王昌遠(yuǎn)

摘要：本文就筆者在馬鞍山工程施工中碳纖維加固鋼筋混凝土梁的工程實(shí)踐做以介紹，以便大家在今后的加固工程中進(jìn)行不斷提高。

關(guān)鍵詞：碳纖維 鋼筋混凝土梁 加固模型 參數(shù)選取 設(shè)計(jì)驗(yàn)算 施工要點(diǎn)

鋼筋混凝土在我國(guó)各個(gè)行業(yè)的建筑工程中廣泛應(yīng)用，但是，在鋼筋混凝土施工完成之后，要改變使用功能或者提高使用功能，都存在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力再進(jìn)行改變，同時(shí)在鋼筋混凝土構(gòu)件使用多年之后，也會(huì)存在進(jìn)一步對(duì)缺陷加固消缺的問(wèn)題。因此，鋼筋混凝土構(gòu)件加固普遍存在，在我國(guó)起步較晚，是九十年代以來(lái)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應(yīng)用最多，但在這方面工作中還存在一些問(wèn)題，對(duì)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計(jì)算研究也很有限。而這對(duì)于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的，而且以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁、鋼筋混凝土梁的加固為主。到目前為止，碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)得到國(guó)際上普遍認(rèn)同。

安徽開(kāi)米馬鞍山工程中的合成車(chē)間由于使用功能改變，在主體結(jié)構(gòu)施工完成后多個(gè)鋼筋混凝土梁需要進(jìn)行加固，現(xiàn)以JL10鋼筋混凝土梁為例，進(jìn)行加固計(jì)算和施工控制要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1 加固校核的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 計(jì)算模型的建立

JL10是一根跨度為7m的鋼筋混凝土梁，梁截面高度h=500mm，寬度b=250mm，由于業(yè)主變更時(shí)改變室內(nèi)原來(lái)使用功能，要求增加室內(nèi)荷載，變更設(shè)計(jì)說(shuō)明本次變更后梁的受力是正彎矩加大，且梁的構(gòu)件計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值為M=216kN/m。因此，偏于安全考慮，不考慮樓層板翼緣和支座內(nèi)力重分布的影響（如果是負(fù)彎矩狀態(tài)，則必須考慮并按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行計(jì)算），按照矩形梁進(jìn)行計(jì)算。

1.2 加固方式的選擇

由于加固可以采取增大截面加固、外粘型鋼加固、復(fù)合截面加固、繞絲加固、外加預(yù)應(yīng)力加固、植筋加固等方法進(jìn)行，但必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件、梁的受力使用環(huán)境再選取經(jīng)濟(jì)可行的方案。進(jìn)行加固的鋼筋混凝土梁使用在工業(yè)廠房?jī)?nèi)，不存在放射、腐蝕性液（氣）體以及高溫（≤60℃）等不利條件的影響。但是加大梁的截面將會(huì)是使用空間減少，且對(duì)設(shè)備、管道的安裝會(huì)造成不便，繞絲、植筋也不便于施工，外加預(yù)應(yīng)力支座在梁的兩端不能實(shí)施，外面型鋼和復(fù)合截面加固成為可選方案。但是外粘型鋼加固的造價(jià)較高，因此選用復(fù)合截面加固法進(jìn)行加固。而且以外粘碳纖維最為便于施工，且造價(jià)最為經(jīng)濟(jì)，所以這一方案就是首選。

1.3 計(jì)算參數(shù)的選擇

參照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003）、《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2006）中（表9.1.6）碳纖維片材的性能指標(biāo)和原設(shè)計(jì)選取的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算參數(shù)選取如下：

混凝土等級(jí)：C35，fc=16.7N/mm2，ft=1.57N/mm2

受拉縱筋種類(lèi)：HRB400，fy=360N/mm2。分部3根直徑22的鋼筋（單層）Es=2.0×105N/mm2

受壓縱筋種類(lèi)：HRB400，fy=360N/mm2，分部2根直徑20的鋼筋（單層）

碳纖維抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：ff=1600MPa

碳纖維設(shè)計(jì)拉應(yīng)變?chǔ)舊=0.007

碳纖維彈性模量Ef=2.3×105MPa

我國(guó)采用的標(biāo)準(zhǔn)碳纖維布厚度（≤300g/m2）d=0.167mm

設(shè)計(jì)確定的混凝土梁保護(hù)層厚度為20mm，受拉縱筋為Φ22，則受拉縱筋合力點(diǎn)至近邊距離：as=35mm（為便于計(jì)算，單層縱筋取as=35mm，雙層縱筋取as=60mm）

受壓縱筋合力點(diǎn)至近邊距離：as=35mm

按照混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范，對(duì)C35混凝土取強(qiáng)度系數(shù)α1=1.0（當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)，α1取為1.0，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，α1取為0.94）。

當(dāng)處于非均勻受壓時(shí)，正截面的混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與u=0.0033，碳纖維的拉應(yīng)變?chǔ)舊=0.007。

1.4 碳纖維實(shí)際截面面積計(jì)算：

∵受拉鋼筋的截面面積As=1140mm2

受壓鋼筋的截面面積As=628mm2

且x=2as=70mm，h0=h-as=500-35=465mm，

矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高度x可取等于按截面應(yīng)變保持平面的假定所確定的中和軸高度乘以系數(shù)β1。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)，β1取為 0.8。

縱向受拉鋼筋屈服與受壓區(qū)混凝土破壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb應(yīng)按下列公式計(jì)算：

ξb=β1/[1+fy/（Esεcu）]=0.8÷[1+360÷（2.0×105×0.0033）

∴ξb=0.5177 ξbh0=0.5177×465=240.73mm

由本梁屬于框架梁，屬于重要構(gòu)件。

∴ 選擇ξcfb=0.75ξb

等效矩形應(yīng)力圖形的混凝土受壓區(qū)高度為x

則x=ξcfbh0=0.75×0.5177×465=180.55mm<ξbh0

∴按照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的4.3.2-1使用x≥ξfbh0 條件公式進(jìn)行計(jì)算，代入已知參數(shù)：

即α1fcbx（h0-0.5x）+fyAs（h-as）-fyAs（h-h0）

=1×16.7×250×70（500-0.5×70）+360×628×（500-35）-360×1140（500-465）

=226659450N.mm≈226.66KN.M≥M=216KN.M

∵為便于計(jì)算，暫不考慮加固前構(gòu)件在初始彎矩作用下，截面受拉邊緣混凝土的初始應(yīng)變，故取εi=0

∴Ψf=[（0.8εcuh/x）-εcu-εi]/εf

=[（0.8×0.0033×500÷70）-0.0033-0]÷0.007

=2.22>1

∴取Ψf=1

∴設(shè)碳纖維的截面積為Af，把以上參數(shù)代入《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.2-2公式：

α1fcbx=fyAs+ΨfffAv-fyAs

即：1×16.7×250×70

=360×1140+1×1600×Af-360×628

292250=410400+1600Af-226080

∴Af=67.46mm2

∵Af=kmndb

km為碳纖維片材厚度折減系數(shù)，取km=0.78

n為碳纖維片材層數(shù)

即67.46=0.78×n×0.167×250

∴n=2.07 取N=3

故有效Af=km×3×0.167×250=97.695mm2

實(shí)際碳纖維片材面積為125.25mm2

強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求的驗(yàn)算

按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求加固后受彎承載力的提高幅度不得超過(guò)40%， 即ffAf/fyAs≤0.4

（1600×97.695）÷（360×1140）=0.38<0.4

∴滿足要求，按照3層碳纖維片材進(jìn)行加固即可。

2 施工控制要點(diǎn)

2.1 原材料的控制

①本工程所使用的加固材料選擇國(guó)產(chǎn)300g/m2I級(jí)碳纖維布，碳纖維基本性能要求：抗拉強(qiáng)度≥3400MPa，彈性模量≥2.1×105MPa， 極限延伸率≥1.7%。

②碳纖維粘結(jié)劑基本性能要求：壓縮強(qiáng)度≥70MPa，拉伸強(qiáng)度≥35MPa，彎曲強(qiáng)度≥50MPa，拉伸剪切強(qiáng)度（金屬/金屬） ≥18MPa。施工單位應(yīng)提供產(chǎn)品質(zhì)保書(shū)，材料使用前必須經(jīng)抽樣檢驗(yàn)合格后方可使用。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的控制

①基層處理：對(duì)碳纖維加固部位混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行處理，處理后進(jìn)行仔細(xì)觀察，混凝土構(gòu)件有裂縫的必須進(jìn)行裂縫修補(bǔ)后才能進(jìn)行碳纖維加固。對(duì)混凝土表面的蜂窩、凹凸不平必須用結(jié)構(gòu)膠修補(bǔ)平整，對(duì)酥松的混凝土必須鑿除后修補(bǔ)平整；混凝土表面處理后應(yīng)露出結(jié)構(gòu)本體，無(wú)粉塵、雜物、水漬、油漬及平整。混凝土表面處理必須經(jīng)工序檢驗(yàn)、做好相應(yīng)記錄，符合上述要求后才能粘貼碳纖維。粘貼的碳纖維寬度、厚度、材質(zhì)必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行配置，并對(duì)粘貼的碳纖維粘貼面清潔處理。

②修補(bǔ)找平：經(jīng)上述工序后粘貼面平整度應(yīng)達(dá)到5mm/m2，有斷茬、轉(zhuǎn)角部位、凹凸部位應(yīng)找平，抹成平滑曲面。

③膠料配制：膠料應(yīng)嚴(yán)格按比例充分?jǐn)嚢韬笈渲?，?wù)必使用專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行配制，從而保證質(zhì)量。配制攪拌后的膠料應(yīng)無(wú)沉淀、色差、氣泡，并應(yīng)防止灰塵雜質(zhì)混入膠料。

④把經(jīng)處理后的混凝土表面用丙酮或二甲苯擦拭干凈。按設(shè)計(jì)要求裁剪碳纖維，不得損壞織物面，涂抹粘結(jié)膠應(yīng)均勻，敷貼碳纖維應(yīng)平整無(wú)氣泡。多層粘貼，可重復(fù)上述步驟，但應(yīng)在表面指觸干燥后立即進(jìn)行下一層粘貼，如超過(guò)60分鐘，則應(yīng)等12小時(shí)后再行粘貼下一層。

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