碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用

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1、碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用摘要：碳纖維具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長(zhǎng)壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。本文以一個(gè)小型改造工程應(yīng)用為例介紹了碳纖維復(fù)合材料在因功能改變引起荷載變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的計(jì)算方法和施工工藝，供同行參考。關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹(shù)脂類(lèi)粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)

2、國(guó)家，我國(guó)起步很晚，近年來(lái)發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車(chē)、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用碳纖維布加固具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、抗拉強(qiáng)度高，是普通鋼材的10倍；2、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡(jiǎn)便（不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），沒(méi)有濕作業(yè)，易于操作，經(jīng)濟(jì)性好；5、適用范圍廣，施工工期短。1、工程概況四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，底部2層框架，上部4層

3、住宅。原設(shè)計(jì)1，2層為餐廳（活荷載為2.5KN/m2）,廚房（活荷載為4.0KN/m2）設(shè)在一層?，F(xiàn)計(jì)劃重新裝修開(kāi)設(shè)肯德雞連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設(shè)售餐臺(tái)。由于功能改變導(dǎo)致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要加固。經(jīng)過(guò)方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。2、材料特性⑴本工程使用德國(guó)進(jìn)口的碳纖維布（C200），其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1：表1：碳纖維布主要性能指標(biāo)型號(hào)單位面積質(zhì)量（g/cm-2）設(shè)計(jì)厚度mm抗拉強(qiáng)度f(wàn)cf(Mpa)彈性模量Ecf(Mpa)UDO2002000.11149002.3×105⑵粘貼用樹(shù)脂采用國(guó)產(chǎn)JGN型建

4、筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2：表2：配套膠主要性能指標(biāo)種類(lèi)拉伸強(qiáng)度MPa壓縮強(qiáng)度MPa剪切強(qiáng)度Mpa適用溫度℃可使用時(shí)間min基底樹(shù)脂（JGN-E）---0～3815～30修補(bǔ)樹(shù)脂（LGN-F）＞28＞50＞180～38＞40粘結(jié)樹(shù)脂（JGN-D）＞28＞50＞180～38＞603、加固設(shè)計(jì)3.1基本假定碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計(jì)算采用如下基本假定：受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)；梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；（3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。3.2加固設(shè)計(jì)根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)

5、構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146:2003）［1］的規(guī)定，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算?？紤]到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。取A軸梁跨中為例梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0=2900mm2As0＇=980mm2設(shè)計(jì)彎矩：Mu=510Kn·m按原設(shè)計(jì)計(jì)算最大彎矩設(shè)計(jì)值：x=(fyAs－fy＇As＇)/fcb=115mmMu=fcbx(h0－x/2)+fy＇As＇(h0－a’)=14.3x350x115x(585-57.5)+300x980(585-40)=463.6kN·m本設(shè)計(jì)采取在梁底粘貼300mm寬

6、碳纖維布3層（Acf=99.9mm2）,按規(guī)程公式計(jì)算碳纖維片材厚度折減系數(shù)：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818[εcf]=kmεcfu=0.017>0.01取[εcf]=0.01界限相對(duì)高度：ξcfb=0.8Xεcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985混凝土受壓區(qū)高度x和受拉面上碳纖維片材的拉應(yīng)變?chǔ)與f應(yīng)按下列公式進(jìn)行計(jì)算：1）、fcbx=fyAs－fy＇As＇+EcfεcfAcf2)、x＝0.8εcu/εcu+εcf解得：ξcfbh＝0.19

7、85x650＝129<χ≈137mm<ξbh0=329m;εcf=0.0051根據(jù)規(guī)范公式4.3.2-1,M=fcbx(h0－x/2)+fy＇As＇(h0－a’)+EcfεcfAcf(h－h(huán)0)=14.3x350x137x(585-68.5)+300x980(585-40)+2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN·m由計(jì)算結(jié)果可知經(jīng)過(guò)加固，此梁的最大彎矩設(shè)計(jì)值比原來(lái)提高了13％。3.3構(gòu)造做法為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道,在主次梁相