大跨度雙曲屋面板碳纖維加固設(shè)計(jì)與施工全套

大跨度雙曲屋面板碳纖維加固設(shè)計(jì)與施工全套一、屋面板存在的問題1、屋面板結(jié)構(gòu)形式某高校禮堂屋面板采用馬鞍形雙曲板的設(shè)計(jì)方案(套用標(biāo)準(zhǔn)圖集),禮堂屋面板由20塊馬鞍形雙曲預(yù)應(yīng)力混凝土板組成，每塊26m,凈跨24m,覆蓋寬度3m,板塊之間接縫用V形混凝土蓋瓦防水,每塊54根直徑5mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋斜拉成形,其張拉應(yīng)力σ=0.7R=0.7×1600=11200MP。其環(huán)狀分布筋為?8鋼筋,混凝土板厚度為5.5cm,強(qiáng)度等級(jí)為C40,放松預(yù)應(yīng)力鋼絲時(shí),混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%。每塊板自重143kN,有10塊板兩端設(shè)有40cm×70cm的混凝土肋作為穩(wěn)定支撐。2、存在的問題板塊之間接縫處的V形混凝土蓋瓦已基本風(fēng)化,且有多處脫落,已不能繼續(xù)使用;第7、第8塊板位移為6cm,人在上面搖晃時(shí)相對(duì)位移達(dá)18cm;部分板板底、板面發(fā)現(xiàn)有多條橫向和縱向裂縫,且有雨水滲漏的痕跡,表明有上下貫穿裂縫存在;部分板網(wǎng)狀鋼筋局部裸露,且已嚴(yán)重銹蝕,保護(hù)層已剝落,從安全考慮已停止使用。經(jīng)對(duì)該禮堂進(jìn)行全面檢測(cè)發(fā)現(xiàn),得到如下結(jié)論：1)屋面板混凝土強(qiáng)度檢測(cè)根據(jù)《彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》,對(duì)所測(cè)回彈強(qiáng)度值進(jìn)行修正,每塊板的強(qiáng)度見（表1）;現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣9個(gè),取芯試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果見（表2）。2)通過對(duì)結(jié)構(gòu)的普查,發(fā)現(xiàn)屋面部分板件鋼筋銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)大部分板都存在此問題,最嚴(yán)重者縱筋銹斷達(dá)13根。3)裂縫展開形態(tài)與特征根據(jù)對(duì)裂縫的調(diào)查和檢測(cè),其板裂縫主要特征如下:裂縫多數(shù)為縱向裂縫,裂縫長(zhǎng)度為2~8m,最大裂縫寬度為3mm,大都出現(xiàn)在兩端支座附近,且為上下貫穿裂縫,有滲漏水現(xiàn)象。二、結(jié)構(gòu)破損成因分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的開裂是一個(gè)普遍性的工程問題。裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展,通常是結(jié)構(gòu)受損的標(biāo)志之一,而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞又往往是從裂縫開始的,所以常把裂縫視為結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)狀況的征兆,對(duì)于已出現(xiàn)裂縫的鋼筋混凝土構(gòu)件,若不能進(jìn)行具體的分析和及時(shí)處理,任其發(fā)展,將導(dǎo)致鋼筋繼續(xù)銹蝕,混凝土剝落,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性及正常使用,甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)坍塌。而正確地分析判斷裂縫開展的原因則是治理裂縫的關(guān)鍵和前提。(1)不合理的外荷載。由于在19號(hào)板下安裝有吊籃,吊籃采用的為鋼管骨架,因面吊鉤設(shè)置不合理,導(dǎo)致19號(hào)板跨中橫斷面變形過大而產(chǎn)生橫向裂縫(19號(hào)板與18號(hào)板相對(duì)豎向位移達(dá)180mm)。2)施工缺陷的影響?；炷帘Ｗo(hù)層太薄,板厚僅為55mm,其結(jié)構(gòu)上分布筋多達(dá)4-5層,保護(hù)層厚度不夠,造成部分鋼筋貼在模板面上導(dǎo)致鋼筋外露銹蝕,鋼筋銹蝕膨脹使混凝土開裂;施工過程中振搗不均勻,部分板底面可見麻面,再者有許多漏水孔,從而影響混凝土質(zhì)量;通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)板尺寸的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),板的上緣無100mm×150mm的矩形與設(shè)計(jì)圖不符,即實(shí)際澆筑尺寸偏小,導(dǎo)致板的強(qiáng)度和剛度降低。(3)預(yù)制件吊裝。該禮堂屋面預(yù)制板為26m×4.5m,板厚僅為5m,是一超大超薄預(yù)制構(gòu)件,給施工中的起吊及安裝造成了困難,經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)板面有多處碰撞痕跡以及板面變形,因此附近產(chǎn)生的多條裂縫均因上述原因引起。三、加固試驗(yàn)研究1、加固試驗(yàn)研究目的在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)技術(shù)方面,目前國(guó)內(nèi)除了傳統(tǒng)的加大截面法、外包鋼法外,還有噴射混凝土加固技術(shù)、預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)、外粘鋼板加固技術(shù)等等,從20世紀(jì)90年代起西方發(fā)達(dá)國(guó)家在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域迅速發(fā)展起一項(xiàng)新的加固技術(shù)—纖維增強(qiáng)塑料(CarbonandGlassFibreReinforedPlastics)粘貼加固技術(shù),其使用范圍已深人到土木工程中的眾多鋇域,由于該類材料具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能,在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的。其次,該技術(shù)的施工與以往加固技術(shù)相比。具有“短、平、快”的特點(diǎn),施工便捷、工效高,不需大型施工設(shè)備,施工質(zhì)量容易保證,且具有良好的耐腐蝕性和耐久性,加固修補(bǔ)后幾乎不增加結(jié)構(gòu)重量,因此,目前國(guó)內(nèi)業(yè)內(nèi)人士已開始認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?。此次加固試?yàn)研究的目的是通過采用碳纖維和玻璃纖維材料粘貼技?，F(xiàn)有鋼筋混凝土薄板,考察鋼筋混凝土板在采用和未采用該技術(shù)的情況下,其極提高的幅度以及粘姑量與極限承載力的關(guān)系。2、試驗(yàn)材料纖維原材料UT500-12K是日本生產(chǎn)的單絲原料,以它為原料可開發(fā)出高性能的碳纖維布匹,如L300c碳纖維布;玻璃纖維采用L500E(方向0°),見(表3)、（表4)所列。3.加固試驗(yàn)內(nèi)容本次加固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩項(xiàng)。其一，采用粘貼玻璃纖維加固方法，選取4塊鋼筋混凝土曲面板,3塊有缺陷的曲面板作為加固板,1塊完好板作為不加固。其二,采用粘貼碳纖維加固方法,選取4塊素混凝土板,2塊混凝土平板,曲面板分別進(jìn)行不加固和加固對(duì)比試驗(yàn)?？疾旒庸毯蠡炷涟宓臉O限承載力提高幅度,以及混凝土開裂性狀和破壞特征。4.試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果見（表6）和（表7）。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用粘貼玻璃纖維和碳纖維加固技術(shù),能夠大幅度提高混凝土板的承載能力,尤其是碳纖維粘貼技術(shù)。同時(shí),在混凝土破壞過程中未出現(xiàn)明顯脆性破壞特征,表現(xiàn)出良好的延性變形特征,對(duì)混凝土破壞過程中產(chǎn)生的裂縫具有明顯的抑制作用,裂縫出現(xiàn)的部位有所變化且變密變細(xì)。以上破壞呈現(xiàn)的特點(diǎn),充分表明采用粘貼高強(qiáng)纖維加固混凝土板,不僅能大幅度提高混凝土板的承載能力,而且能夠改善混凝土板在承載過程中的受力性能及破壞方式。四、加固處理方案鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫為構(gòu)件受損標(biāo)志之一,該禮堂屋面板上存在貫穿性裂縫,且板上混凝土保護(hù)層嚴(yán)重剝落,大量鋼筋銹蝕,故其板剛度大大降低,不僅影響結(jié)構(gòu)的耐久性,而且降低結(jié)構(gòu)的承載能力,直接危及結(jié)構(gòu)的安全使用。根據(jù)該屋面板的受力特點(diǎn),結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)已進(jìn)行的全面檢測(cè)結(jié)果和板破損成因分析,按照現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范的相關(guān)要求,如對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的驗(yàn)算等,綜合考慮該大型鋼筋混凝土屋面板的安全可靠性(即承載能力要求)、適用性及耐久性等因素,有針對(duì)性地提出了如下加固處理方案:根據(jù)該禮堂的病害與結(jié)構(gòu)特征采用纖維粘貼加固技術(shù)為主的方案。該結(jié)構(gòu)的主要病癥是需要補(bǔ)強(qiáng),補(bǔ)強(qiáng)通常采用粘貼玻璃纖維和碳纖維相結(jié)合,這兩種材料均有可靠的效果。玻璃纖維強(qiáng)度高,其抗拉伸強(qiáng)度與鋼材相近,玻璃纖維、碳纖維的密度相當(dāng)鋼材的1/4.6~1/3.7,對(duì)大跨度薄殼輕型結(jié)構(gòu),是加固的首選材料;玻璃鋼韌性好(其應(yīng)變比鋼材大10倍左右,不會(huì)出現(xiàn)明顯變形征兆的脆性破壞);玻璃纖維、碳纖維固化后不怕有害氣體侵蝕,可以有效防止混凝土的碳化;其滲透性能好,抗?jié)B能力可達(dá)3.5MPa以上;纖維與混凝土的粘結(jié)力大于混凝土自身的強(qiáng)度,破壞時(shí)不會(huì)從玻璃鋼與混凝土粘結(jié)面破壞;根據(jù)玻璃維、碳纖維的性能,完全符合此次結(jié)構(gòu)加固特點(diǎn),因此選用該技術(shù)加固是合適的具體加固方案如下：（1）裂縫化學(xué)灌漿處理:在對(duì)板進(jìn)行粘貼纖維加寬度大于0.2mm裂縫,采用化學(xué)灌漿,將斷裂的板恢復(fù)成整體,灌漿漿液采用結(jié)構(gòu)膠灌注,其技術(shù)要求須滿足《混凝土加固技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的配法;對(duì)裂縫寬度小于0.2mm的裂縫采取結(jié)構(gòu)膠封縫處理,防止鋼筋繼續(xù)銹蝕。（2)嚴(yán)重破損板加固處理:考慮到板跨中是最大彎矩出現(xiàn)的地方,是板構(gòu)件最危險(xiǎn)部位因此,跨中是加固重點(diǎn),對(duì)于橫向裂縫或者縱向裂縫基本上出現(xiàn)在跨中的板,如其中一部分板，跨過縱橫裂縫區(qū)在跨中8-16m長(zhǎng)的范圍內(nèi),沿板的縱向粘貼一層碳纖維布,沿板的縱向通長(zhǎng)范圍粘貼3條2-3層玻璃纖維布;為較好地控制縱向裂縫并根據(jù)加固技術(shù)的構(gòu)造要求沿板橫向粘貼一層玻璃纖維布,粘貼間距和具體部位與尺寸見（圖1）。其他破損板加固處理:一些混凝土板雖裂縫僅在板支座端部少量出現(xiàn),但考慮到該板普遍存在鋼筋銹蝕和板面碳化較為嚴(yán)重,施工中板的上緣無100mm×150mm的矩形梁,與設(shè)計(jì)不符,即實(shí)澆筑尺寸偏小,導(dǎo)致板強(qiáng)度及剛度降低。尤其需要解決板內(nèi)鋼筋腐蝕問題,因此對(duì)以上板也必須采取相應(yīng)措施予以加固補(bǔ)強(qiáng),沿板的縱向通長(zhǎng)范圍粘貼3條2~3層玻璃纖維布,沿板橫向粘貼一層玻璃纖維布,其粘貼間距和具體部位與尺寸見（圖2）。五、加固施工技術(shù)要求及加固效果該技術(shù)加固施工工藝要點(diǎn):(1)待粘貼加固部位進(jìn)行畫線定位,混凝土板表面打磨處理,表面化學(xué)清洗;(2)對(duì)混凝土表層凸凹不平處填滿補(bǔ)平,表層涂刷底層膠;(3)粘貼纖維布,用輥?zhàn)臃磸?fù)滾壓擠壓出空氣,為保證粘貼質(zhì)量,每層纖維布之間應(yīng)涂刷一層粘結(jié)膠;(4)若粘貼層內(nèi)仍有氣泡存在,需用注射方法注入膠液。該加固項(xiàng)目粘貼纖維面積為650m2,施工期僅30d即完成加固任務(wù)。加固后纖維布與混凝土板表面粘結(jié)完好,混凝土板的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)自重基本沒有變化。經(jīng)加固后的禮堂屋面板各項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和業(yè)主要求取得了良好加固效果。六、結(jié)束語(yǔ)通過對(duì)某高校禮堂大跨度雙曲屋面板存在的嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患的檢測(cè)、分析和研究,提出了采用碳纖維布和玻璃纖維布材料相結(jié)合的加固設(shè)計(jì)方案,且經(jīng)加固施工收到良好效果,采用碳纖維布和玻璃纖維布材料加固技術(shù)與以往加固技術(shù)相比具有以下明顯優(yōu)點(diǎn):