鋼筋混凝土梁的碳纖維加固研究

張晉榮

(上海真誠建設監理有限公司  上海  201600)

    在鋼筋混凝土結構使用過程中，由于先天的設計不當，或施工程序不合理，或沉降不均及使用不當等各種原因，經常會造成鋼筋混凝土主體構件開裂。現階段對混凝土構件的裂縫可以采取多種方法進行補強加固，其中碳纖維布加固技術是新近發展起來的一種結構加固方法。目前，使用碳纖維布對鋼筋混凝土結構進行加固在國外已有很多成功的例子。國內清華大學、華南理工大學的一些學者也都對此進行了很多研究。筆者就所監理的某廠房主梁加固過程，對構件的破壞原因進行分析以及加固方案的計算，并介紹結構破壞原因分析的全過程以及加固方案的選擇和碳纖維加固鋼筋混凝土梁的計算方法。

1.工程概況

    某兩層輕型工業廠房，底層采用梁柱結構，主梁跨度為9m，梁間距為6m；上層為磚混結構。主梁采用預制鋼筋混凝土梁，頂端通過預埋件與柱側預埋鋼板進行焊接。樓板采用預制鋼筋混凝土樓板。在使用幾年以后發現其中有兩根大梁表面在靠近梁兩個端部處均產生了貫通性斜向(八字)裂縫。裂縫最大寬度5mm，長度從20mm～ 200mm不等。由于該廠房是現在的使用方購買的二手房，與原先的設計單位和施工單位均無聯系，因此委托筆者所  在的監理單位進行全程處理加固。

2.破壞分析

    2.1破壞形式的判斷

    從表面看，結構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對分析判斷產生不利的影響，決定在鑿除構件表面抹灰層后進行進一步的檢測和分析。

    當螢除構件表面抹灰層后，原表面八字裂紋處未發現梁端部混凝土開裂，但在梁跨中部位發現了多條細微裂縫，方向與梁軸線垂直，間距均勻，在10～30cm之間，裂縫長度約為梁高的1／3—1／2不等。根據構件的裂縫情況進行分析，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件破壞的可能性：

    2.2破壞原因的分析

    由于原結構施工圖缺失，給進一步確定結構破壞的原因帶來了一定的困難。經現場調查取證，得知在主梁的施工過程中存在違規操作，現場作業工人在主梁的混凝土未達到規范規定養護時間、混凝土強度尚未達到設計強度的100％時就開始進行了吊裝施工。根據梁的破壞情況和產生了較大的撓度來看，混凝土強度不足可能是產生破壞的原因之一。經現場仔細勘查發現，二層有一道磚砌體墻直接砌筑在鋼筋混凝土樓板上，而原結構設計中不存在此荷載。由于人為增加了結構荷載，造成結構實際受力與設計荷載不一致。

    經過對混凝土進行碳化檢測，未發現存在異常情況。考慮到混凝土強度可能是破壞的一個因素，采用超聲波和回彈聯合對混凝土進行強度檢測，按照規范規定的方法推定混凝土的立方體抗壓強度等級達到了原設計C25的要求。

    根據現場調查結果和實驗數據分析，認定結構破壞的原因主要有如下兩點：(1)人為改變結構用途，導致實際荷載與設計荷載之間存在較大出入；(2)根據現場主梁兩端的支承情況應采用簡支梁的計算模型進行設計，而原設計人員是按兩端固定的計算模型進行處理的，因此導致了截面抗彎鋼筋配置不夠。

    考慮到結構中發生破壞的主梁與樓板均采用預制，并且梁兩個端部與柱上端均采用焊接的連接方式(如圖l所示)，根據工程的實際情況將該主梁簡化為矩形截面簡支梁來進行計算和分析(如圖2所示)。

4.結構加固方案選擇與加固過程

    4.1加固方案的選擇

    常見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缺點如表1所示。

表1  結構加固方塞及其優缺點

    在確定加固方案前，廠方提出該生產車間正在按照訂單進行生產，不能長時間停產，同時考慮到廠房內部空間有限，所以不宜使用施工周期較長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備。綜合以上三種方法的優缺點，決定采用碳纖維布對受損的梁進行加固。

    4.2加固過程

    加固材料采用北京金草田公司生產的碳纖維布，具體力學參數如表2所示。

表2碳纖維布的參數

    其中1號碳纖維布用于抗彎，其作用相當于鋼筋混凝土中的縱向鋼筋；2號碳纖維布用于對l號碳纖維布的約束同時兼起一定的抗剪作用，其作用相當于鋼筋混凝土中的箍筋，以保證結構在偶然荷載作用下剪切破壞不會在彎曲破壞之前發生。(采用上述圖2計算簡圖進行驗算，計算過程略)

    結構粘碳纖維布加固一般有以下幾個步驟：清理粘接面→打磨表面→打底膠→找平膠→浸潤碳纖維布并粘結。輥筒壓出粘結層中的氣泡→養護。

    加固過程嚴格按照國家現行規范《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》進行操作[6]經過加固后的混凝土梁見圖3。

    4.3加固后的質量檢驗

    在加固完成使用了一段時間后，對主梁的使用情況進行了回訪檢查，未發現構件表面重新出現裂縫，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.結論

    通過本次案例可以看出，利用碳纖維布進行結構加固是一種新型的結構加固方法。它具有由于施工工藝簡單，施工周期短，耐腐蝕，抗疲勞性能好，可以適合被加固結構的各種形狀，強度高，不增加結構自重，不占用使用空問等許多優點，是一種可以在結構加固和既有建筑的改造中大力推廣的新型技術。

參考文獻：

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[6]CECS l46：2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[S]．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)