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摘要：通過(guò)對(duì)大跨度梁的開(kāi)裂的原因調(diào)查，找出引起結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因，并根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞的實(shí)際情況對(duì)多種加固方案進(jìn)行了比較，找到了進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的合理方法。...

鋼筋混凝土梁的碳纖維加固研究

張晉榮

(上海真誠(chéng)建設(shè)監(jiān)理有限公司  上海  201600)

    在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中，由于先天的設(shè)計(jì)不當(dāng)，或施工程序不合理，或沉降不均及使用不當(dāng)?shù)雀鞣N原因，經(jīng)常會(huì)造成鋼筋混凝土主體構(gòu)件開(kāi)裂。現(xiàn)階段對(duì)混凝土構(gòu)件的裂縫可以采取多種方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，其中碳纖維布加固技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)加固方法。目前，使用碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固在國(guó)外已有很多成功的例子。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、華南理工大學(xué)的一些學(xué)者也都對(duì)此進(jìn)行了很多研究。筆者就所監(jiān)理的某廠房主梁加固過(guò)程，對(duì)構(gòu)件的破壞原因進(jìn)行分析以及加固方案的計(jì)算，并介紹結(jié)構(gòu)破壞原因分析的全過(guò)程以及加固方案的選擇和碳纖維加固鋼筋混凝土梁的計(jì)算方法。

1.工程概況

    某兩層輕型工業(yè)廠房，底層采用梁柱結(jié)構(gòu)，主梁跨度為9m，梁間距為6m；上層為磚混結(jié)構(gòu)。主梁采用預(yù)制鋼筋混凝土梁，頂端通過(guò)預(yù)埋件與柱側(cè)預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接。樓板采用預(yù)制鋼筋混凝土樓板。在使用幾年以后發(fā)現(xiàn)其中有兩根大梁表面在靠近梁兩個(gè)端部處均產(chǎn)生了貫通性斜向(八字)裂縫。裂縫最大寬度5mm，長(zhǎng)度從20mm～ 200mm不等。由于該廠房是現(xiàn)在的使用方購(gòu)買的二手房，與原先的設(shè)計(jì)單位和施工單位均無(wú)聯(lián)系，因此委托筆者所  在的監(jiān)理單位進(jìn)行全程處理加固。

2.破壞分析

    2.1破壞形式的判斷

    從表面看，結(jié)構(gòu)主梁的破壞形式與剪切破壞極為相似，初步判斷為梁抗剪承載力不足引起的剪切破壞。考慮到梁表面抹灰可能會(huì)對(duì)分析判斷產(chǎn)生不利的影響，決定在鑿除構(gòu)件表面抹灰層后進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)和分析。

    當(dāng)螢除構(gòu)件表面抹灰層后，原表面八字裂紋處未發(fā)現(xiàn)梁端部混凝土開(kāi)裂，但在梁跨中部位發(fā)現(xiàn)了多條細(xì)微裂縫，方向與梁軸線垂直，間距均勻，在10～30cm之間，裂縫長(zhǎng)度約為梁高的1／3—1／2不等。根據(jù)構(gòu)件的裂縫情況進(jìn)行分析，基本可以斷定為梁是由于抗彎承載力不足引起的破壞，從而排除了抗剪承載力不足而引起構(gòu)件破壞的可能性：

    2.2破壞原因的分析

    由于原結(jié)構(gòu)施工圖缺失，給進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)破壞的原因帶來(lái)了一定的困難。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取證，得知在主梁的施工過(guò)程中存在違規(guī)操作，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人在主梁的混凝土未達(dá)到規(guī)范規(guī)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間、混凝土強(qiáng)度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100％時(shí)就開(kāi)始進(jìn)行了吊裝施工。根據(jù)梁的破壞情況和產(chǎn)生了較大的撓度來(lái)看，混凝土強(qiáng)度不足可能是產(chǎn)生破壞的原因之一。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)勘查發(fā)現(xiàn)，二層有一道磚砌體墻直接砌筑在鋼筋混凝土樓板上，而原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不存在此荷載。由于人為增加了結(jié)構(gòu)荷載，造成結(jié)構(gòu)實(shí)際受力與設(shè)計(jì)荷載不一致。

    經(jīng)過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行碳化檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)存在異常情況。考慮到混凝土強(qiáng)度可能是破壞的一個(gè)因素，采用超聲波和回彈聯(lián)合對(duì)混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，按照規(guī)范規(guī)定的方法推定混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到了原設(shè)計(jì)C25的要求。

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)定結(jié)構(gòu)破壞的原因主要有如下兩點(diǎn)：(1)人為改變結(jié)構(gòu)用途，導(dǎo)致實(shí)際荷載與設(shè)計(jì)荷載之間存在較大出入；(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)主梁兩端的支承情況應(yīng)采用簡(jiǎn)支梁的計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，而原設(shè)計(jì)人員是按兩端固定的計(jì)算模型進(jìn)行處理的，因此導(dǎo)致了截面抗彎鋼筋配置不夠。

    考慮到結(jié)構(gòu)中發(fā)生破壞的主梁與樓板均采用預(yù)制，并且梁兩個(gè)端部與柱上端均采用焊接的連接方式(如圖l所示)，根據(jù)工程的實(shí)際情況將該主梁簡(jiǎn)化為矩形截面簡(jiǎn)支梁來(lái)進(jìn)行計(jì)算和分析(如圖2所示)。

 

4.結(jié)構(gòu)加固方案選擇與加固過(guò)程

    4.1加固方案的選擇

    常見(jiàn)加固方案有以下幾種：增加截面尺寸，外包鋼處理，碳纖維加固等。上述各種加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1  結(jié)構(gòu)加固方塞及其優(yōu)缺點(diǎn)

方法	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	適用范圍
加大截面尺寸	成本低，施工簡(jiǎn)單	占用空間，施工周期長(zhǎng)，濕作業(yè)多	對(duì)時(shí)間要求不高，要求控制成本的工程
外包鋼處理	施工快速，無(wú)濕作業(yè)，基本不占用使用空間	施工難度大，對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高	無(wú)腐蝕性氣體的環(huán)境
碳纖維布加固	施工方便，周期短，不占用使用空間	成本較高	一般均可

    在確定加固方案前，廠方提出該生產(chǎn)車間正在按照訂單進(jìn)行生產(chǎn)，不能長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)，同時(shí)考慮到廠房?jī)?nèi)部空間有限，所以不宜使用施工周期較長(zhǎng)的加大截面尺寸的方法，廠房中存在易燃材料，所以也不宜使用焊接設(shè)備。綜合以上三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用碳纖維布對(duì)受損的梁進(jìn)行加固。

    4.2加固過(guò)程

    加固材料采用北京金草田公司生產(chǎn)的碳纖維布，具體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2碳纖維布的參數(shù)

產(chǎn)品 編號(hào)	單位面積重量 (g／m²)	抗拉強(qiáng)度 (MPa)	彈性模量 (N／mm²)	厚度 (mm)
1	300	34(00	2.3×105	0.167
2	200	3400	2.3×105	0.111

    其中1號(hào)碳纖維布用于抗彎，其作用相當(dāng)于鋼筋混凝土中的縱向鋼筋；2號(hào)碳纖維布用于對(duì)l號(hào)碳纖維布的約束同時(shí)兼起一定的抗剪作用，其作用相當(dāng)于鋼筋混凝土中的箍筋，以保證結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下剪切破壞不會(huì)在彎曲破壞之前發(fā)生。(采用上述圖2計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算過(guò)程略)

    結(jié)構(gòu)粘碳纖維布加固一般有以下幾個(gè)步驟：清理粘接面→打磨表面→打底膠→找平膠→浸潤(rùn)碳纖維布并粘結(jié)。輥筒壓出粘結(jié)層中的氣泡→養(yǎng)護(hù)。

    加固過(guò)程嚴(yán)格按照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行操作[6]經(jīng)過(guò)加固后的混凝土梁見(jiàn)圖3。

 

    4.3加固后的質(zhì)量檢驗(yàn)

    在加固完成使用了一段時(shí)間后，對(duì)主梁的使用情況進(jìn)行了回訪檢查，未發(fā)現(xiàn)構(gòu)件表面重新出現(xiàn)裂縫，證明了本次加固方案是完全能夠滿足主梁的使用功能的。

5.結(jié)論

    通過(guò)本次案例可以看出，利用碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固是一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法。它具有由于施工工藝簡(jiǎn)單，施工周期短，耐腐蝕，抗疲勞性能好，可以適合被加固結(jié)構(gòu)的各種形狀，強(qiáng)度高，不增加結(jié)構(gòu)自重，不占用使用空問(wèn)等許多優(yōu)點(diǎn)，是一種可以在結(jié)構(gòu)加固和既有建筑的改造中大力推廣的新型技術(shù)。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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