化学灌浆和碳纤维布在钢筋混凝土梁加固中的应用

摘　要:结合某商贸城加固的工程实践, 介绍了化学灌浆和外包碳纤维布在加固混凝土梁过程中的技术处理措施和设计计算,以供同类工程参考.

关键词:化学灌浆;碳纤维布;加固;钢筋混凝土梁

中图分类号: TU312+ . 3　　　文献标识码: B

1　工程概况

　　某商贸城为框架- 剪力墙结构,建筑层数为十三层,该工程于2003年底主体完工. 框架主梁截面尺寸450 mm ×1 000 mm,跨度为11. 6 m,混凝土设计强度等级C30,其中部分框架主梁拆模后,发现梁端及跨中出现数条横向裂缝,裂缝宽度约0. 1～0. 2 mm,且已基本稳定;梁端及中部次梁两侧出现数条明显的斜向裂缝,裂缝宽度约0. 1～0. 3 mm,裂缝扩展延伸到超过1 /3 梁高的位置,而且该梁的剪跨比大于3,斜裂缝已明显影响到梁的斜截面受剪承载力;梁腹部还有一些因混凝土干缩和温度等原因产生的裂缝,裂缝不贯穿且高度不大,见图2、图3.

　　经调查及对原设计复查,发现框架梁开裂的主要原因有以下几方面: 1)梁正截面和斜截面承载力虽基本满足规范要求,但没有富余; 2)根据现场采用综合法检测混凝土抗压强度的实验数据,第六层与第八层框架梁混凝土强度推定值分别为29. 0 MPa、24. 0 MPa,不能满足设计强度等级C30的要求; 3)隔墙由泡沫混凝土砌块改为空心砖,荷载增加; 4)拆模过早,施工荷载较大,施工过程中钢筋绑扎不够规范. 鉴于上述情况,根据文献[ 1 ]的相关要求,需要对这些框架梁进行加固补强处理.

2　加固方案

　　经综合考虑,确定使用化学灌浆和碳纤维布对梁进行加固补强,制定如下加固方案:

　　1)对于斜向裂缝,先采用化学注浆加固,再采用碳纤维布补强;

　　2)对于梁端及跨中出现横向裂缝,由于没有发展迹象,不会显著影响构件承载力或结构安全,并且构件的使用环境良好,因此只需先用环氧树脂将其封闭,再采用碳纤维布补强;

　　3)对于因混凝土干缩和温度原因产生的裂缝,不需要加固.

3　化学灌浆修补加固的设计和施工

3. 1　灌浆材料

　　根据斜裂缝细而深的特点,采用甲基丙烯酸甲脂灌浆,该材料不仅可灌性好,而且扩散能力强,可用于裂缝宽度≥0. 05 mm的裂缝补强,又由于其固化物强度高,与混凝土的粘结强度高,因此能充分恢复混凝土的整体性. 灌浆材料配合比设计见表1.

表1　灌浆材料配合比

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

3. 3　灌浆步骤

1)清缝

　　用钢丝刷等工具,清除裂缝表面的尘土、浮渣、松散层及污物等,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洁、干燥.

2)埋设灌浆嘴

　　沿裂缝按200～350 mm间距埋设灌浆嘴[ 2 ] 埋设时先在灌浆嘴底盘上抹一层厚约1 mm的环氧树脂胶泥,再将灌浆嘴的进浆孔骑缝粘贴在预定位置.

3)封缝

　　采用环氧树脂胶泥封闭,先在裂缝两侧(宽20～30 mm)涂一层环氧树脂基液,后抹一层厚1 mm左右,宽20～30 mm的环氧树脂胶泥,抹胶泥时应防止产生小孔和气泡,尽量使刮面平整,保证裂缝封闭可靠.

4)浆液配制

　　按浆液的凝固时间和进浆速度来确定浆液一次的配备数量.

5)灌浆

　　接好灌浆管,打开转芯阀,先用压缩空气将裂缝吹干净. 然后根据裂缝区域的大小确定灌浆的方式、次序,在一条裂缝上灌浆,应由梁端开始向中部推进. 灌浆压力可试用0. 05～0. 1 MPa,压力调整时应逐渐升压,不可骤然加压. 灌浆时,应待下一个排气嘴出浆时立即关闭转芯阀. 灌缝结束后,拆下灌浆嘴,用环氧树脂胶泥将灌浆嘴处封口.

4　框架梁碳纤维补强设计

　　框架梁截面尺寸450 mm ×1 000 mm, 根据检测报告,混凝土强度等级按C25取值, 考虑到混凝土强度等级的降低和隔墙荷载的增加, 经计算得知, 框架梁正截面承载力需要提高10%左右, 梁端由隔墙荷载增加引起的剪力增加约25 kN.

4. 1　材料特性

　　1)本工程使用的碳纤维布其主要性能指标要求见表2.

表2　碳纤维布主要性能指标

Table 2　Pr imary performance of CFRP

　　2)粘贴用树脂其主要性能指标见表3.

4. 2　框架梁斜截面补强设计

　　1) 确定碳纤维布需承担的剪力Vbcf需要碳纤维布承担的剪力来源有: (1) 因混凝土强度降低引起(V1 ) ; (2) 隔墙荷载增加(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）确定碳纤维片材的应变εcfv根据文献[3 ]

　　其中:梁受剪计算截面的剪跨比λb > 3,取λb= 3.碳纤维布的极限拉应变

3) 确定碳纤维布受剪承载力根据文献[3 ]

　　其中:< = 0. 85 (U型粘贴)ηcf = 1 (粘贴层数为一层)

　　碳纤维布条带宽度wcf = 200 mm;

　　碳纤维布厚度tcf = 0. 25 mm;

　　碳纤维布弹性模量Ecf = 2. 35 ×105 MPa;

　　侧面粘贴碳纤维布的高度hcf = 880 mm;

　　碳纤维布净间距scf = 300 mm;

　　抗剪承载力满足要求. 施工工艺见图1、图2.

4. 3　框架梁正截面补强设计

　　根据文献[ 4 - 5 ]采用等强度替代法,粘贴三层200 mm宽, 0. 25 mm厚碳纤维布来补强框架梁正截面.

Acf ×fcfk / k = As fy

　　其中:碳纤维布截面面积

Acf = 3 ×200 ×0. 25 = 150 mm2

　　碳纤维布设计抗拉强度fcfk = 3 500MPa,折减系数k = 2HRB335级钢设计抗拉强度fy = 300MPa经计算得到As = 875 mm2 , 框架梁底部原有钢筋14　25,配筋面积为6 860 mm2.875 /6 860 = 12. 8%正截面承载力满足要求. 施工工艺见图3.

图1　粘贴型式

Fig. 1　Bond types of CFRP

5　碳纤维补强加固施工工艺及步骤

5. 1　施工工艺

5. 2　施工步骤

1) 施工准备

　　首先应根据施工现场和被加固构件的实际情况,制定相应的施工方案和施工计划,再按加固设计放线定位,同时准备所需的材料、机具等.

2)表面处理

　　先清除被加固构件表面剥落、疏松及蜂窝等劣化混凝土,清除表层的浮浆、油污等杂质,露出混凝土结构新面,然后用修补材料将构件表面修复平整,再将欲粘贴碳纤维布处的混凝土表面打磨平整,转角部位要进行倒角处理并打磨成圆弧状,圆弧半径应不小于20 mm[ 6 ] . 最后将混凝土表面清理干净并保持干燥.

3)涂刷底层树脂

　　按产品供应商提供的使用说明配制底层树脂,再用滚筒将底层树脂胶均匀涂于混凝土表面,需在底层树脂表面指触干燥后进行下一步工序.

4)找平处理

　　按产品供应商提供的使用说明配制修补树脂,对底层树脂表面凹陷部位采用修补树脂找平,特别是转角处要用修补树脂修复为光滑的圆弧,圆弧半径应不小于20 mm. 等修补树脂表面指触干燥后进行下一步工序.

5)粘贴碳纤维布

　　按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布,按产品供应商提供的使用说明配制浸渍树脂,并均匀涂抹于欲粘贴的部位,将碳纤维布粘贴在浸渍树脂上,边贴布边用专用辊筒顺着纤维方向多次辊压,排除气泡,并使浸渍树脂充分渗透碳纤维布. 辊压时不得损伤碳纤维布. 多层粘贴重复上述步骤,但应该在上一层纤维布上浸渍树脂指触干燥后进行.粘贴完成后,再在最后一层碳纤维布表面涂刷一层浸渍树脂并洒上一层细砂.

6　结束语

　　为了检测加固后结构的使用性能,业主委托某具有资质的检测机构进行了现场静载试验,检测荷载为恒载2. 0 kN /mm2、活载2. 0 kN /mm2 ,用袋装河砂模拟均布荷载. 测试结果显示:梁腹部加固部分未发现新增斜向裂缝,旧裂缝基本无发展;横向裂缝略有发展,其中梁端裂缝宽度约0. 15～0. 22 mm,跨中裂缝宽度约0. 13～0. 18 mm,但所有裂缝宽度均小于规范允许值0. 25 mm. 最大挠度为5. 8mm,位于框架梁跨中,小于规范允许值38. 7 mm. 检测结论为:该结构能够满足承载力和正常使用要求.

　　本工程加固后于2004年5月交付使用,框架梁至今未发现新增裂缝,挠度也未发现明显变化,这说明加固后的框架梁在长期荷载作用下能够满足正常使用功能要求.

参考文献:

　　[1] GB50010 - 2002混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2002

　　[2] CECS25: 90混凝土结构加固技术规范[S]. 北京:中国计划出版社, 1990.

　　[3] CECS146: 2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S]. 北京:中国计划出版社, 2003.

　　[4] 曹双寅. 结构可靠性鉴定与加固技术[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2001.

　　[5] 王　赫. 建筑工程事故处理手册[M]. 二版. 北京:中国建筑工业出版社, 2002.

　　[6] 赵　彤,谢　剑. 碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M]. 天津:天津大学出版社, 2001.