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预应力混凝土空心板加固工程实例分析

预应力混凝土空心板加固工程实例分析

李世宏        孙永新
江苏省建筑科学研究院有限公司 南京 210008
[摘要]:采用在板面叠合钢筋混凝土层结合板底粘贴碳纤维布方法加固预应力混凝土空心板,根据现行规范对这种加固方法进行分析讨论。
[关键词]:预应力混凝土空心板 碳纤维布 叠合混凝土 加固
Application of CFRP and Laminated Concrete in Strengthening of Prestressed Concrete Hollow Slab
Li Shihong                             Sun Yongxin
Southeast University, Nanjing,210093  JiangSu Institute of Building Science, Nanjing,210008
ABSTRACT:CFRP bonded to the tensile face of prestressed concrete hollow slab and a layer of concrete laminated on the slab is an efficient strengthening method. according to the present code, design recommendations are given. Application of this method in a practical case and a site-based test are also introduced.
KEYWORDS:Prestressed concrete hollow slab  Strengthening  CFRP  Laminated concrete
1 工程概况
某办公楼为6层框架结构,2003年该楼被江苏省农村信用合作社购买,计划改造为全省的信息中心。原楼板采用苏G9201图集YKB40-63型预应力混凝土空心板,活荷载设计值为3.0kN/m2,改造后,该楼三层为设备层,活荷载标准值达到5.0kN/m2,原三层楼板必须采取加固措施后方可使用。
2 加固方案选择
根据该楼实际情况,对楼板加固可以采用以下几种方案:
(1)拆除预制空心板,在原框架梁上采用植筋方法重新浇筑现浇楼板,并对梁、柱采取相应加固措施。
(2)不拆除预制空心板,沿预制板的排列方向搁置钢梁,钢梁与原框架梁用化学锚栓连接,在钢梁上焊接钢板并浇筑钢筋混凝土形成钢-混凝土组合结构,原预制板不承担荷载,新增楼板荷载由新增钢梁传给框架结构。
(3)在原预应力混凝土空心板底粘贴碳纤维布进行加固,再在原预制空心板上铺设一层钢筋混凝土叠合层,叠合钢筋混凝土时板底不加支撑。
上述方案中方案1需在楼层内拆除楼板,因此不能使用大型起重设备只能人工拆除具有一定的危险性,拆除的楼板外运也不方便;采用混凝土湿作业,施工比较复杂,工期长;现浇楼板模板支撑经计算不宜直接支撑在二层的混凝土空心板上,需从底层开始做两层支撑,但底层为信用社营业点还在正常营业不可能作支撑。
方案2可以实施但造价较高,原楼板未拆除荷载增加较多,原楼板闲置造成一定的浪费,楼板上新增结构层使层高降低对使用功能造成影响。
方案3施工方便,原楼板可以利用,造价最低,施工方便,工期很短。
综合比较,显然方案3是最佳方案,决定采用方案3对楼板加固。
3 加固设计
3.1 设计思路
本工程设计思路为:首先在板底粘贴碳纤维布加固补足板底不足钢筋,然后在原预应力混凝土空心板上叠合钢筋混凝土,使原楼板成为施工阶段不加支撑的预应力混凝土空心板叠合板,通过加固使构件满足承载力及正常使用要求。
3.2 叠合层厚度
   叠合钢筋混凝土层目的是提高楼板刚度和承载力,叠合层厚度选取主要应考虑以下因素:
(1)现行规范的有关规定及承载力要求。规范[2]第10.6.1条不建议采用h1/h<0.4的二阶段受力叠合构件,根据这一规定此处楼板叠合后高度h不宜大于300mm;为保证浇筑质量叠合层厚度也不宜太小,一般应不小于40mm。
(2)正常使用要求。原预应力混凝土空心板为一般不要求出现裂缝的构件,加固后的构件也应满足这一要求,叠合层厚度选取时需考虑正截面抗裂要求,根据规范[2]第10.6.6条进行验算。
笔者根据上述要求对YKB40-63型预应力空心板(参数见表达3-1)采用40mm-100mm不同叠合层厚度,假定板底未进行碳纤维布加固,按叠合后仍为简支板的情况进行计算分析,计算结果见表3-2。
表3-1
型号
板长(mm)
板宽(mm)
板厚(mm)
配筋
自重标准值(kN/m)
YKB40-63
3940
590
120
14Φb5
1.1
注:Φb5强度标准值600N/mm2,标准强度设计值400 N/mm2,钢丝张拉力为8.25kN,混凝土强度等级C30。
表3-2
叠合后板厚h(mm)
叠合层厚度(mm)
叠合层自重(kN/m)
M1G+M2G
(kN·m)
M
(kN·m)
q1
(kN/m)
q2
(kN/m)
220
100
1.5
7.81
20.4
4.83
2.03
200
80
1.2
7.14
18.2
4.25
2.47
180
60
0.9
6.47
16.3
3.77
2.58
160
40
0.6
5.80
14.2
3.23
2.04
注:1.预应力混凝土空心板自重取1.1 kN/m,面层、吊顶、灌缝合计0.9 kN/m,板计算跨度L=3940-80=3860mm。括号内为YKB40-62型板相应指标。
M—叠合后正截面受弯承载力;
q1—叠合后板可以承受的最大活荷载标准值;
q2—叠合后满足正截面抗裂要求板可以承受的最大活荷载标准值;
从表3-2可以看出叠合层厚度越大,承载力提高越多,但正截面抗裂性能并不是叠合层厚度越大越好,而是在叠合层厚度为60mm时最好。若仅考虑承载力因素,在板面叠合40 mm以上混凝土层,板底不需采取加固措施就能承受5.0kN/m2(3.0kN/m)的活荷载。笔者认为预应力混凝土空心板为一般要求不出现裂缝的构件,因此加固后的叠合构件也应达到同样标准,即构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值。按正常使用极限状态设计,取叠合层厚度为60 mm最佳。
3.3 碳纤维布加固量
表3-2表明叠合层厚度为60mm时板最大可以承受2.58 kN/m(4.3 kN/m2)的活荷载而不开裂,本次加固三层楼板活荷载标准值达到3.0 kN/m (5.0kN/m2) ,除采取叠合混凝土层措施外,还需通过板底粘贴碳纤维布加固进一步提高板的开裂荷载。碳纤维布粘贴在板底时,预应力混凝土空心板板底混凝土受压,至板底即将开裂时混凝土受拉(受拉混凝土的应变达到极限应变 ,混凝土的受拉变形模量降至弹性模量的一半[5]),混凝土从受压状态转变为受拉状态时混凝土的应变增量可以求出,板底即将开裂时的碳纤维布的应力、应变可以根据混凝土应变增量计算得到,取碳纤维布拉力对混凝土受压区合力点的力距,即可确定粘贴碳纤维布加固能够提高的抗裂荷载。具体计算过程如下:
      式中  —板底混凝土从受压状态到即将开裂时的混凝土应变增量;
—扣除预应力损失后,混凝土的预压应力;
—受拉混凝土极限应变;
—碳纤维布拉应变;
—粘贴碳纤维布增加的抗裂弯矩;
—混凝土受压区高度;
—碳纤维布截面积。
经计算得Acf=69.7mm 2,采用300g/mm2碳纤维布,名义厚度0.167 mm,碳纤维布宽度为418 mm。实际施工时取2条250mm宽碳纤维布在板底净距50mm粘贴。
4 结束语
加固施工按铲除原楼面装饰层及面层至预制空心板结构表面并凿毛板面—铲除板底粉刷层并清理板底面进行碳纤维布粘贴—楼面铺设钢筋—浇筑混凝土步骤实施,全部施工工期为20天。为检验加固效果,施工结束后抽一组并列的3块板按活荷载标准值为5.0kN/m2做荷载试验,试验测得板跨中平均挠度为1.32 mm,试验中板未出现裂缝。
通过对该加固工程实例分析可以看出:
1.通过在板面叠合钢筋混凝土层可以较大提高预应力混凝土空心板承载能力;
2.预应力混凝土空心板为一般要求不出现裂缝的构件,加固后的板也应满足这一要求;
3.本工程中的预制空心板叠合钢筋混凝土层后是预应力混凝土空心板叠合连续板,计算按简支考虑偏于安全;
4.碳纤维布强度发挥和其应变量有关,本例中碳纤维布应变不大强度未能充分发挥因此用量较大,若能够对碳纤维布施加预应力则可以大大减少用量。
 
 
 
 

参考文献:

[1] 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146:2003
[2] 《混凝土结构设计规范》  GB50010-2002
[3]  周旺华《现代混凝土叠合结构》中国建筑工业出版社
[4] 《120预应力混凝土空心板图集》苏G9201
[5]  丁大钧《混凝土结构学》中国铁道出版社
 
 
 
第一作者简介:
李世宏,男,1972年3月出生,安徽马鞍山人,江苏省建筑科学研究院结构所高级工程师,东南大学在职博士研究生,210008,电话:(025)83278538
 

发布时间:[2010-07-29]
     
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