碳纤维布在混凝土框架结构梁的加固应用

碳纤维布在混凝土框架结构梁的加固应用

摘要：本文结合某教学楼加固的具体工程实例，阐述了碳纤维布加固的机理及加固施工工艺，工程实践表明：通过粘连碳纤维布的加固处理，能有效的提高混凝土框架结构梁的承载力。

关键词：加固机理；碳纤维布；承载力

中图分类号：tq327.3 文献标识号：a 文章编号：2306-1499（2013）06-（页码）-页数

1.引言

钢筋混凝土结构广泛应用于建筑结构中，混凝土碳化、介质侵蚀、碱骨料反应等原因，经过长时间的使用，梁体的承载力或耐久性均会有所下降，最直接的处理方法就是拆除重建或补强加固。常用的加固方法主要包括：加大混凝土截面加固法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法以及粘贴碳纤维补强加固。采用碳纤维加固是目前比较可行的方法之一，实际上，碳纤维布增强混凝土结构在实际应用中有很多优势，比如良好的承载力、不腐蚀、防磁化、重量轻、不占用空间等。

2.碳纤维布的物理力学性能

2.1物理性能与应用

按高分子材料的种类可分为碳纤维布（cfrp）、玻璃纤维布（ gfrp）和芳纶加劲布（afrp）三种，其中以碳纤维布的应用最为广泛。碳纤维布具有较高的抗拉强度，约为普通钢材的10 倍，弹性模量与钢材处于同一数量级；自重轻，每平方米质量为3 mm 厚

钢材的1p100 ；厚度小，其厚度为1～2 mm ，是一种高效的结构加固修补材料。

2.2力学性能

碳纤维布是一种正交异性材料，通常在纤维方向具有很高的强度，而在垂直于纤维的方向强度较低。一般，将碳纤维布的主拉应力方向沿加固混凝土梁体的纵向布置，与受力钢筋方向一致，这种加固方式为单向加固。当需要双向加固时，可采用双层粘贴的方式实现。从前人的试验分析基础上得到的应力应变曲线可知，碳纤维布的应力—应变关系在断裂前基本上是一条直线，即碳纤维布在工作应力范围内基本上表现为线弹性，不存在屈服点或塑性区。

3.碳纤维布的加固机理[1、3]

3.1梁体加固机理

采用碳纤维布粘贴加固混凝土梁，一般是粘贴在梁底受拉区，以提高截面的抗弯承载力，这时碳纤维布的作用类似于梁底受拉钢筋。碳纤维布和混凝土梁通过粘结层传递剪应力和粘

结正应力，以达到共同工作的目的。然而，在碳纤维布端部处往往由于形状变化而产生应力集中，即产生较大的剪应力和粘结正应力，因此，其常见的破坏模式主要有四种：①碳纤维布达到极限强度发生断裂，由于碳纤维布断裂前处于弹性状态，断裂后立即退出工作，使梁的破坏具有一定的脆性；②受压区混凝土被压坏相当于混凝土适筋梁破坏梁体所具有的良好延性；③混凝土粘结面剪切破坏，即在碳纤维布端部应力作用下由于粘结层的剥离强度较低

导致碳纤维布剥落；④混凝土保护层剥落破坏，这是由于端部混凝土保护层被拉裂产生竖向裂缝，当裂缝延伸到纵向钢筋后，又沿钢筋产生水平向的剥离裂缝，使碳纤维布连同保护层发生剥离破坏。[1、3]

3.2粘结锚固机理[2]

纤维织物与混凝土之间的粘结力由以下几个部分组成：纤维织物与混凝土的摩擦力；纤维织物与混凝土的机械咬合力；纤维织物与混凝土的化学胶着力；纤维织物由于温度变化和吸

湿引起的膨胀及混凝土硬化收缩对纤维织物产生的压力。面粘结性能是发挥纤维织物对混凝土基体增强、增韧、阻裂能力的关键。通过前人对纤维织物增强混凝土薄板界面粘结性能试验初步研究，经过总结可以得到几点结论： 1）纤维织物与混凝土之间的粘结力与纤维的种类有关，纤维织物的弹性模量越高，纤维织物的伸长变形越小，纤维织物与混凝土之间的粘结力越大。2）应进一步研究粘结滑移模型，建立纤维织物与混凝土界面单元本构关系，深入分析纤维织物增强混凝土薄板的界面粘结性能3）碳纤维布锚固端的应力集中不但与其性能有关，还同粘结层的性能有关，降低粘结层剪切模量，可以降低端部剪应力集中。因此，应尽可能选用柔性好的材料可有效地降低剥离应力。4）粘结层的厚度不宜过大，构件同一部位碳纤维布粘结层数不宜超过3 层。5）粘结应力与锚固长度有关，锚固长度越短，局部粘结应力越大，因此，纵向抗弯加固的锚固长度应尽可能加长，有条件时建议延伸到梁体的支座边缘。

6）为保证碳纤维布粘贴面平整，粘结剂应涂刷饱满、均匀，保证碳纤维布与混凝土的整体粘结效果。

4.碳纤维布加固工程实例

4.1工程概况

某中学教学楼房屋的建筑主体部分为地上6层，混凝土强度等级均为c25，框架柱截面尺寸为400mm×600mm，框架梁尺寸多为250x500mm和400×650mm，目前，主要作为教室及办公室使用。

4.2检测结果

经检测公司检测鉴定，从一层至三层b～f轴线与10～13轴线范围内五根框架柱承载力不足，框架梁承载力不足。主要表现为：部分框架梁配筋不足或抗震构造措施不满足要求，为确保教学楼的使用安全，需对教学楼进行加固。

4.3碳纤维布加固设计

采用碳纤维布对梁进行加固，梁底粘贴宽250mm、厚度为0.117mm 的碳纤维布两层，梁两端贴6道宽loomm的u形箍，净距50mm。分别计算加固后梁的受弯承载力和受剪承载力，并与原构件进行对比，看加固后的构件是否已满足结构承载力要求。

4.4碳纤维布加固的施工方法

4.4.1基本施工工艺

施工准备→结构表面处理→底胶配制并涂刷→找平胶配制并修复、平整→粘贴胶配制并涂刷→粘贴纤维布→表面喷砂防护。

4.4.2施工措施：

1）基底处理。2）混凝土表层出现剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大的面积的劣质层在凿除后应用聚合物水泥砂浆进行修复。3）对表面有裂缝的部分如有必要应首先进行封闭灌浆处理。4）用混凝土角磨机、砂纸等工具去除混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，转角粘贴处要进行倒圆角处理（r≥25mm）。5）用吹风机将混凝土表面清理干净并保持干燥。6）涂底胶。按规定的比例将主剂与固化剂先后置于容器中搅拌均匀，根据现场气温决定用量并严格控制使用时间。用滚筒刷均匀涂沫于混凝土表面，等胶体固化后（以指触干燥为准），再进行下一步施工。施工现场严禁出现明火，注意通风。7）粘贴碳纤维布。按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。拌制粘贴树脂，然后均匀涂抹于所要粘贴的部位。粘贴碳纤维布，在确定所贴部位无误后剥去离型纸，用特制的滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘贴树脂充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，待纤维表面干燥后方可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹一层粘贴树脂。

5.结论

粘贴碳纤维布加固混凝土梁，承载力提高效果显著，同时粘贴碳纤维布施工方法简单，不占用空间，不影响建筑的使用功能，有着广泛的应用前景。在本教学楼工程中，加固后的梁通过检测公司检测鉴定，达到了承载力要求。

参考文献