碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工规程建议

碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工规程建议
碳纤维布加固混凝土梁抗弯强度计算及施工
规程建议
碳纤维布加固钢筋混凝土短柱的抗震性能试验研究
同济大学土木工程学院
屈文俊张誉
摘要：碳纤维加固混凝土梁的计算理论和施工操作规范，是碳纤维加固混凝土梁走向规范化和科学化的基础。

本文依据三根粘贴碳纤维布混凝土梁的抗弯试验，建议了碳纤维加固混凝土梁的抗弯强度计算方法，依实际施工经验，提出了碳纤维布加固混凝土梁的施工规程建议。

关键词：碳纤维布加固梁，抗弯强度，施工规程
前言：
混凝土结构工程新千年所面临的主要问题之一是：既有混凝土结构的加固和修复。

粘贴碳纤维布加固技术，是近十年在日本首先应用和发展的，已有一千多个工程实例。

该方法的主要优点表现在： 1、性能稳定，一般无腐蚀问题。

2、重量轻，不增加结构静载。

3、强度高。

4、容易手工操作，不需专门机械设备。

5、施工无灰尘和噪声污染，并可不间断生产运营。

目前，在我国已有不少单位在研究碳纤维粘贴布的计算方法，已有不少工程实例。

同济大学在接收生产任务的同时，针对性地做了一系列试验，如环向粘贴碳纤维布间接提高柱的抗压承载能力试验，加固混凝土梁的抗弯试验和抗剪试验，为工程应用起到指导作用。

本文的主要目的是探讨粘贴碳纤维布混凝土梁的抗弯计算方法以及总结粘贴碳纤维布的施工操作方法。

试验研究：
在同济大学建工系结构试验室进行了三根梁的试验，其中二根梁贴碳纤维布加固，为对比试验，一根梁没有粘贴碳纤维布。

三根试验梁（L-1，L-2a，L-2b）的截面特性见表1，试验梁浇筑日期：99年10月21-22日，水泥：砂：石子=26：48：97；贴碳纤维布日期：99年11月16日；
碳纤维布为上海同砼碳纤维布有限公司生产的“同砼”牌无纺单向碳纤维布，试验梁的加固工作在试验室内进行，为了与实际加固施工现场操作相一致，操作人员上仰操作，加固操作程序为：打底胶、批胶泥、上胶、贴碳纤维布、罩面胶。

静载试验日期：99年11月18-11月21日
（一）、加荷装置示意
（二）、材料性能
混凝土、钢筋的材料性能见表1。

碳纤维布的规格：0.1×45mm,极限抗拉强度：3600Mpa,弹性模量
235Gpa。

（三）、试验结果
１、破坏特性：
二根（L-2a，L-2b）贴碳纤维布梁的破坏为：受拉钢筋首先屈服，而后加固梁表现出较大的塑性，最后碳纤维布拉断；一根（L- 1）没有采用加固措施试验梁的破坏为：受拉钢筋屈服破坏。

２、加固效果对比
计算结果见表1。

图2.荷载-跨中挠度曲线
表1.试验梁截面特性及试验结果
试验梁编号
截面
b×h(mm×mm)
立方
体强
度
MPa
A s
(As’=0)
mm×mm
a
s
钢筋
屈服
强度f
y
(Mpa)
钢筋
极限
强度f
y
(Mpa)
梁截面极
限弯矩
Mu(KN-m)
未加固截
面计算极
限弯矩
Mj1(KN-m)
粘贴
层数
×条
数
加固后截
面计算极
限弯矩
Mj2(KN-m)
截面
极限
强度
提高
率%
Mu/Mj2 破
坏
特
性
L-1 150×25033.7 226 21 285 410 14.7 14.26 无－0 钢
筋
屈
服L-2a 150×25033.2 226 21 285 410 22.05 14.25 单层21.92 54.7 1.015 碳
纤
维
拉
断L-2b 150×25035.0 226 21 285 410 20.3 14.28 单层21.98 42.2 0.932 碳
纤
维
拉
断（四）结论
１、加固后的试验梁，皆由于碳纤维布的拉断而破坏，说明粘结性能良好，加固方法可靠，能够满足结构设
计要求。

２、加固后试验梁的截面破坏弯矩，比加固前试验梁的截面破坏计算弯矩提高42-54.7%，说明加固效果明显。

３、碳纤维的弹性模量与钢筋相近，但由于其强度高，充分发挥碳纤维的强度需要较大的应变。

１、碳纤维布加固梁抗弯强度计算
依据加固试验梁的破坏特性，在极限状态下，受拉钢筋屈服，破坏由碳纤维拉断诱发，参照现行混凝土结构设计规范抗弯设计计算的基本原理，假定:
１、混凝土梁受弯后，变形规律符合平截面；
２、钢筋为理想弹塑性材料;
３、混凝土的应力-应变关系采用《混凝土结构设计规范》所建议的关系式；在极限状态下，受压区混凝土
应力等效为矩形应力块，应力强度为混凝土的弯曲抗压强度;
４、忽略混凝土的抗拉强度;
５、在极限状态下，碳纤维的应力达抗拉设计强度。

在极限状态下,加固梁的截面应力图由图3所示。

图中，Mu—截面极限弯矩;As,As’—受拉受压钢筋面积，fY,fY’—钢筋抗拉、抗压设计强度：ACF—碳纤维截面面积；fCF—碳纤维的抗拉设计强度，建议取极限抗拉强度的0.8倍。

图3所示截面的平衡方程为：
ΣFx=0
Asfy+AcFfcf-A’sf’y-bxfcm=0 (1)
ΣMAS(F)=0
M=bxfcm(ho-x/2)+A’sf’y(ho-a’s)+AcFfcFas (2)
将试验梁材料的实际强度代入（1）和（2），可计算出梁的极限破坏弯矩，见表1。

实际梁截面破坏弯矩Mu与加固后截面计算极限弯矩比值的平均数为0.9735，说明计算方法可靠。

四、碳纤维布加固修补结构施工及验收建议
总则
第1.0.1条碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的加固技术，主要用于混凝土结构的加固与修补工程。

为
确保该项技术应用的工程质量，提高施工管理水平，特制订本规范。

第1.0.2条本规范适用于因设计或施工不当、材料质量不符合要求、使用功能改变、遭受灾害以及耐久性原
因而需对钢筋混凝土、预应力混凝土及素混凝土结构进行加固修补的施工及验收。

第1.0.3条加固修补所使用的碳纤维布和胶粘剂，应按设计要求选用，并应符合现行材料标准的规定。

对材
料质量发生怀疑时，应进行抽样检查，合格后方可使用。

第1.0.4条碳纤维布加固修补施工的环境温度，应按胶粘剂产品说明要求。

第1.0.5条碳纤维布加固修补施工安全技术、劳动保护、防火、防毒等的要求，应按国家现行的有关规范执
行。

其材料堆放应注意安全防火。

胶粘剂的配置
第2.0.1条将原材料按不同配合比称量准确，分别配置底涂胶料、整平胶料及粘结胶料。

先将稀释剂加入聚合物主料内搅拌均匀，再将填料加入继续搅拌至均匀，最后加入固化剂，充分搅拌后即可使用。

第2.0.2条配置胶料时应注意以下事项：底涂胶料每次配置量以1－2公斤为宜；整平胶料每次配置量以0.5－1公斤为宜；粘结胶料每次配置量以1－2公斤为宜。

第2.0.3条所有胶料要求于1小时内施工完毕。

施工要求
第一节施工操作顺序
基底处理
1、混凝土表面如出现剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予剔除，对较大面积的劣质层，在剔除后应用聚合物水泥砂浆进行修复。

2、裂缝部位，如有必要应先进行封闭处理。

3、用混凝土角磨机、砂轮（砂纸）等工具，去除混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R3 20mm）。

4、用吹风机将混凝土表面清理干净并保持干燥。

涂底胶
1、按一定比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用搅拌器搅拌均匀，根据现场实际气温决定用量，并严格控制使用时间。

2、用滚桶刷或毛刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，厚度不超过0.4mm，并不得漏刷或有流淌、气泡，等胶固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时），再进行下一道工序。

用整平胶料找平
1、混凝土表面凹陷部位应用刮刀嵌刮整平胶料修补填平，模板接头等出现高度差的部位应用整平胶料填补，尽量减少高差。

2、转角的处理，应用整平胶料将其修补为光滑的圆弧，半径不小于10mm。

3、整平胶料须固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时），方可再进行下一道工序。

粘贴碳纤维布
1、按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度应在3m以内。

2、配置、搅拌粘贴胶料，然后用滚筒刷均匀涂抹于所粘贴部位，在搭接、拐角部位适当多涂抹一些。

3、用特制光滑滚子在碳纤维布表面沿同一方向反复滚压至胶料渗出碳纤维布外表面，以去除气泡，使碳纤维布充分浸润胶料。

多层粘贴应重复以上步骤，待纤维表面指触感干燥为宜，方可进行下一层碳纤维布
的粘贴。

4、在最外一层碳纤维布的外表面均匀涂抹一层粘贴胶料。

第二节施工构造要求
第3.2.1条基层混凝土强度不低于C15。

第3.2.2条碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm。

第3.2.3条碳纤维布的端部在必要时应采取相应的附加措施，如采取钢板固定等。

第3.2.4条粘贴碳纤维布应尽量避开障碍物，如遇无法清除的障碍物而需截断时，在截断部位要予以适当处理，具体措施应视不同情况而定。

施工安全措施
第4.0.1条裁剪及使用碳纤维布时应尽量远离电源，尤其是高压电线及输电线路。

第4.0.2条碳纤维布的配套用胶要远离火源，避免阳光直接照射。

第4.0.3条现场施工人员应穿工作服，同时还须佩戴口罩和手套，施工人员严禁在现场吸烟。

第4.0.4条配置及使用胶的场所必须保持良好的通风。

施工温度要求
施工现场的气温是影响施工的一个重要因素，根据工艺要求，现场气温应3 50C，如果气温低于50C，应使用适于低温的特殊胶种或采取其它加温处理措施，如气温长时间低于50C，应暂停施工。

工程验收
第6.0.1条工程验收时必须有碳纤维及其配套胶料厂家所提供的材料检验证明。

第6.0.2条每一道工序结束后均应按工艺要求进行检验，作好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。

第6.0.3条施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回声来判断粘结效果，如出现空鼓等粘贴不密实现象，应采取针管注胶的方法进行补救。

若粘结面积小于90％，则判定为粘结无效，需重新施工。

第6.0.4条对于碳纤维布粘贴面积在1000m2以上的工程，为检验其加固效果应与甲方协商进行荷载试验，其结构的变形等各项指标均应满足国家规范规定的设计及使用要求。

五、结语
碳纤维布加固混凝土结构技术，正在逐渐走向普及，目前单向无纺碳纤维布已在上海同砼碳纤维布有限公司试制成功，完全可以与粘钢技术的经济性相媲美，可以预言，由于其显著的优点，很快可以替代粘钢技术。

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