碳纤维布加固钢筋混凝土梁的原理与施工技术探讨

四川建筑　第卷6期　碳纤维布加固钢筋混凝土梁的原理与施工技术探讨
杨　波
(绵竹市建设工程质量安全监督站,四川德阳618200)
【摘　要】　碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能。

以某工程为例,介绍了碳纤维复合材料在结构构件加固中的计算方法、施工工艺等。

【关键词】　碳纤维复合材料;　混凝土结构;　加固技术
【中图分类号】　T U74613 【文献标识码】　B
[收稿日期]2009-02-16
[作者简介]杨波(1974～)男,工程师。

在钢筋混凝土结构使用过程中,由于各种原因,经常会造成钢筋混凝土主体构件开裂。

对混凝土构件的裂缝可以采取多种方法进行补强加固,其中碳纤维布加固技术是新近
发展起来的一种结构加固方法。

1　碳纤维加固结构构件技术原理
碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、质量轻及耐腐蚀性好等特点。

加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为碳纤维材料与配套树脂。

碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的
10倍左右,而弹性模量与钢材相当,某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至是钢材的两倍以上,且施工性能与耐久性良好,是一种很好的加固修复材料;配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂,前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量,而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体,并且共同工作,提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力,达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2　加固工程概况
某三层工业厂房,底层采用梁柱结构,主梁跨度为812
m ,梁间距为6m,梁截面尺寸为250mm ×580mm;上层为砖
混结构。

主梁采用预制钢筋混凝土梁,顶端通过预埋件与柱侧预埋钢板进行焊接。

混凝土强度等级为C25,当龄期达到
60d 时对其进行取芯,强度代表值为2013M Pa,没有达到设
计要求。

对其分析原因后,决定选择粘贴碳纤维布进行
加固。

3　碳纤维布加固框架梁设计
311　基本假定
用碳纤维材料加固后,混凝土梁的极限承载力计算与普通混凝土梁有所不同,其基本假定为:
(1)受拉区混凝土的作用忽略不计;
(2)梁受弯后,混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面
假定;
(3)碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系:σcf =E
cf
εcf 。

312　加固设计31211　碳纤维布的设计
采用碳纤维布加固方法,在梁底通长粘贴碳纤维布2层,梁侧粘贴5宽间距5的U 形箍碳纤维布,梁
上部两侧粘贴150mm 宽的碳纤维布。

31212　材料力学指标(见表1,表2)。

31213　设计计算
根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》的规定,采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。

考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除,故不考虑二次受力的影响。

梁截面:b ×h =250mm ×580mm,C25混凝土,原梁配有:
A
s 0
=3436mm 2
A ′s 0=1256mm 2
x =(f y -f y ′A s ′)/(f c b)=220mm
M u
=f c b x (h 0-x /2)+f y ′A s ′
(h 0
-a ′
)=44213k N
m 本设计采取在梁底粘贴250mm 宽碳纤维布2层(A cf
=5515mm 2
),按规程公式计算。

(1)碳纤维片材厚度折减系数:
k
m
=1-n
c f
E
c f
t
cf
/42000=01878。

(2)碳纤维片材允许拉应变:
5
5工程结构
292009.12
10mm 10mm 1
四川建筑　第卷6期　[εcf ]=k m εcf u =01013>0101。

(3)相对界限高度:
ξcf b =018εcu /(εc u +[εcf ])=011985。

混凝土受压区高度x 和受拉面上的碳纤维片材的拉应变εc f
按下列公式进行计算:f c bx =f y A s -f y ′A s ′+E cf εc f A cf
(1)x =018εc u /(εcu +εc f )
(2)
解得:ξcfb h =115112;s ≈234mm 〈ξb h
=292152m;
εcf
=010031,
根据规范公式41312-1,M =f c bx (h 0-x/2)+f y ′A s ′(h 0-a ′)+E cf εcf A cf (h
-h 0)=45312k N
m 。

由于混凝土强度降低,则梁抗震能力降低量为:
V =017(f t -f t ′
)bh 0
=23115k N 。

碳纤维布增加抗震力:
εc f =01006
V bcf =2φn c f ωcf t cf εc f v E cf h cf /(s c f +ωcf )=66120k N
4　碳纤维加固的施工要点
411　施工流程
碳纤维加固的基本流程为:施工准备→基层处理→底胶
工程→碳纤维布粘贴→养护→细部加工。

412　施工要点
(1)碳纤维加固混凝土结构施工应由熟悉该技术施工工
艺的队伍承担。

(2)混凝土表面的浮浆、油污等杂质应清除,对混凝土梁表面出现的裂缝及凹陷用聚合物砂浆修补,并养护不少于3天。

表面凸起的部位要打磨平整,浮尘清除干净,再用丙酮将需粘贴处清洗干净,平整度应达到每米不超过5mm 。

(3)粘贴前需先将梁的锐角部位磨成半径为2c m 的圆
弧,以免应力集中而降低补强效果。

(4)用刮板将胶均匀地涂在梁底面,待胶固化后再进行下道工序施工。

要特别注意调好的底胶须在规定的时间内用完,一般情况下40m i n 内用完。

(5)将胶按比例重量称好,放在洁净的容器中调和均匀,用刮板将胶均匀地涂刷在底胶上需粘贴碳纤维布处,随即把已按照设计要求剪好的碳纤维布粘贴在设计要求部位,然后用专用滚筒顺碳纤维布方向均匀平整压实,挤出气泡,使浸渍树脂充分浸透碳纤维布。

滚压时不得损伤碳纤维布。

待指触干燥后即可进行第二道碳纤维布的粘贴。

(6)两道碳纤维布粘贴完待指触干燥后,再刮涂一层面
胶,用滚筒顺碳纤维布方向均匀平整压实,使胶充分浸入碳纤维布中。

(7)搭接长度不小于150mm,端部用横向碳纤维布固定。

(8)小锤轻击检验,总有效粘结面积不应小于95%,碳
纤维片材的实际粘贴面积不应小于设计面积,位置偏差不应大于10mm 。

5　结束语
工程实践证明,CFR P 加固技术对于混凝土结构构件的补强加固效果十分理想,在基本不增大梁截而尺寸及自重的
前提下,该技术在施工工期、材料耐久性施工质量等方而均达到了合理的要求,施工便捷功效高、噪声小现场整洁等优点。

而且碳纤维面具有良好的耐酸、耐碱、耐大气环境腐蚀的特点,必将在以后的工程实践中得到更广泛的应用。

其综合经济效益和社会效益良好,具有较大的推广使用价值。

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(上接第154页)　
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