CFRP板条加固钢筋混凝土梁在结构改造工程中的应用
一、工程概况
重庆市綦江县一综合办公楼于1999年建成,在2007年8月的质量检查中发现如下问题:(1)部分框架梁在跨中出现上小下大的明显裂缝,有露筋,且锈蚀现象较严重,造成安全隐患 ;(2)原设计砼强度为C30,实测砼强度在C20～C30之间。
该工程是由于施工质量低劣而影响了构件强度 。但对相关框架梁进行加固改造之后,该办公楼仍可继续使用。
二、碳纤维板条的性能分析及加固方案确定
1.CFRP材料的性能优势
(1)轻质高强。重量轻,基本不会增加被加固结构的重量。强度高,其抗拉强度时钢材的10倍左右。尤其是高弹模型碳纤维,其抗拉强度比钢材大68倍,弹性模量比钢材大2.0倍～2.6倍。
(2)高耐久性。在600℃高温下其性能保持不变,在-180℃低温下仍很柔韧;不与恶劣环境下酸、碱、盐发生腐蚀。
(3)施工性好。由于碳纤维布质轻又可折可弯,可使用不同构件形状,成型很方便,可根据受力需要粘贴若干层。
(4)热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小.其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于0。这一特性是目前其他任何材料无可比拟的,垂直于纤维方向的热膨胀系数虽然比较大,但各向同性制品与其他材料相比又最小。
2.本工程加固方案确定
根据常用的几种加固方法的工艺要求及本工程的具体条件,并综合考虑经济因素,采用排除法来确定最终的加固方案。首先,由于该大楼主要为办公用房,层高较低,因此对于加大载面法来说,会进一步降低使用空间,不符合该工程的实际情况,所以第一个被排除。第二是常用的粘钢加固,必须沿钢板纵向每隔一定距离用注胶胀栓将钢板与混凝土梁表面贴紧,这就必须在混凝土梁表面钻大量的孔。由于该综合办公楼旁边就是綦江县敬老院,钻孔噪音必然会对周围居民产生严重影响。故粘钢加固方法也予排除。第三,对于预应力加固方法来说,因其对施工机具要求较高,现场施工繁琐,且造价相对较高,因此也被排除在外。
三、CFRP板条加固设计
1.本工程加固设计基本指导思想
本综合办公楼部分框架梁的混凝土保护层已经开裂,造成较为严重的钢筋锈蚀现象,引起钢筋截面积减少,钢筋强度降低,且钢筋与混凝土之间粘结强度降低。在进行碳纤维加固时,应针对结构锈蚀程度不同,来计算纵向碳纤维布所需数量,以提高抗弯承载力;计算横向碳纤维布数量,以提高抗剪承载力。
2.CFRP布用量计算
3.锚固长度
CFRP布与混凝土之间的粘结性能,无论从变分布还是应力分布来看,都存在一段有效锚固长度。从应变与裂缝的距离曲线图中可以看出,除了数值大小有差别以外,曲线的形状十分相似,说明碳纤维布中的应变和应力在平稳地发展;同时,粘结应变和应力主要在离裂缝50mm以内发生明显变化,从而可以说明,碳纤维布的粘结锚固长度取100mm左右最合适的。
本工程框架梁和次梁的宽度均为250 mm,把各相关参数代入上述公式计算得到沿梁底需通长粘贴2层200 mm宽和0.111 mm厚的碳纤维片材,梁顶在1/3梁跨范围内粘贴2层200mm宽和0.111mm厚的碳纤维片材,并用100 mm宽的纵向碳纤维片材压条进行锚固。
四、施工质量控制
1.施工卸载
为降低原结构加固前的应力水平指标,应尽量卸载。卸载方法分为直接卸载和间接卸载法。直接卸载法即加固前卸掉原结构上一切的可卸荷载。间接卸载法一般采用模升卸载法、螺旋千斤顶顶升卸载法、体外施加预应力反向加载卸载法。
2. 表面处理
目的主要是确保混凝士结构与纤维布粘结牢固,去掉混凝土、钢筋表面锈蚀及老化部位,利用结构胶修补裂缝、填补孔洞、调整高差、削除尖角。因为碳纤维的脆性性能,所以待加固构件表面的内凹角应通过修补胶泥、外凸角应通过打磨加以圆化。
3.配制粘贴树脂
必须由专人负责,严格按照配制比例进行操作,并尽可能做到少配多用,防止放置时间较长,粘贴树脂产生初步固化。
4.粘贴纤维布
施工时必须确定纤维粘贴方向与受力方向一致,纤维布一定要铺设平整,不能裙皱,不能弯曲,浸渍胶必须浸透,并排除气泡。并且应特别注意用橡皮辊轮顺纤维方向均匀平稳压实,使树脂从两边挤出,保证密实无空洞。施工完毕后可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面进行检查。
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