化學灌漿和碳纖維布在鋼筋混凝土梁加固中的應用

摘　要:結合某商貿(mào)城加固的工程實踐, 介紹了化學灌漿和外包碳纖維布在加固混凝土梁過程中的技術處理措施和設計計算,以供同類工程參考.

關鍵詞:化學灌漿;碳纖維布;加固;鋼筋混凝土梁

中圖分類號: TU312+ . 3　　　文獻標識碼: B

1　工程概況

　　某商貿(mào)城為框架- 剪力墻結構,建筑層數(shù)為十三層,該工程于2003年底主體完工. 框架主梁截面尺寸450 mm ×1 000 mm,跨度為11. 6 m,混凝土設計強度等級C30,其中部分框架主梁拆模后,發(fā)現(xiàn)梁端及跨中出現(xiàn)數(shù)條橫向裂縫,裂縫寬度約0. 1～0. 2 mm,且已基本穩(wěn)定;梁端及中部次梁兩側出現(xiàn)數(shù)條明顯的斜向裂縫,裂縫寬度約0. 1～0. 3 mm,裂縫擴展延伸到超過1 /3 梁高的位置,而且該梁的剪跨比大于3,斜裂縫已明顯影響到梁的斜截面受剪承載力;梁腹部還有一些因混凝土干縮和溫度等原因產(chǎn)生的裂縫,裂縫不貫穿且高度不大,見圖2、圖3.

　　經(jīng)調查及對原設計復查,發(fā)現(xiàn)框架梁開裂的主要原因有以下幾方面: 1)梁正截面和斜截面承載力雖基本滿足規(guī)范要求,但沒有富余; 2)根據(jù)現(xiàn)場采用綜合法檢測混凝土抗壓強度的實驗數(shù)據(jù),第六層與第八層框架梁混凝土強度推定值分別為29. 0 MPa、24. 0 MPa,不能滿足設計強度等級C30的要求; 3)隔墻由泡沫混凝土砌塊改為空心磚,荷載增加; 4)拆模過早,施工荷載較大,施工過程中鋼筋綁扎不夠規(guī)范. 鑒于上述情況,根據(jù)文獻[ 1 ]的相關要求,需要對這些框架梁進行加固補強處理.

2　加固方案

　　經(jīng)綜合考慮,確定使用化學灌漿和碳纖維布對梁進行加固補強,制定如下加固方案:

　　1)對于斜向裂縫,先采用化學注漿加固,再采用碳纖維布補強;

　　2)對于梁端及跨中出現(xiàn)橫向裂縫,由于沒有發(fā)展跡象,不會顯著影響構件承載力或結構安全,并且構件的使用環(huán)境良好,因此只需先用環(huán)氧樹脂將其封閉,再采用碳纖維布補強;

　　3)對于因混凝土干縮和溫度原因產(chǎn)生的裂縫,不需要加固.

3　化學灌漿修補加固的設計和施工

3. 1　灌漿材料

　　根據(jù)斜裂縫細而深的特點,采用甲基丙烯酸甲脂灌漿,該材料不僅可灌性好,而且擴散能力強,可用于裂縫寬度≥0. 05 mm的裂縫補強,又由于其固化物強度高,與混凝土的粘結強度高,因此能充分恢復混凝土的整體性. 灌漿材料配合比設計見表1.

表1　灌漿材料配合比

Table 1　M ix ra tio of grouting ma ter ia ls

3. 3　灌漿步驟

1)清縫

　　用鋼絲刷等工具,清除裂縫表面的塵土、浮渣、松散層及污物等,然后再用刷子蘸酒精、甲苯等溶液清洗混凝土表面并保持清潔、干燥.

2)埋設灌漿嘴

　　沿裂縫按200～350 mm間距埋設灌漿嘴[ 2 ] 埋設時先在灌漿嘴底盤上抹一層厚約1 mm的環(huán)氧樹脂膠泥,再將灌漿嘴的進漿孔騎縫粘貼在預定位置.

3)封縫

　　采用環(huán)氧樹脂膠泥封閉,先在裂縫兩側(寬20～30 mm)涂一層環(huán)氧樹脂基液,后抹一層厚1 mm左右,寬20～30 mm的環(huán)氧樹脂膠泥,抹膠泥時應防止產(chǎn)生小孔和氣泡,盡量使刮面平整,保證裂縫封閉可靠.

4)漿液配制

　　按漿液的凝固時間和進漿速度來確定漿液一次的配備數(shù)量.

5)灌漿

　　接好灌漿管,打開轉芯閥,先用壓縮空氣將裂縫吹干凈. 然后根據(jù)裂縫區(qū)域的大小確定灌漿的方式、次序,在一條裂縫上灌漿,應由梁端開始向中部推進. 灌漿壓力可試用0. 05～0. 1 MPa,壓力調整時應逐漸升壓,不可驟然加壓. 灌漿時,應待下一個排氣嘴出漿時立即關閉轉芯閥. 灌縫結束后,拆下灌漿嘴,用環(huán)氧樹脂膠泥將灌漿嘴處封口.

4　框架梁碳纖維補強設計

　　框架梁截面尺寸450 mm ×1 000 mm, 根據(jù)檢測報告,混凝土強度等級按C25取值, 考慮到混凝土強度等級的降低和隔墻荷載的增加, 經(jīng)計算得知, 框架梁正截面承載力需要提高10%左右, 梁端由隔墻荷載增加引起的剪力增加約25 kN.

4. 1　材料特性

　　1)本工程使用的碳纖維布其主要性能指標要求見表2.

表2　碳纖維布主要性能指標

Table 2　Pr imary performance of CFRP

　　2)粘貼用樹脂其主要性能指標見表3.

4. 2　框架梁斜截面補強設計

　　1) 確定碳纖維布需承擔的剪力Vbcf需要碳纖維布承擔的剪力來源有: (1) 因混凝土強度降低引起(V1 ) ; (2) 隔墻荷載增加(V2 ) .V1 = 0. 7 ( ft - f′t ) bh0= 0. 7 (1. 43 - 1. 27) ×400 ×960 ×10- 3= 43kNV2 = 25kNVbcf = V1 +V2 = 43 + 25 = 78kN

　　2）確定碳纖維片材的應變εcfv根據(jù)文獻[3 ]

　　其中:梁受剪計算截面的剪跨比λb > 3,取λb= 3.碳纖維布的極限拉應變

 　　3) 確定碳纖維布受剪承載力根據(jù)文獻[3 ]

　　其中:< = 0. 85 (U型粘貼)ηcf = 1 (粘貼層數(shù)為一層)

　　碳纖維布條帶寬度wcf = 200 mm;

　　碳纖維布厚度tcf = 0. 25 mm;

　　碳纖維布彈性模量Ecf = 2. 35 ×105 MPa;

　　側面粘貼碳纖維布的高度hcf = 880 mm;

　　碳纖維布凈間距scf = 300 mm;

　　抗剪承載力滿足要求. 施工工藝見圖1、圖2.

4. 3　框架梁正截面補強設計

　　根據(jù)文獻[ 4 - 5 ]采用等強度替代法,粘貼三層200 mm寬, 0. 25 mm厚碳纖維布來補強框架梁正截面.

Acf ×fcfk / k = As fy

　　其中:碳纖維布截面面積

Acf = 3 ×200 ×0. 25 = 150 mm2

　　碳纖維布設計抗拉強度fcfk = 3 500MPa,折減系數(shù)k = 2HRB335級鋼設計抗拉強度fy = 300MPa經(jīng)計算得到As = 875 mm2 , 框架梁底部原有鋼筋14　25,配筋面積為6 860 mm2.875 /6 860 = 12. 8%正截面承載力滿足要求. 施工工藝見圖3.

圖1　粘貼型式

Fig. 1　Bond types of CFRP

5　碳纖維補強加固施工工藝及步驟

5. 1　施工工藝

5. 2　施工步驟

1) 施工準備

　　首先應根據(jù)施工現(xiàn)場和被加固構件的實際情況,制定相應的施工方案和施工計劃,再按加固設計放線定位,同時準備所需的材料、機具等.

2)表面處理

　　先清除被加固構件表面剝落、疏松及蜂窩等劣化混凝土,清除表層的浮漿、油污等雜質,露出混凝土結構新面,然后用修補材料將構件表面修復平整,再將欲粘貼碳纖維布處的混凝土表面打磨平整,轉角部位要進行倒角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑應不小于20 mm[ 6 ] . 最后將混凝土表面清理干凈并保持干燥.

3)涂刷底層樹脂

　　按產(chǎn)品供應商提供的使用說明配制底層樹脂,再用滾筒將底層樹脂膠均勻涂于混凝土表面,需在底層樹脂表面指觸干燥后進行下一步工序.

4)找平處理

　　按產(chǎn)品供應商提供的使用說明配制修補樹脂,對底層樹脂表面凹陷部位采用修補樹脂找平,特別是轉角處要用修補樹脂修復為光滑的圓弧,圓弧半徑應不小于20 mm. 等修補樹脂表面指觸干燥后進行下一步工序.

5)粘貼碳纖維布

　　按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布,按產(chǎn)品供應商提供的使用說明配制浸漬樹脂,并均勻涂抹于欲粘貼的部位,將碳纖維布粘貼在浸漬樹脂上,邊貼布邊用專用輥筒順著纖維方向多次輥壓,排除氣泡,并使浸漬樹脂充分滲透碳纖維布. 輥壓時不得損傷碳纖維布. 多層粘貼重復上述步驟,但應該在上一層纖維布上浸漬樹脂指觸干燥后進行.粘貼完成后,再在最后一層碳纖維布表面涂刷一層浸漬樹脂并灑上一層細砂.

6　結束語

　　為了檢測加固后結構的使用性能,業(yè)主委托某具有資質的檢測機構進行了現(xiàn)場靜載試驗,檢測荷載為恒載2. 0 kN /mm2、活載2. 0 kN /mm2 ,用袋裝河砂模擬均布荷載. 測試結果顯示:梁腹部加固部分未發(fā)現(xiàn)新增斜向裂縫,舊裂縫基本無發(fā)展;橫向裂縫略有發(fā)展,其中梁端裂縫寬度約0. 15～0. 22 mm,跨中裂縫寬度約0. 13～0. 18 mm,但所有裂縫寬度均小于規(guī)范允許值0. 25 mm. 最大撓度為5. 8mm,位于框架梁跨中,小于規(guī)范允許值38. 7 mm. 檢測結論為:該結構能夠滿足承載力和正常使用要求.

　　本工程加固后于2004年5月交付使用,框架梁至今未發(fā)現(xiàn)新增裂縫,撓度也未發(fā)現(xiàn)明顯變化,這說明加固后的框架梁在長期荷載作用下能夠滿足正常使用功能要求.

參考文獻:

　　[1] GB50010 - 2002混凝土結構設計規(guī)范[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002

　　[2] CECS25: 90混凝土結構加固技術規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社, 1990.

　　[3] CECS146: 2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程[S]. 北京:中國計劃出版社, 2003.

　　[4] 曹雙寅. 結構可靠性鑒定與加固技術[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2001.

　　[5] 王　赫. 建筑工程事故處理手冊[M]. 二版. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

　　[6] 趙　彤,謝　劍. 碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M]. 天津:天津大學出版社, 2001.