形箍既可以以滿足抗剪承承載力的要求求?！籼祭w維補(bǔ)強(qiáng)加加固鋼筋混凝凝土柱的抗剪剪承載能力及及柱的抗震性性能加固對鋼筋混凝土柱柱進(jìn)行受剪加加固時(shí)，應(yīng)按按照下列公式式進(jìn)行斜截面面受剪承載力力計(jì)算：--鋼筋混凝土土柱的剪力設(shè)設(shè)計(jì)值；--鋼筋混凝土土混凝土構(gòu)件件承擔(dān)的剪力力，按照現(xiàn)行行《鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范》計(jì)算算；--碳纖維片材材承擔(dān)的剪力力；--柱的軸壓比比；--柱的剪跨比比，對于框架架柱取，當(dāng)大于3.0時(shí)取3.0，小于1.0時(shí)取1.0，為框架柱凈凈高，為截面面的有效高度度。當(dāng)采用碳纖維對對柱子進(jìn)行抗抗震加固時(shí)，可可以約束混凝凝土的變形，從從而提高混凝凝土的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度，降低軸軸壓比。但是是這方面的研研究還不是很很充分，當(dāng)有有可靠依據(jù)時(shí)時(shí)，方可考慮慮其作用。當(dāng)當(dāng)采用封閉式式粘貼碳纖維維對柱子進(jìn)行行抗震加固時(shí)時(shí)，柱端箍筋筋加密區(qū)的總總折算體積配配箍率可按下下列公式計(jì)算算，并應(yīng)滿足足混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對對柱端箍筋加加密區(qū)體積配配箍率的要求求：、--柱子的截截面高度、寬寬度；、--總折算體體積配箍率、按按箍筋范圍內(nèi)內(nèi)核心截面計(jì)計(jì)算的體積配配箍率；--碳纖維的有有效約束系數(shù)數(shù)，取0.45；軸壓比大大于0.5，且加固時(shí)時(shí)未卸載取0.36；、--碳纖維的的抗拉強(qiáng)度設(shè)設(shè)計(jì)值、箍筋筋的抗拉強(qiáng)度度設(shè)計(jì)值；碳纖維還可用于于加鋼筋固混混凝土柱的正正截面承載力力。但是由于于碳纖維本身身抗拉強(qiáng)度高高，而不能受受壓，可用于于大偏壓的情情況。但技術(shù)術(shù)規(guī)程沒有給給出相應(yīng)計(jì)算算方法。工程實(shí)例4：某某工廠鋼筋混混凝土柱子，受受到嚴(yán)重的腐腐蝕，以至鋼鋼筋的有效面面積減少，部部分鋼筋混凝凝土柱子的正正截面承載力力不滿足原設(shè)設(shè)計(jì)要求。原原構(gòu)件截面尺尺寸，混凝土土強(qiáng)度等級為為，受力為4根22mm的Ⅱ級鋼筋，原原設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)強(qiáng)度為，考慮慮鋼筋的嚴(yán)重重銹蝕，采用用碳纖維進(jìn)行行包裹，并在在柱子底部用用鋼板對碳纖纖維布進(jìn)行壓壓底處理?！籼祭w維布加固固鋼筋混凝土土構(gòu)件的施工工步驟施工準(zhǔn)備：對要要加固補(bǔ)強(qiáng)的的構(gòu)件的表面面處理方法、基基底樹脂的涂涂抹、碳纖維維的粘貼、養(yǎng)養(yǎng)護(hù)等進(jìn)行充充分的設(shè)計(jì)和和研究。施工工溫度范圍以以10℃～30℃為宜。當(dāng)環(huán)環(huán)境溫度低于于5℃時(shí)，應(yīng)采用用使用與低溫溫的配套樹脂脂，或者采取取升溫措施。表面處理：對被被粘貼混凝土土表面進(jìn)行打打磨，去除表表面疏松層及及雜質(zhì)，并將將表面浮灰清清除干凈。如如果施工環(huán)境境濕度較大，應(yīng)應(yīng)對粘貼面進(jìn)進(jìn)行干燥處理理。不平整表面處理理：當(dāng)混凝土土表面凹凸不不平時(shí)，應(yīng)用用找平材料將將缺陷部分填填補(bǔ)完整。等等找平材料干干燥后，再進(jìn)進(jìn)行下一道工工序。涂刷基底樹脂：：基底樹脂的的作用是加強(qiáng)強(qiáng)碳纖維布與與混凝土表面面的粘結(jié)力，這這對加固效果果的充分發(fā)揮揮很重要。碳纖維布粘貼：：調(diào)制浸潤樹樹脂后，均勻勻抹于構(gòu)件表