碳纤维布加固补强混凝土结构技术

  近年来,人们对结构的安全性,使用性和耐久性要求不断增强,对现有结构的维护和维修加固引起了工程界的广泛重视。有很多的因素会缩短现有结构的使用寿命如物理老化,化学腐蚀,社会需求的变化,设计标准的提高等,这些出现问题的建筑物,当实际情况不允许推倒重建时,则只能采取适当的技术措施对其进行加固补强处理。 


    随着材料科学的发展,纤维材料于土木工程中的应用成为国内外研究的热点,纤维材料中的碳纤维用于加固补强混凝土结构有着其自身的技术优势:高效高强(可以充分的利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善受力性能,达到高效加固的目的)、耐腐蚀性及耐久性(碳纤维材料化学性质稳定,不与酸碱盐等化学物质反应)、不增加构件的自重和体积(碳纤维质轻而薄)、使用面广(碳纤维是一种柔性材料,且可以任意裁剪)、便于施工(无需大型的施工机械,占用场地少,无湿作业)。碳纤维布已广泛应用于钢筋混凝土结构的梁板柱的加固补强,并由国家工业建筑诊断与改造工程研究中心主编,在总结近年来国内各高校和科研单位的研究成果以及各设计、施工单位采用碳纤维布进行结构加固的实践经验,参考国外大量相关资料,并进行大量的试算和调研的基础上,制定了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,其编号为CECS146:2003。以下将针对各种情况来进行说明其简便的计算方法。 


◆     碳纤维补强加固钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力: 


正截面承载力全过程分析的假定:平截面假定;钢筋采用完全弹塑性的应力-应变关系;受压区混凝土采用E.Hognestad建议的非线形应力-应变关系;混凝土受压区沿截面高度划分成有限的面积相等的条带(小单元),并设每条带的应力均匀分布。根据理论分析结合实验数据提出了如下的简化计算方法:偏于安全的假设碳纤维的拉应变等于钢筋的拉应变,并 


将碳纤维的面积转化为等效钢筋面积:  


式中 , , 和 分别表示碳纤维的面积、抗拉强度、等效的钢筋面积与钢筋的抗拉强度。 


碳纤维的面积取其净面积即:  


其中 为碳纤维的计算厚度, 为碳纤维布的幅宽, 为层数。 


得到等效钢筋面积之后,可参照钢筋混凝土单筋矩形截面受弯构件的正截面设计公式进行计算。 


对受压区混凝土合力作用点取矩  


其中 可有水平力平衡得到:  


上式中 为混凝土棱柱体抗压强度; 为钢筋混凝土构件中所配钢筋面积与碳纤维布的等效钢筋面积总和。 


对于碳纤维布补强加固的钢筋混凝土适筋梁,其适用条件为:受压区高度 不宜大于 ;加固后受弯承载力的提高幅度不宜超过40%;加固后在荷载效应标准组合下受拉钢筋的拉应力不宜超过钢筋的抗拉强度标准值。 


当计算得到的相对受压区高度 高度不大于 ,或者小于 时,应对碳纤维片材的厚度进行折减,具体计算方法详见技术规程的有关部分。其中 为碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的相对受压区高度。 


工程实例1:某混合结构,原设计为教室,后因使用要求的变化改为书库。由于楼面荷载的增加,使得按原荷载设计的进深梁抗弯强度不足,需要进行补强加固处理。该梁跨度为5m,截面尺寸为 ,按原使用荷载计算的跨中弯矩为 。受力钢筋为3Ф18 ,设计强度为 ,混凝土的强度等级可取为 ,使用功能改变后要求梁的抗弯承载力增加到 。按照现行的混凝土规范计算得到原设计能承受的弯矩为 (此建筑物按89规范设计,如果按照89混凝土规范里的材料强度取值来计算则 ),对该梁采用碳纤维布进行补强,在梁底粘贴两层两条宽 ,厚度为 的碳纤维布(碳纤维布的抗拉强度为 )。有 , ,满足公式计算要求。则有 。选用两条的加固方案,一是考虑到分条加固的效果比整条好,二是考虑到两条布同时失效的概率小,可提高加固后构件的安全度。 


工程实例2:某住宅小区由于施工的原因,楼板出现了大量的贯通裂缝,有的出现于板角,有的出现于板跨中,在住户中造成了很大影响。后采用碳纤维布进行补强,在用树脂封闭裂缝后,选用 宽的碳纤维布在板角处的板面放射状布置,在跨中的板底按间距 沿裂缝走向布置,取得了很好的效果。 


◆     碳纤维布补强加固钢筋混凝土受弯构件的斜截面承载力: 


碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,其抗剪效果作用和箍筋类似,梁在弯剪受力时,传力模型是桁架机构与拉杆拱机构的复合传力机制。 


剪跨比小 时,发生斜压破坏。碳纤维的应变发展速度较慢,在构件达到最大受剪承载力时,碳纤维的应变相对较小,其对抗剪承载力的贡献也较小,加固效果不明显。 


随着剪跨比的加大 ,发生剪压破坏。此时碳纤维布受力较大,碳纤维的应变已接近于拉断应变,其对抗剪承载力的贡献较大,加固效果明显。 


当剪跨比很大 时,发生斜拉破坏。此时梁的主裂缝方向较缓,与碳纤维的受力方向接近垂直。虽然碳纤维布的受力更为合理,但是对于这种破坏形式,主裂缝两侧的混凝土块体将在破坏前发生错动,而碳纤维布的刚度很小,可能在碳纤维完全发挥作用之前就和混凝土剥离破坏。因而只有当剪跨比适中时才可采用碳纤维布加固。 


根据试验研究和力学分析,碳纤维布加固钢筋混凝土梁的总剪力可表示为钢筋混凝土部分承担的剪力和碳纤维布贡献的抗剪能力之和: 





--构件斜截面上的剪力设计值; 


--钢筋混凝土混凝土构件承担的剪力按照现行《钢筋混凝土结构设计规范》计算; --碳纤维片材承担的剪力; 


--达到受剪承载力极限状态时碳纤维片材的应变; 


--碳纤维片材的极限拉应变; 


--碳纤维片材的加固形式系数,对封闭粘贴取1.0,U形粘贴取0.85,侧面粘贴取0.70; 


--构件受剪计算截面的剪跨比,对于集中荷载作用情况取 ,当 大于3.0时取3.0,当 小于1.5时取1.5, 为集中荷载作用点到支座边缘的距离;对均布荷载的情况取3.0; 


、 、 --碳纤维的粘贴层数、单层碳纤维的厚度、碳纤维布条带的宽度; 


、 --碳纤维条的净间距、侧面粘贴碳纤维布的高度; 


工程实例3:某混合结构房屋,其进深梁的截面尺寸为 ,支座最大剪力为 ,混凝土设计强度为 ,实际配箍筋为Ф6@250。后由于使用功能的变化增加了楼面荷载,使支座处最大剪力增加到 。造成该梁抗剪承载力不足,需要进行补强加固。选用碳纤维布进行抗剪补强,碳纤维布的抗拉强度为 ,通过5、6、7式的计算选用每隔 粘贴一层宽 的碳纤维U形箍既可以满足抗剪承载力的要求。 


◆     碳纤维补强加固钢筋混凝土柱的抗剪承载能力及柱的抗震性能加固 


对钢筋混凝土柱进行受剪加固时,应按照下列公式进行斜截面受剪承载力计算: 





--钢筋混凝土柱的剪力设计值; 


--钢筋混凝土混凝土构件承担的剪力,按照现行《钢筋混凝土结构设计规范》计算; --碳纤维片材承担的剪力;  


--柱的轴压比; 


--柱的剪跨比,对于框架柱取 ,当 大于3.0时取3.0,小于1.0时取1.0, 为框架柱净高, 为截面的有效高度。 


当采用碳纤维对柱子进行抗震加固时,可以约束混凝土的变形,从而提高混凝土的抗压强度,降低轴压比。但是这方面的研究还不是很充分,当有可靠依据时,方可考虑其作用。当采用封闭式粘贴碳纤维对柱子进行抗震加固时,柱端箍筋加密区的总折算体积配箍率可按下列公式计算,并应满足混凝土结构设计规范对柱端箍筋加密区体积配箍率的要求: 



、 --柱子的截面高度、宽度; 


、 --总折算体积配箍率、按箍筋范围内核心截面计算的体积配箍率; 


--碳纤维的有效约束系数,取0.45;轴压比大于0.5,且加固时未卸载取0.36; 


、 --碳纤维的抗拉强度设计值、箍筋的抗拉强度设计值; 


   碳纤维还可用于加钢筋固混凝土柱的正截面承载力。但是由于碳纤维本身抗拉强度高,而不能受压,可用于大偏压的情况。但技术规程没有给出相应计算方法。 


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