碳纤维布加固预应力混凝土空心板新技术
目前一些工程使用中发现预应力混凝土空心板存在质量隐患，包括跨中附近裂缝，端部裂缝，板底或板肋蜂窝、麻面及露筋，混凝土强度不足和受力主筋质量不合格等。上述问题影响结构安全时，就必须采取措施进行加固处理。
加固处理的方法很多，如板面浇注混凝土叠合层、板孔剔槽埋筋现浇等，这些方法不仅施工难度大，周期长，有时还影响使用功能。碳纤维布有很高强度重量比、极好的耐腐蚀性能及耐久性，施工简便快捷，粘贴碳纤维布加固方法比其它方法更有优势。为此对粘贴碳纤维布加固预应力空心板技术进行试验研究，并用于实际工程。
1、预应力混凝土空心板粘贴碳纤维加固技术研究
1.1 试验材料
选用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号：L95G404,板号为YKBL33-22d，尺寸为3280mm×590mm×120mm，受力主筋为650级8φLL5冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级C25。其中B1、B2为对比试验板，未进行加固处理；B3～B6底部通长粘贴日本产FTS-C1-20碳纤维120㎜宽两道。
试验用FTS-C1-20碳纤维材料性能指标：厚度0.111㎜，单位面积重量200g/㎡，密度1.8 g/cm3,拉伸强度3550Mpa，拉伸模量235Gpa，粘贴碳纤维结构胶选用日本产FR-E3P。
1.2 试验方案
在预应力混凝土空心板跨中混凝土及碳纤维上粘贴电阻应变片，按《预制混凝土构件质量检验评定标准》（GBJ321-90）对预应力混凝土空心板进行结构性能试验。在1.0倍正常使用短期荷载检验值作用下持荷30min，其余每级荷载作用下持荷10min。持荷载结束时，使用静态电阻应变采集仪跟踪记录混凝土及碳纤维在各级荷载作用下的应力应变情况，用百分表量测空心板在各级荷载作用下的挠度变化，用读数显微镜观测裂缝宽度并记录裂缝开展情况，所有试验均做到破坏为止。试验结果见表1。
表1 空心板试验结果
|
板号 |
开裂荷载/KN |
开裂弯矩/KN·m |
极限荷载/KN |
极限弯矩/KN·m |
Mu，t/Mu |
加固材料应变με |
破坏特征 |
|
|
试验值Mu，t |
计算值 Mu |
|||||||
|
B1 |
11.2 |
5.92 |
24.8 |
11.33 |
10.37 |
1.09 |
– |
主筋拉断 |
|
B2 |
11.2 |
5.92 |
25.8 |
11.73 |
10.37 |
1.13 |
– |
主筋拉断 |
|
B3 |
24.6 |
11.25 |
47.0 |
20.15 |
17.15 |
1.17 |
11000 |
主筋、碳纤维均拉断 |
|
B4 |
21.8 |
10.14 |
42.6 |
18.40 |
17.15 |
1.07 |
9876 |
主筋、碳纤维均拉断 |
|
B5 |
21.8 |
10.14 |
45.8 |
19.68 |
17.15 |
1.15 |
12000 |
主筋、碳纤维均拉断 |
|
B6 |
21.8 |
10.69 |
42.6 |
18.40 |
17.15 |
1.07 |
8884 |
主筋、碳纤维均拉断 |
1.3 试验分析
板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，根据现行规范抗弯设计计算的基本原理，参照国内外关碳纤维加固混凝土受弯构件正截面抗弯设计的试验研究成果，假定：⑴预制混凝土空心板受弯后，变形规律符合平截面；⑵忽略混凝土的抗拉强度；⑶在极限状态下，碳纤维的应力达到抗拉设计强度。正截面内力平衡方程：
ΣFx=0 Acf%26#402;cf+As%26#402;y=bx%26#402;cm （1）
ΣM=0 Mu=Acf%26#402;cf（h-x/2）+As%26#402;y（ho-x/2） （2）
1.4 试验结论
⑴采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，可以有效地提高预应力混凝土空心板的承载力。
⑵在同样荷载作用下，粘贴碳纤维加固后可以有效减少预应力混凝土空心板的挠度。
⑶粘贴碳纤维加固后预应力混凝土空心板的开裂荷载增大。
⑷采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，基本不影响构件的截面高度及自重，对用户空间的净高度及建筑物的其他结构没有影响。
⑸试验中碳纤维最大拉应变为12000με，建议设计时碳纤维抗拉强度取2000Mpa。
2、工程实例
2.1 工程概况
某住宅楼采用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号L95G404，板号YKBL33-22d，尺寸为3280㎜×590㎜×120㎜，受力主筋为650级8φLL5冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级C25，跨中弯矩设计值为5.79KN·m。居民入住后，陆续发现多处空心板跨中附近存在垂直受力主筋的裂缝，裂缝宽度在0.6～1.2㎜范围，上下贯通，相邻3块空心板裂缝并排在一块的有1处。《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）规定，冷拔低碳钢丝或冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板在正常使用条件下不允许出现裂缝。裂缝的存在严重影响预应力混凝土空心板的整体性和承载力，埋下了结构安全隐患，必须进行加固处理。
通过对现场裂缝情况分析，上述预应力混凝土空心板裂缝是因吊装、运输不当引起的，在施工安装前即已出现。
2.2 加固方案确定及计算分析
按居民要求，对空心板加固后要保证房间恢复原状，不影响原使用功能。时至冬季，处理速度要快，尽量不影响居民正常生活。为此，选择灌浆封缝和粘贴碳纤维布的加固处理方案。通过灌浆封闭裂缝，堵塞有害介质腐蚀钢筋的通路，并将已开裂的混凝土粘结起来，使空心板成为一个整体，提高其耐久性，在板底粘贴碳纤维可减少空心板的变形，提高其承载力。
板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，本工程计算不考虑原钢筋作用。考虑碳纤维布与混凝土粘贴破坏特性，碳纤维布设计抗拉强度%26#402;cf=2400Mpa。经计算实配2条100㎜宽碳纤维，并在端部各横贴1条100㎜宽碳纤维以加强端部锚固。
加固施工图见图1。
图1 预应力混凝土空心板加固作法
1－空心板圆孔直径76mm；2－粘贴100mm宽碳纤维布
2.3 施工工序
2.3.1 支撑卸荷
将空心板上下抹灰层剔除，露出空心板顶面和底面。在每块空心板底设直径或边长为100㎜的原木或方木支撑2根，支撑上下设垫块，用木楔打紧。
2.3.2 封缝灌浆
灌浆封缝工艺如下：⑴在裂缝处粘贴两个灌浆嘴、出气嘴；⑵裂缝外表封闭；⑶按比例配制好灌浆浆液，开始压力灌浆；⑷待浆液固化后进行下道工序。
2.3.3 粘贴碳纤维
按所选定的碳纤维和粘结胶的品种、规格准备材料后，按下列工序进行：基面处理→涂刷底胶→粘贴面修补→粘贴碳纤维→养护→表面防护处理。
2.4 荷载试验
加固施工后，选取有代表性的空心板做结构性能试验，以试验结果评价加固技术的可靠性和加固效果。本工程选择裂缝并排的3块空心板做试验。试验时上下抹灰层已施工完毕，恒载全部作用到空心板上。按图集L95G 404规定，YKBL33-22d空心板活荷载为2.0KN/㎡，试验荷载加至活荷载的1.4倍，检验加固后的空心板在各级荷载作用下的变形及卸荷后变形恢复情况，验证空心板裂缝的加固效果。
试验过程采用分级加载，逐级观察挠度变化情况和裂缝的开展情况。
整个加荷过程中，空心板的挠度变化很微小，正常使用短期荷载作用下3块空心板的实测挠度分别为0.09㎜、0.07㎜和0.05㎜，加荷至1.4倍活荷载时，3块空心板的最大实测挠度分别为0.11㎜、0.08㎜和0.06㎜，被灌浆封闭的裂缝未开裂。最后分3级卸荷，每级卸荷后持荷10min观察挠度回弹情况。挠度的回弹量与卸荷量成正比，卸荷完成后观察，外加荷载使空心板产生的挠度全部回弹。说明加固后的空心板在上述荷载作用下，外在弹性工作状态，满足正常使用要求。
3、结语
粘贴碳纤维加固预制混凝土空心板具有施工简便，不需专门机械设备；施工周期短，不影响居民正常生活；重量轻，不增加结构重量等优点。将其结合灌浆封缝和剔槽埋筋作法，可提高被加固构件的抗弯、抗剪性能，加强结构整体性和耐久性，通过荷载试验证明加固效果良好。
参考文献
1 曲文俊等.碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工规程建议.建筑物鉴定与加固改造.汕头：汕头大学出版社，2000
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