碳纤维材料在混凝土受弯构件加固中的应用分析.pdf

2 0 1 6年 2月 第 4 4卷 第 1期( 总第 2 4 2期) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Feb 2 0 1 6 Vo 1 4 4 No 1 ( S e r No 2 4 2 ) 碳纤维材料在混凝土受弯构件加 固中的应用分析 Ap pl i c a t i o n Ana l y s i s of Ca r bo n Fi b e r M a t e r i a l s i n t he Re i nf o r c e d Co n c r e t e Fl e x ur a l 王 帅坤 ， 孙文 海 ( 中国 电力工程 顾 问集 团 东北 电力设计 院有 限公 司， 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘 要 ： 介绍 了碳 纤维 对梁及板的加固 ， 通过对 C E C S 1 4 6 2 。 ( 】 3 碳纤 维片材加 固混凝 土结 构 中技术规程 中的公 式进 行编程计算 ， 分析 了影 响碳 纤维材料对梁板构件受 弯和受 剪承载力提 高的主要因素 ， 指出梁的高宽 比、 受拉钢 筋 配筋率及碳纤维 厚度是影响受 弯承载力的 主要 因素 ； 而受剪承 载力与影 响因素多 为线 性关系 ， 且条带 宽度与条 带净 间距 的 比值越大 ， 受剪 承载力提高的越多 。 关键 词 ： 碳纤维 ； 受弯承载力 ； 受 剪承载力 ； 加 固 Ab s t r a c t ： Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e d c a r b o n f i b e r o n t h e r e i n f o r c e m e n t o f b e a m a n d s l a b，a c c o r d i n g t o t h e me t h o d o f pr og r a mmi n g c a l c u l a t i on o f f o r mul as i n CECS 1 46 - 2 003 Te c hni c a l s pe c i f i c at i on f or s t r e ngt he ni ng c o nc r e t e s t r uc t ur e s wi t h c a r bo n f i b e r r e i nf o r c e d po l y me r l a mi na t e，a na l yz es t he i nf l ue nc e of c a r b on f i be r mat e r i al o n t he b e n d i n g b e a m s l a b s t r u c t u r e a n d t h e ma i n f a c t o r s o f s h e a r b e a r i n g c a p a c i t y i n c r e a s e P o i n t s o u t t h a t t h e b e a m a s p e c t r a t i o， s t e e l r e i n f o r c e me n t r a t i o a n d t h e t h i c k n e s s o f c a r b o n f i b e r a r e t h e ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y； An d t h e s h e a r b e a r i n g c a p a c i t y a n d i n f l u e n c i n g f a c t o r s f o r l i n e a r r e l a t i o n s h i p，a n d s t r i p wi d t h a n d s t r i p t h e ne t s pa c i ng r a t i o，t he g r e a t e r t he s he ar be a r i ng c a pa c i t y i nc r e a s e Ke y wo r d s： c a r b o n f i b e r ； f l e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y； s h e a r b e a r i n g c a p a c i t y； r e i n f o r c e me n t 中图分类号 ： TU5 9 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 6 ) O 1 0 0 3 6 0 3 随着环保要求的 日益严格 ， 电厂更换循环水泵 房中桥吊， 化学水处理室增加新装置等， 都会对原有 建 ( 构 ) 筑 物进 行加 固改 造 。混凝 土结 构 的加 固改 造 方法有很多， 其中碳纤维复合材料加 固法是现今最 重要 也是 最 常用 的加 固方法 之一 。碳 纤 维是一 种 含 碳 量在 9 5 以上 的高强度 、 高模量 的新 型纤维材 料 ， 如今 已广泛应用于各种工业及民用建筑结构的 加固项 目中。 碳纤维加固技术具有应用范围广 、 施工 简便等特点， 可 以有效对混凝土结构因设计 、 施工失 误 ， 材料质量不符合要求 ， 结构荷载增加 ， 使用功能 改变 ， 因火灾、 水灾、 风灾 、 地震等灾害遭到损伤的结 构和构件进行加 固、 改造 。 碳纤维加固法可 以对混凝土结构 中的受弯 、 受 压、 受拉构件进行加 固， 其 中对混凝土受弯构件的加 固应用最多， 可以有效地提高受弯构件 的承载力 ， 减 小挠度 ， 最高可达 4 0 。本文将应用 C E C S 1 4 6 2 0 0 3 ( ( 碳纤维片材加 固混凝土结构技术规程 中给出 的计算公式对受弯构件进行对 比计算 ， 找 出影响受 弯构件碳纤维加 固的主要因素 。 1 碳纤维对 梁的加 固 1 1 梁下 碳纤 维对 受弯承 载 力的影 响 提高梁受弯承载力的主要方法为在梁底沿着梁 轴 线粘 贴碳纤 维布 ， 碳 布 宽度多 与梁 同宽。采用 C E C S 1 4 6 2 ( ) 0 3中公 式 4 3 2 一 l至 4 3 2 - 5进 行 计算 ， 计算方法为编程计算 ， 通过计算对梁的截面尺 寸、 配筋率 、 混凝土强度 、 碳纤维属性对受弯承载力 的影 响进 行分 析 。 1 1 1 截 面 尺寸 的影 响 假设梁 的纵筋采用 HRB 4 0 0级 ， 受拉区配筋面 积为 1 5 2 0 mm ， 受压 区配筋 面积为 1 0 6 8 mm ， 混 凝土强度等级为 C 3 0 ， 梁宽为 3 0 0 r n m， 梁底贴有 2 层 0 1 6 7 mm厚的碳纤维布 ， 碳布宽度与梁宽相 同， 通过编程计算得到被加 固构件不 同梁高下受弯承载 力提高水平见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 1 l 作者简介 ： 王帅坤( 1 9 8 8 ) ， 男， 工程 师 ， 从 事火力发 电厂土建结构设计工作 。 3 6 2 0 1 6年 2月 第 4 4卷 第 1 期 ( 总第 2 4 2期 ) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Fe b2 0 1 6 Vo 1 4 4 No 1 ( S e r No 2 4 2 ) 从表 1中可 以发现： 碳纤维材料对弯矩的提高 值随梁高度的增加而增加 ， 即越高的梁弯矩提高值 越大。梁的高宽 比在 1 3 3 2 3 3时弯矩提高率较 大 ， 过高或过低的高宽 比都会使承载力提高幅度减 小 ， 说 明高宽 比适中的梁弯矩提高的幅度大。 表 1 不 同截面 尺寸加 固前后 承载力对比 1 1 2 配筋 率 的影 响 假设 梁的尺寸为 3 0 0 1 T i m7 0 0 mm， 纵筋采用 HR B 4 O O级， 受压 区配筋面积为 1 0 6 8 mm。 ， 混凝土 强度等级为 C 3 0 ， 梁底贴有 2层 0 1 6 7 mm 厚的碳 纤维布， 通过编程计算得到被加 固构件不 同受拉区 钢筋面积下受弯承载力提高水平见表 2 。 表 2 不 同受拉钢筋面 积加 固前 后承载力对比 从表 2中可 以发现 ： 原有结构受拉区钢筋配筋 率越高 ， 弯矩提高幅度越低 ， 因此该方法对受拉 区钢 筋较少 的梁提高效果明显 ， 而对于受拉区已经配有 较多钢筋的梁提高效果不 明显 ， 且容易产生类似超 筋破 坏 ， 应慎 重采 用 。 1 1 3 混凝 土强 度 的影 响 假设梁 的尺寸为 3 0 0 mm7 0 0 mm， 纵筋采用 HRB 4 0 0级， 受拉 区配筋面积为 1 5 2 0 mm ， 受压区 配筋面积为 1 0 6 8 i l l m。 ， 梁底贴有 2层 0 1 6 7 mm厚 的碳布 ， 通过编程计算得到被加固构件不同混凝土 强度下受弯承载力提高水平见表 3 。 从表 3中可 以发 现： 被加 固构件 的混凝土强度 并不影响加固后的弯矩 ， 但影响加固前的弯矩 ， 被加 固构件混凝土强度等级越低 ， 加固前 的弯矩值也越 低 ， 则相对加固效果越明显。 对于仅关注加固后弯矩 的梁， 可不考虑被加固构件的 昆 凝土强度等级 ， 但应 注意对受剪承载力和变形的影响。 表 3 不 同混凝 土强度加 固前后 承载 力对 比 1 1 4 碳纤 维属 性 的影 响 假设梁 的尺寸为 3 0 0 mm7 0 0 mm， 纵筋采用 HR B 4 0 0级， 受拉 区的配筋面积为 1 5 2 0 mm ， 受压 区配筋面积为 1 0 6 8 mm。 ， 混凝土强度等级为 C3 0 ， 通过编程计算得到被加 固构件在不 同碳纤维属性下 受弯承载力提高水平见表 4 。 表 4 不 同碳 纤维 属性加固前后 承载 力对 比 从表 4中可 以发现： 同种碳纤维类型粘贴层数 量越多 ， 单位质量纤维材料提高的弯矩越大 ； 相同层 数量较厚 ( 质量较大) 的碳纤维材料单位质量提高的 弯矩大 ， 因此在加 固时宜优先采用较厚类型的碳纤 维 材料 ， 粘贴 宜为 2 或 3 层 。 1 2 梁侧碳纤维对受剪承载力的影响 碳纤维不但可 以提高梁的受弯承载力 ， 将其贴 于梁侧还可以提高梁的斜截面受剪承载力 ， 类似于 箍筋。碳纤维的侧向粘贴方法主要有 ： 封闭粘贴、 U 型粘贴 、 侧面粘贴等 ， 其中以 U型粘贴应用最多。 采 用 C E C S l 4 6 2 O 0 3中公式 4 4 1 1至4 4 1 3 进行 计算 ， 计算方法为编程计算 ， 从公式 中可以发现除 与 以外 ， 其他因素对受剪承载力的影响都为线 性关系 ， 因此， 本文只考虑 与 对受剪承载力的 影响 。 假设梁截面尺寸为 3 0 0 mm7 0 0 mm， 剪跨 比 37 2 0 1 6年 2月 第 4 4卷 第 1期 ( 总 第 2 4 2期 ) Fe b 2 O1 6 Vo 1 4 4 No 1 ( S e r NO 2 4 2 ) 为 3 ， 受拉 区钢筋面积 1 5 2 0 mm。 ， 箍筋采用直径为 8 mm 间距 2 0 0 mm 的双肢箍； 在梁侧粘贴 1层 U 形 碳 纤维 ， 类 型为 3 0 0 g型碳 纤 维布 ， 通 过编 程计 算 得到被加固构件在粘贴不同 和 的 u形碳纤维 时受剪承载力提高水平( 见表 5 ) 。 表 5 不 同条 带 宽 度 W 和 条 带净 间距 S下 受剪 承 载 力对 比 编号 m S mm 对 表 5中编 号 1至 5的数值 对 比可 以发 现 ， 与 的比值越大， 剪力值提高得越多； 对编号 1和编 号 6的数值对 比可以发现， 虽然 与 不同， 但两 者 比值相同， 剪力的增加值也相同。 以上规律与箍筋 的规 律是 相 同 的 ， 可 见 将碳 纤 维 材 料贴 于梁 侧可 以 如箍筋一样提高梁的抗剪承载力 。 公式 中的其他项与抗剪承载力都为线性关系 ， 对抗剪承载力 的影响很容易推算 。例如将表 5中编 号 1的碳 纤维 由 1层 改为 2层 ， 则剪 力 增 加 值将 变 为原来的 2 倍 ， 即 1 9 5 8 6 k N， 而提高率也将增加到 6 2 8 。由于 GB 5 0 3 6 7 - 2 0 0 6 6 混 凝 土结 构加 固设 计规范 中对受弯构件抗剪 承载力并无 如抗弯承载 力提高值不宜高于 4 0 的限制 ， 只需满足相关构造 要求， 这说 明梁侧贴碳纤维可 以大幅提高受弯构件 的抗 剪 承载 力 。 1 3 算例 假设某工业厂房因起重需求增加 ， 准备将原有 的 2台 5 t的 桥 式 吊车 更 换 成 2台 1 0 t的桥 式 吊 车。 该厂房跨度约为 1 1 m， 柱距为 1 0 m， 经计算 2台 5 t 吊车 和 2台 1 0 t吊车作 用 在 吊车 梁 上 的最 大竖 向弯矩设计值分别为 4 5 4 7 6 k N m、 6 6 1 0 5 k N m； 最大剪力设计值分别为 2 1 0 9 2 k N、 3 1 1 0 8 k N。 原有 吊车梁为钢筋混凝土结构， 尺寸 3 0 0 mF I 1 7 5 0 mm， 下部配有 4根直径为 2 5 mm 的 HR B 4 0 0级受 拉钢筋 ， 箍筋是直径为 8 mm 间距 2 O O mm 的双肢 箍， 混凝土强度为 C 3 0 。由于更换 吊车， 该 吊车梁 已 经不能满足承载力要求 ， 现对 吊车梁进行如下加固： 在梁下贴 3 层 3 0 0 g型碳纤维布， 碳布与梁同宽 ， 其 3 8 加 固前 后 受 弯 承载 力 分别 为 4 8 2 1 4 k N m 和 6 6 6 1 3 k N m， 受剪承载力均为 3 3 5 3 7 k N。通过 在梁下贴碳纤维布的方法 ， 使 吊车梁 的受弯承载力 得到提高 ， 从而满足 了吊车更换后的受弯承载力要 求 ； 而原构件的受剪承载力可以满足更换吊车要求 ， 因此不需 对 梁 的受 剪 承载力 进行 加 固 。 2 碳纤维对板 的加 固 碳纤维材料对板的加 固计算方法与梁相 同， 其 规 律也 相 同。 a 由于板 的受剪 承 载 力一 般 能 满 足要 求 ， 因此 对板的加固通常可只考虑受弯承载力 。 b 碳纤维材料对板的受弯承载力提高 幅度 比 梁更为显著， 这是 由于受拉 区配筋率较低 ， 与 1 1 2 节所 得结论 类 似 。 c GB 5 0 3 6 7 2 0 0 6建 议 构 件 受 弯 承 载 力 提 高 幅度不宜高于 4 0 ， 是为了控制加固后构建 的裂缝 宽度和变形 ， 并强调“ 强剪弱弯” ； 由于板受力方 向跨 度 较 小 且板 的 受剪 承 载力 相 对 较 高 ， 因 此认 为 对 板 的受弯承载力提高幅度可 以适当放宽。 3 结束语 a 碳纤维材料对高宽比适中的梁的受弯承载力 提高 较大 。 b 受拉 区钢筋配筋率越高 ， 碳纤维加固对受弯 承载力提高幅度越低 。 C 被 加 固构件 的混 凝土 强度 并不 影 响加 固后 的 弯矩 ， 只影响加 固前弯矩 ， 对于仅关注加固后弯矩的 梁可 不 考虑 被 加 固构 件 的 混凝 土 强度 等级 ， 但 应 注 意对 受剪 承载 力和变 形 的影 响 。 d 在 加 固时 宜 优 先 采 用 较 厚 类 型 的碳 纤 维 材 料 ， 粘贴层 数量 为 2或 3层 。 e 梁侧贴碳纤维可以大幅提高受弯构件的抗剪 承载力 ， 且条带宽度与条带净间距的比值越大， 受剪 承载 力提 高 的越多 。 参考文献 1 3 混凝土结构加固设计规范 ： GB 5 0 3 6 7 2 0 0 6 $ 2 ( 编 辑 吴 娜 ) O 2 3 6 8 O 4 1 9 8 8 4 1 5 O 1 5 l 3 2 2 4 3 3 5 7 l O 4 5 8 2 2 5 8 8 9 O 7 2 3 9 0 9 7 4 2 O 4 3 3 4 4 4 2 2 2 2 2 2 9 9 9 9 9 9 1 1 1 1 1 1 _|_ 3 3 3 3 3 3 O 7 O O 3 O O 6 5 O 3 0 l O 0 2 1 l O O O O O O O 5 O 0 5 O 1 1 9 1 l 9 O O O O O 0 O O O O O O 1 1 1 2 2 2 1 2 3 4 5 6