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鋼筋混凝土柱采用碳纖維布的加固應用

發布時間：2014-07-15

　摘要：碳纖維以其自重輕、高強度、高彈性、耐腐蝕、施工方便、不受構件外形限制等特點被廣泛應用于建筑物梁、板、柱結構的加固和橋梁結構、隧道、煙囪等的結構補強以及海灘建筑的防腐補強。
　　關鍵詞：鋼筋混凝土柱碳纖維布加固補強承載力驗算施工要求
　　一、工程概況：
　　某單體工程為框架剪力墻結構，建筑面積8234平方米，地下1層，地上17層。在主體施工過程中，根據現場回彈儀實測發現，4層軸/軸300×450mm框架柱因局部振搗不到位及先期砂漿流入，局部混凝土強度偏低，此柱混凝土強度從底至上混凝土強度逐步升高，柱根部砼強度為C20左右，到梁柱節點下約300mm處混凝強度達設計要求的C25混凝土強度,該柱主筋配10根直徑22的三級鋼筋。鑒于此實際情況，現決定對該柱進行加固補強，使其達到設計要求的承載力。
　　二、加固方案選擇：
　　目前可用于加固鋼筋混凝土柱的常用方法有：加大柱截面法、外包鋼法、外包裹FRP材料（碳纖維）法等。加大截面法使結構自重和截面尺寸都有較大的增加；外包鋼法比雖然比鋼筋混凝土柱加大截面法更為有效，但外包鋼護套抵御惡劣環境侵蝕的能力較差。碳纖維加固是將高強碳纖維織物，用專用結構膠粘貼于被加固物件表面，其特點是：自重輕、高強度、高彈性、耐腐蝕、施工方便、不受構件外形限制。
　　現決定采用外包裹FRP材料（碳纖維）法對該柱進行加固補強，該方法具有高強高效、施工便捷、良好的耐久性與耐腐蝕性、厚度薄及重量輕等優點。柱子可由單層或多層纖維布完全包裹，也可以用纖維布條帶形成連續的螺旋箍或間隔的環箍進行部分包裹。本工程選擇兩層碳纖維布沿柱高完全包裹進行加固。
　　三、加固計算：
　　3.1基本假定：
　　1）平截面假定；
　　2）碳纖維布與混凝土之間沒有任何滑移，且不發生剝離破壞；
　　3）碳纖維布采用線彈性應力-應變關系，且只能承受拉力。
　　3.2 碳纖維布的層數確定：
　　本工程鋼筋混凝土柱加固所用碳纖維布選用上海同砼碳纖維布有限公司生產的“同砼”牌，型號為CFC3.2-220-100;彈性模量為Ecfrp=2.2×105MPa,抗拉強度為fcfrp=3200MPa，單層厚度=0.12mm，寬度100 mm。本工程矩形截面柱尺寸為300×450mm，考慮到柱角對碳纖維布有影響，故將該矩形柱四角倒成半徑為20的圓角（如圖示）,確定碳纖維布包兩層。
　　
　　下面為軸心受壓柱正截面承載力驗算公式：
　　
　　
　　式中：N—為柱軸向壓力設計值2480KN；
　　—為原構件C20混凝土抗壓強度設計值9.6N/mm2；
　　—為有效約束應力；
　　—環向圍束內混凝土柱截面積,
　　矩形柱=134656mm2；
　　—為受壓主筋承載設計值，該柱主筋為10根直徑為22的三級鋼，
　　；
　　—為混凝土強度影響系數，C25混凝土為1.0；
　　—為環向圍束的有效約束系數；矩形柱，其中，r為柱倒角半徑20，為柱配筋率，；
　　；
　　—為環向圍束體積比，矩形柱按計算；其中、為碳纖維層數2和每層厚度0.12。計算得=0.0027；
　　—為碳纖維彈性模量，=2.2×105MPa；
　　 —為碳纖維有效拉應變設計值，取0.0035；
　　計算：
　　=0.5×1×0.4×0.0027×2.2×105×0.0035=0.416N/mm2
　　=0.9×[(9.6+4×0.416)×
　　134656+1368000]=2596.3KN（滿足）
　　四、施工要求
　　4.1表面處理
　　施工時將柱的四個角用磨光機打磨成半徑20的圓角。對于砼表面出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等有缺陷的部位事先予以鑿除，并用水泥沙漿進行修復。最后用清水沖洗干凈，待完全干燥后用脫氧棉擦拭表面3～4次，直至脫脂棉上無粉塵。
　　4.2涂底膠和找平
　　按產品生產廠家提供的工藝規定配制底膠并攪拌均勻，注意一次調和量在可使用時間內用完，超過時間的絕對不能使用，以確保粘結質量。用滾刷均勻地涂在基面上，注意均勻涂抹，自然風干。底膠硬化后，如表面有凸起時，要用磨光機或砂紙打平。待底膠指觸干燥后，盡快進入下一道工序。
　　4.3粘貼碳纖維布
　　按設計要求的尺寸及層數裁剪纖維布，除非特殊要求。碳纖維布在受力方向盡量不要搭接，如需搭接，則沿碳纖維方向的搭接長度不得小于200mm，而緯向搭接長度不小于50mm。粘貼碳纖維布時，應依設計位置由上而下，由左到右有秩序地粘貼，并采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓，擠壓氣泡，使浸漬樹脂充分滲透纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。
　　粘貼碳纖維布后,需自然養護24h達到初期固化,應保證固化期間不受干擾。碳纖維片材粘貼后達到設計強度所需自然養護的時間不少于2周。
　　五、結論
　　經過以上方法加固，該柱承載能力達到了原設計要求，實際使用效果較好，結構沒有出現開裂、變形等缺陷現象，結構尺寸也沒有發生明顯的變化。
　　參考文獻
　　1. 張俊耿，外貼碳纖維布在混凝土結構加固中的應用[J]，山西建筑，2010，24.
　　2．裘泳，碳纖維結構加固技術[J]，中華建設，2012，03.
　　3. CECSl46-2003，碳纖維片材加固混凝土結構技術規程.
　　4. GB50367-2006，混凝土結構加固設計規范.

上一條鋼筋混凝土柱的加固
下一條碳纖維布加固在混凝土結構中的應用

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