碳纖維在某通信機(jī)房加固中的應(yīng)用論文

　　摘要：碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡稱CFRP）是一種新興的高強(qiáng)材料，最早應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。近年來在土木工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法，碳纖維加固技術(shù)是一種新型高效的加固修復(fù)技術(shù)，它具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維加固技術(shù)是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及改善受力性能的目的。此項(xiàng)技術(shù)在美國、日本等發(fā)達(dá)國家已成熟運(yùn)用，在20世紀(jì)90年代后期國內(nèi)才開始碳纖維加固技術(shù)的研究與應(yīng)用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統(tǒng)的理論。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維 加固

　　1、工程概況

　　隨著通信事業(yè)的迅速發(fā)展，各地通信公司相繼增設(shè)了一批通信機(jī)房。因通信設(shè)備荷載較大，一般民用建筑達(dá)不到使用要求。為確保使用安全，需對原建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)加固等工作。某通信公司傳輸機(jī)房位于一辦公樓三層樓面上，機(jī)房使用活載（6.0KN/m2）超過原辦公樓使用活載2.5 KN/m2。原樓面結(jié)構(gòu)為主次梁現(xiàn)澆板體系（混凝土強(qiáng)度等級C40，板受力筋為Ⅰ級鋼筋，梁受力筋為Ⅱ級鋼筋）。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算表明，樓板無需加固，而主次梁正截面需進(jìn)行加固。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較，并征得業(yè)主的.同意，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。

　　2、材料特性

　�、疟竟こ淌褂昧巳毡具M(jìn)口的碳纖維布（ST200），其主要性能指標(biāo)見表1。

　　表1 碳纖維布主要性能指標(biāo)

　　型號

　　單位面積質(zhì)量

　　（g·cm-2）

　　設(shè)計(jì)厚度

　　mm

　　設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度

　　fcf / MPa

　　彈性模量

　　Ecf / MPa

　　ST200

　　200

　　0.111

　　3400

　　2.3×105

　�、普迟N用樹脂采用國產(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見表2

　　表2 JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠主要性能指標(biāo)

　　種類

　　拉伸強(qiáng)度

　　MPa

　　壓縮強(qiáng)度

　　MPa

　　剪切強(qiáng)度

　　MPa

　　適用溫度

　　℃

　　可使用時間

　　min

　　基底樹脂

　�。↗GN-E）

　　-

　　-

　　-

　　0～38

　　15～30

　　修補(bǔ)樹脂

　�。↗GN-F）

　　＞28

　�。�50

　�。�18

　　0～38

　　＞40

　　粘結(jié)樹脂

　�。↗GN-D）

　�。�28

　�。�50

　　＞18

　　0～38

　�。�60

　　3、加固設(shè)計(jì)

　　3.1基本假定

　　用碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計(jì)算與普通混凝土梁有所不同，其基本假定為：（1）受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)；（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；（3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf。因本工程建成后未經(jīng)裝修使用，加固設(shè)計(jì)時忽略碳纖維二次受力的影響。

　　3.2設(shè)計(jì)方法

　　3.2.1實(shí)用公式

　　根據(jù)極限狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，由平衡條件可得：

　　當(dāng)≥2a’時，

　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (1)

　　Mu≤ σcfAcf (h-/2)+ fyAs (h0-/2)- fy’As’ (/2-as’)

　　當(dāng)<2a’時，

　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (2)

　　Mu≤ σcfAcf (h- as’)+ fyAs (h0- as’)

　　3.2.2規(guī)程公式

　　根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，當(dāng)混凝土受壓區(qū)高度x≤cfbh時，其極限彎矩：

　　Mu≤fyAs (h0- 0.5gcfbh)+Ecf[εcf ]·Acf（1-0.5cfb） (3)

　　其中，界限相對受壓區(qū)高度：

　　cfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）

　　3.3次梁加固設(shè)計(jì)

　　次梁截面：b×h=400mm×500mm，As =As’=1018mm2

　　截面彎矩：Mu=242Kn·m

　　3.3.1按實(shí)用公式計(jì)算

　　首先估算混凝土受壓區(qū)高度≈12mm<2as’

　　根據(jù)公式(2),解得:

　　Acf=53.1mm2

　　3.3.2按規(guī)程公式計(jì)算

　　界限相對高度：

　　cfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985

　　≈12mm<cfbh=89.3mm

　　根據(jù)公式（3），解得：

　　Acf=51.7mm2

　　3.3.3設(shè)計(jì)結(jié)論

　　兩種計(jì)算結(jié)果相比較，其誤差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程設(shè)計(jì)誤差許可范圍之內(nèi)。

　　采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布兩層（Acf=66.6mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

　　3.4主梁加固設(shè)計(jì)

　　主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2 ，As’=1960mm2

　　極限彎矩: Mu=450Kn·m

　　3.4.1按實(shí)用公計(jì)算

　　首先估算混凝土受壓區(qū)高度: ≈29.5mm<2as’

　　根據(jù)公式(2),解得:

　　Acf=112.1mm2

　　3.4.2按規(guī)程公式計(jì)算

　　界限相對受壓區(qū)高度:

　　cfb=0.1985

　　≈29.5mm<cfbh=89.3mm

　　根據(jù)公式(3),解得: Acf=109.3mm2

　　3.4.3設(shè)計(jì)結(jié)論

　　兩種計(jì)算結(jié)果相比較,其誤差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程設(shè)計(jì)誤差許可范圍之內(nèi)。

　　采取在梁底粘貼400mm寬碳纖維布3層（Acf=133.2mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

　　3.5構(gòu)造做法

　　為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側(cè)粘貼100mm寬U型箍3道,在主次梁相交處每側(cè)粘貼100mm寬U型箍兩道。

　　1－柱邊3個U型箍，寬100mm，間距100mm；2－次梁每側(cè)2個U型箍，寬100mm，間距100mm；3－碳纖維3層

　　4、加固施工

　　4.1施工準(zhǔn)備

　　粘貼碳纖維加固工藝,施工質(zhì)量至關(guān)重要,直接關(guān)系到加固效果的好壞。為確保工程質(zhì)量，工程開工前對每個施工環(huán)節(jié)、環(huán)境因素、人員素質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致周密的考慮，對施工現(xiàn)場進(jìn)行了清理。

　　4.2施工步驟

　�、徘宄�加固梁底及U型箍處吊筋等障礙物。

　�、朴蒙拜啓C(jī)將粘貼部位打磨平整，U型箍轉(zhuǎn)角處打磨成R≥20mm的圓弧狀，用吹風(fēng)機(jī)清除浮塵并刷丙酮去脂。

　　⑶涂刷基底樹脂（JGN-E）使其滲透至混凝土內(nèi)部，以提高混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)力。

　�、扔谜�平材料補(bǔ)樹脂（JGN-F）修復(fù)，填補(bǔ)不平整部位。

　�、赏克⒄辰Y(jié)樹脂（JGN-D），隨即開始粘貼碳纖維布，多層粘貼時重復(fù)步驟（5）。

　�、收迟N完最后一層碳纖維布后再涂刷一道粘結(jié)樹脂（JGN-D）。

　　4.3施工要點(diǎn)

　　因?yàn)橥ㄑ腹�司傳輸房屬城市生命線工程中的重點(diǎn)部位，加之本工程加固工作量大，在施工中特別注意以下幾點(diǎn)：

　�、呕炷�土與碳纖維布之間界面處理和好壞直接影響到混凝土梁的加固效果。因此梁底面及U型箍處必須反復(fù)打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷處用修補(bǔ)膠找平。

　�、普迟N碳纖維布時必須兩人密切配合，一人拉緊碳纖維布，一人用刮板從一側(cè)邊刮邊貼，保證不留氣泡，粘貼緊密。實(shí)踐證明，刮板粘貼碳纖維布效果很好，碳纖維布空鼓率基本為零。

　�、亲⒁獯罱訁^(qū)粘貼，做好標(biāo)記，保證搭接長度≥150mm。

　　經(jīng)現(xiàn)場錘測及邵氏硬度計(jì)測試，施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，取得了良好的加固效果。

　　5、結(jié)語

　　工程實(shí)踐證明，CFRP加固技術(shù)對于混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，該技術(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達(dá)到了業(yè)主的要求，其綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會效益良好，具有較大的推廣使用價值。

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