加固公司碳纖維復合材料在混凝土結構加固中的技術探討

一、工程概況。
    某公司過濾車間廠房，始建于1981年，為3層鋼筋混凝土框架結構。由于使用年限過長，混凝土構件出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象，曾用環(huán)氧砂漿修補過。但近年來逐漸發(fā)現(xiàn)其梁、柱均發(fā)生了不同程度的損傷，梁、柱上裂縫明顯，許多裂縫寬度較大。此外，還發(fā)現(xiàn)梁、柱上多處鋼筋暴露且銹蝕嚴重。

二、檢測與計算結果分析
    l、檢測結果。
    通過檢測和檢查發(fā)現(xiàn)，混凝土框架梁、柱現(xiàn)有強度為C25；混凝土碳化深度在25mm左右，已碳化至梁柱主筋；有部分柱混凝土保護層順筋裂縫較寬，鋼筋暴露且銹蝕嚴重，鋼筋銹蝕后斷面面積損失率約為8％；有部分梁混凝土保護層順筋裂縫較寬，鋼筋暴露且銹蝕嚴重，鋼筋銹蝕后斷面面積損失約為9％。
    2、計算結果。
    荷載由原有設計院提供，其它荷載值按照現(xiàn)行規(guī)范，利用PKPM結構計算軟件計算結果表明，廠房第3層中間跨梁支座處負彎矩強度不夠；柱抗彎及抗剪承載力不夠，且不能滿足現(xiàn)有抗震規(guī)范要求；框架梁的撓度可以滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；框架梁的裂縫寬度不能滿足現(xiàn)行要求。
    3、分析與結論。
    此廠房長期處于震動和污染環(huán)境，混凝土腐蝕開裂較快。當混凝土裂縫至鋼筋后，混凝土保護層失去作用，鋼筋逐漸銹蝕。鋼筋銹蝕到一定程度，混凝土保護層順筋開裂，甚至導致混凝土保護層局部脫落，鋼筋外露，給框架結構造成很大的危害。
    通過上述分析可以得出該結構主要存在兩大問題：
    一是部分構件承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；二是腐蝕問題影響了結構的耐久性。針對這個問題，需對結構進行補強加固和修補。

三、加固方案選擇
    根據(jù)計算及檢測結果，初步擬定加固方案有加大截面法、外包鋼套法及外貼碳纖維復合材料加固法。加大截面法自重增加較大，如采用這種方法還需要加固基礎，對原結構影響較大，施工周期長。考慮到廠方要求加固施工過程中不能停產(chǎn)，故首先排除這種方法。外包鋼套法取材方便，成本較低，施工簡單，但現(xiàn)場條件復雜，施工作業(yè)困難，而且該廠房處于腐蝕環(huán)境中。所以該方法也被排除掉，只能尋求耐腐蝕陛強、施工簡便的加固方法。碳纖維復合材料是由環(huán)氧樹脂粘高抗拉強度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有
以下幾個優(yōu)點：a、強度高(強度約為普通鋼材的10倍)，效果好．b、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性．c、自重輕(約200~m：)，基本不增加結構白重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣．d、施工簡便(不需大型施工機構及周轉材料)，易于操作，經(jīng)濟陛好；e、施TT期短；f、用于補強加固時對原結構幾乎沒有影響，加固修補效果及耐久陛好，可以大大提高被加固構件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震J勝能，增強構件的延性和剛度，改善構件的受力性能等。

    經(jīng)過分析比較，最終確定利用碳纖維復合材料加固補強方案，方案如下：
(1壯：所有柱均需抗彎、抗剪及抗震加固。①抗彎加固：沿柱的主軸方向粘貼玻璃纖維布，提高其抗彎能力。②抗剪加固：沿柱主軸垂直方向粘貼玻璃纖維布，由玻璃纖維布與柱
箍筋共同承擔剪力，提高其抗剪能力。@抗震加固：在柱端一定長度范圍內(nèi)，沿柱主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布；在梁柱節(jié)點處，除沿柱主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布外，再附加交叉方向的玻璃纖維布。
(2)梁：局部梁支座及跨中處需進行抗彎加固，所有梁需進行抗震加固。①抗彎加固：沿梁的主軸方向粘貼玻璃纖維布，提高其抗彎能力。②抗震加固：在梁端一定長度范圍內(nèi)，沿梁主軸垂直方向加密粘貼玻璃纖維布。

四、材料選擇。
    根據(jù)材料各種I生能比較，本次結構補強采用CFRP及粘貼結構膠YZJ，其能見表1、表2。表1 結構加固修補用碳纖維材料L300一C主要陛能指標彈性模量 延伸率 密度 耐腐蝕浸透性 均勻度(口、m 3) 性3550 24x105 20 1790 優(yōu) 良好 良好表2 粘貼CFRP用長江牌(YzJ)建筑結構膠力學性能與混凝土抗拉強度 抗剪強度 適用溫度 彈性模量粘貼強度MP且 MPa ℃ GPa30~35 24~30 2 2 —40一+7O 5~6、

五、計算方法
    1、加固構件抗彎計算由文獻【犏到的鋼筋直徑損失與順筋裂縫之間的關系公式(構件中鋼筋平均直徑16ram)。△D： 645-71 W _562 (1)式中，△D一鋼筋直徑損失( m)；w～ 裂縫寬度(mm)根據(jù)文獻【3】中，鋼筋截面損失率與構件承載力降低之間的關系，可推得到以下鋼筋截面損失率與構件承載力降低公式：12M#Mo+0．27p~％一12-0 (2)式中，M 書}濁構件承載力；M ．正常構件承載力；p 一鋼筋截面損失率。由此，可以得到構件裂縫寬度與構件承載力降低之間的關系：12M,[M~10．89W-1 1．05=0 (3)在觀測宏觀裂縫寬度，并且已知構件原有承載力的前提下，可通過上式得構件承載力的降低值，來計算縱向碳纖維布的需要量。碳纖維布對銹蝕結構承載力的加固計算公式如下(按鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構件正截面承載力設計公式)：0 j h=p 7^+Efe ～ 04、M。= ( —x／2) (5)在這里，根據(jù)ACI委員會FRP設計指南建議CFRP應變不應小于0．005，相當于x≤0．64∈山。 (6)
p。一銹蝕結構混凝土強度降低系數(shù)；p 一銹蝕結構混凝土強度降1氐系數(shù)； 1一p 為鋼筋銹蝕后面積降低系數(shù)；￡按照混凝土設計規(guī)范修訂稿，混凝土強度等級不于C50時，等效矩形應力圖的應力取軸心抗壓強度 E —碳纖維布的彈性模量；s 一碳纖維布的極限拉應變(可取為0．01)；A f．．碳纖維布的使用截面積。2、銹蝕構件抗剪承載力加固設計抗剪加固設計公式v=V V1+Vf (7)其中，V 為混凝土的抗剪承載力，V 為箍筋的抗剪承載力，可按規(guī)范有關普通混凝土梁的規(guī)定方法進行計算，針對銹蝕構件，這兩項前分別乖于混凝土和鋼筋的降低系數(shù)p 、V 為碳纖維布抗剪承載力，按照碳纖維布的粘貼方式不同，采用不同計算公式。當梁側的碳纖維布是以等間距的U形條帶+壓條的粘貼方式進行，則公式為： rc『v (8)j ?廣．-碳纖維布受剪承載力影響系數(shù)(文獻[5]取為0．7)；叮廣—碳纖維布破壞時應力；Af．一梁側碳纖維布條帶的面積；s廣_-梁側碳纖維布條帶的面積；h —鋼筋混凝土梁截面有效高度。當梁側的碳纖維布是以梁的側面全包+壓條的粘貼方式進行，則公式為Vf=c~crf tf h。 (9)t 一梁側碳纖維布的厚度。3、柱的抗震加固當柱抗剪能力不足或其配筋不滿足現(xiàn)行抗震設計規(guī)范要求時，采用封閉式粘貼玻璃纖維布條約束混凝土對柱進行抗剪、抗震加固，箍筋的總折算體積配箍率可按式(6)計算：： 。+ ， 竺 竺 (10)? 一 “ ( +w#)bh ，w式中p 一按箍筋范圍以內(nèi)的核心截面的體積配箍率；1)d--玻璃纖維布條的有效約束系數(shù)，取0．45；對于柱，當軸壓比大于0．5且未卸載時取0．36；s —玻璃纖維布條凈間距；t曠-單層玻璃纖維布條厚度；w 一玻璃纖維布條寬度；玻璃纖維布條抗拉強度設計值；fⅦ一—箍筋抗拉強度設計值。

六、施工方法基本舡步驟(如圖1)：
1、基底處理
a混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等