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预应力碳纤维布加固砼梁施工技术

预应力碳纤维布加固砼梁施工技术

李世宏
江苏省建筑科学研究院有限公司, 江苏 南京 210008
[摘要]:研制了对碳纤维布施加预应力的锚具及施工机具,通过试验研究、工程实际应用形成了施工方法、工艺。试验表明用预应力碳纤维布加固梁,充分利用了碳纤维布强度,改善了梁的结构性能,加固效果显著提高。
[关键词]:预应力碳纤维布;加固;设备;施工工艺

1  前言

碳纤维布是一种科技含量较高的轻质、高强材料,目前在国内建筑行业的结构加固修复领域得到了广泛应用。用碳纤维布加固,具有几乎不增加结构重量、耐腐蚀、比强度高、施工快速简便等优点,应用方法目前主要是在结构外部粘贴。经过大量工程应用,工程技术人员发现目前的外部粘贴方法还存在一些不足之处,其中很突出的是碳纤维布实际强度利用率不高,对结构构件的裂缝、挠度的控制作用不强。这种现象本质上是碳纤维布强度很高,但弹性模量相对较低,其强度必须在发生较大变形时才能充分发挥的材料特性决定的。碳纤维布强度约为普通钢筋强度的10倍达3000Mpa以上,其弹性模量却与普通钢筋弹性模量基本相同,碳纤维布粘贴在结构构件外部与普通钢筋共同工作时,当钢筋达到设计强度时,碳纤维布大约只能发挥30%-40%的强度,若考虑二次受力影响只能发挥20%-30%的强度。若碳纤维布达到充分发挥强度的变形时,被加固构件的挠度、裂缝宽度往往已超出正常使用极限状态的限值,在实际工程中这种情况是不允许出现的。如何充分发挥碳纤维布的强度优势,进一步提高加固效果是当前迫切需要解决的问题。对碳纤维布施加预应力可以充分利用其高强度,《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》CECS146:2003(以下简称《规程》)也提到可以通过对碳纤维布施加预应力提高加固效果。对碳纤维布施加预应力比较困难,主要因素有:碳纤维布锚固特别是张拉端的锚固比较困难,没有成熟锚具;除锚具外,其他配套张拉机具、设备、需研究、开发,没有相应施工方法、工艺。
为解决上述问题,我们开展了相关技术研究。首先在试验室内制作了一批模拟施工现场状况的混凝土梁试件,用这些试件对碳纤维布施加预应力进行试验、探索,经过不断改进研制出了简单可靠且比较经济的成套设备,形成了施工工艺并在实际工程中进行了应用,取得了初步成果。现将设备情况及施工方法、工艺等作简要介绍。
2.碳纤维布的锚固
2.1 固定端锚固
对碳纤维布施加预应力首先需要解决碳纤维布在固定端及张拉端的锚固问题。因为碳纤维布是用结构胶粘贴在混凝土上并与之形成整体共同工作的,所以碳纤维布固定端锚固可以直接用结构胶将碳纤维布粘贴在混凝土构件上,待胶固化后,碳纤维布自然被锚固了。其粘贴长度及U型箍数量可根据《规程》中有关条文及相关文献确定,根据试验及计算分析,一般在不用U型条加强情况下,碳纤维布的锚固长度达到300mm就能满足要求,用U型条加强,锚固更加可靠。
2.2 张拉端锚固
碳纤维布张拉端必须采用锚具锚固,锚具应能满足以下要求:
①.能可靠固定碳纤维布,张拉时碳纤维布不发生滑移且不应损伤碳纤维布
②.张拉时锚具能使碳纤维布中纤维均匀受力,确保碳纤维布中纤维不出现逐根断裂现象。
③.锚具应能和千斤顶可靠地连接并传力。
针对上述要求,我们设计了插入式锚具,试验证明能很好的满足上述要求。锚具及碳纤维布锚固方法详见图1及相关说明。
图1:锚具及锚固方法
1.锚具 2.水平槽 3.钢条 4.碳纤维布 5.橡胶垫 6.连接螺孔 7.中心孔
各部分作用:
1.锚具:锚固碳纤维布,承受千斤顶拉力并将拉力转换成均匀的线荷载传递给碳纤维布。锚具用圆形钢棒制作,锚具直径根据拉力大小计算确定。
2.水平槽:碳纤维布及橡胶垫通过此槽进入锚具中心孔。
3.钢条:钢条支承碳纤维布与橡胶垫并与它们一起插入锚具中心孔中,受力时将碳纤维布与橡胶垫固定在中心孔中。
5.橡胶垫:包裹在碳纤维布外,起保护作用,防止碳纤维布受力时与锚具摩擦受损。
6.连接螺孔:连接张拉设备传递张拉力。
7.中心孔:容纳钢条、橡胶垫、碳纤维布。
碳纤维布的锚固方法如下:
将张拉端碳纤维布包裹在钢条3上并折返,折返搭接长度≥100mm(满足《规程》规定的搭接长度),将折返搭接段用粘贴胶浸润、固化后,在碳纤维布外包裹橡胶垫,水平插入锚具中心孔中。经过上述处理,碳纤维布就可靠的固定在锚具中了。如在包裹碳纤维布前,将一层塑料薄膜包裹在钢条上,这样涂粘贴胶时碳纤维布与钢条不粘接在一起,张拉结束后可以抽出钢条重新使用。
3施工机具
配合插入式锚具,我们开发了一套施工机具,详见图2。
图2  张拉系统
1.反力架  2.固定螺栓  3.滚动轴承 4.托杆 5.滑块 6.调节螺丝 7.对拉螺栓  8.锚具  9.万向节  10.固定螺母  11.马凳  12.千斤顶  13.拉杆  14. 张拉螺母 15.碳纤维布 16.梁
各部件作用:
    1.反力架:用钢板制作,固定于梁张拉端起支承作用,提供张拉碳纤维布的支反力。
    2.固定螺栓:将反力架固定在混凝土梁张拉端。
    3.滚动轴承:对称嵌固在两个滑块中,托杆两端伸入滚动轴承,起到固定托杆作用并保证托杆可以转动。
4.托杆:托杆支托碳纤维布,为不锈钢棒,表面加工的很光滑可以减小磨擦并避免碳纤维布伸长移动时因磨擦受损。托杆可以转动,同样起到减小磨擦作用。
5.滑块:固定滚动轴承,可以上下滑动。滑块上下滑动带动托杆上下移动,如此调节碳纤维布与梁第间距。
6.调节螺丝:通过旋转调节螺丝调整滑块上下滑动。
    7.对拉螺栓:将两片反力架连成整体,共3根,可以根据梁宽调节反力架之间距离。
8.锚具:锚固碳纤维布,将拉力均匀传递给碳纤维布,长度同碳纤维布宽度。
    9.万向节:有45度左右的万向转角,可根据受力角度变化自动微调,保证锚具锚固的碳纤维布受力均匀,避免碳纤维布因受力不均而逐丝破坏。
    10.固定螺母:碳纤维布张拉到位后,拧紧固定螺母,千斤顶在固定螺母拧紧后可以卸下,以便张拉其它碳纤维布。拉力由拉杆传给固定螺母。
    11.马凳:支承在千斤顶与反力架之间,中间空隙用于调节固定螺栓。
 12.千斤顶:套在张拉杆上,张拉碳纤维布,选用美国ENERPAC(恩派克)RCH6302型手动液压千斤顶,该千斤顶小巧、轻便、力值反映准确、稳压性能好,最大拉力30t,缸体行程110mm。
    13.拉杆:连接锚具与千斤顶。
14.张拉螺母:固定在张拉杆尾部,支撑千斤顶。
按图2安装设备后,按动千斤顶手柄,即可张拉碳纤维布,张拉结束后,拧紧固定锣母10,千斤顶和马凳即可卸下张拉下一构件。试验过程中,曾多次用200宽锚具张拉碳纤维布至4.0吨或以上的拉力,碳纤维布应变达到允许应变的90%左右,碳纤维布未出现逐丝断裂情况,这表明张拉前虽然没有用粘接材料浸渍碳纤维布,用这套设备仍可以保证碳纤维布均匀受力。试验证明该套设备可以十分方便地对碳纤维布施加有效预应力,它具有制作简单、装拆方便、重轻轻、造价低、张拉力控制准确、预应力损失小、重复利用率高等特点,非常适合现场施工应用。
4 加固施工及加固效果
4.1 加固施工
张拉碳纤维布时,施工工序如下:
梁底表面处理→梁底找平→碳纤维布下料→粘贴固定端碳纤维布→张拉端碳纤维布处理→固定端及张拉端碳纤维布固化→安装反力架等张拉设备→张拉碳纤维布→卸下千斤顶→碳纤维布表面涂粘贴胶→固化→拆除反力架→张拉端后处理
用预应力碳纤维布加固梁比用普通碳纤维布加固梁多了安装反力架、张拉碳纤维布等工作,梁表面处理找平、粘贴碳纤维布的方法、工艺两者基本相同。用预应力碳纤维布加固梁,施工应注意以下几点:
1.碳纤维布下料与普通碳纤维布下料有所不同,下料长度L应为梁底加固处需要粘贴碳纤维布的长度、张拉端锚固长度(约200mm)、必要的操作长度(约80 mm)三者之和。
2.碳纤维布张拉后呈直线,因此粘贴前梁底应严格找平,如梁底上凹,粘贴会出现脱胶现象,粘贴质量得不到可靠保证。考虑到张拉时梁会出现反拱,宜将梁底找成略微下凸的弧形。
3.在粘贴前需对碳纤维布进行预处理即按照第2节方法对固定端和张拉端处理,在两端固化期间,对中间段碳纤维布应加强保护避免碳纤维布受污染及损伤。
4. 正式张拉前先进行预张拉,预张拉力可取10%张拉控制应力。预张拉目的是使碳纤维布及反力架各部件进入受力状态,对各部件进行紧固调整。张拉端碳纤维布与梁底间隙应认真调整,通过调整调节螺丝使托杆支承的碳纤维布与梁底尽可能贴近又能自由移动,这样既可以避免粘贴时出现脱胶现象,又能保证碳纤维布受力伸长时不因与梁底摩擦而受损。所有部件调整完毕后进行正式张拉。
5.张拉过程中应对张拉有效控制,其目的是对建立准确的预应力进行确认、对张拉是否正常进行判断以便发现异常现象。施工时碳纤维布的张拉力是通过与千斤顶配套的油压表来反映的,使用前应进行标定建立准确的油表读数与张拉力之间的标定曲线。另外,在张拉过程中测读张拉伸长值也能很好的对张拉进行控制:碳纤维布是线弹性材料,其伸长值能比较准确的反映拉力的大小。张拉前应根据拉力值进行伸长值的计算。施工时千斤顶油缸缸体的伸出值即为碳纤维布,可直接测读此值。具体测读方法:测读正式张拉时的伸长值ΔL2,预张拉的伸长值ΔL1根据拉力与伸长值成正比的关系推算,两者之和为总伸长值ΔL。如预张拉初始应力为10%σcfcon,则总伸长值ΔL为10/9ΔL2
6.张拉结束后,因碳纤维布处于高应力状态,如用硬质刮板、刮刀刮涂粘贴胶,碳纤维布容易断丝,应采用柔软的毛刷沿一个方向涂刷粘贴胶避免碳纤维布断丝。
7.粘贴胶完全固化后,在梁张拉端根部剪断碳纤维布,卸下反力架,粘贴U型碳纤维布条加强锚固,梁加固结束。
8.双层或多层碳纤维布张拉宜分层进行即底层碳纤维布按上述步骤施工结束后再进行下一层的施工。
4.2 加固效果
    张拉机具研制完成后,我们作了结构性能试验,试验梁共6根,其中1、2号梁为未加固梁,3、4号梁采用普通方法粘贴一层200宽200g碳纤维布加固,5、6号梁采用预应力方法粘贴一层200宽200g碳纤维布加固,试验主要结果见下表:
试验结果                         表1
梁编号
开裂荷载(kN)
裂缝宽度(mm)
挠度(mm)
1
18.0
5.8
89.5
2
16.8
6.0
87.8
3
17.8
2.1
62.3
4
17.6
2.0
58.2
5
24.2
1.0
42.2
6
24.1
0.9
40.3
说明:梁截面200X300,跨度3000,梁底配2根HRB335级直径12mm钢筋,梁顶配2根HRB235级直径10mm钢筋,箍筋为HRB235级直径8mm钢筋,间距200。裂缝宽度和挠度均在梁达极限承载力情况下测得。
实际工程应用方面,我们在某计算机信息中心大楼改造加固工程中,选取一根梁进行了预应力碳纤维布加固。被加固梁梁高为H=400mm,梁宽为b=250mm,跨度为L=5000mm。用一层200宽,200g/ m2碳纤维布在梁底通长粘贴进行加固。张拉力取38kN为 ,实测碳纤维布伸长值为34mm,梁反拱值为0.12mm。由于梁底比较平整且因为楼板的存在反拱值较小,碳纤维布与梁底贴合比试验时情况好,梁跨中不需象试验时那样找平较厚,粘贴质量很好。
综上所述,采用预应力碳纤维布加固,大大提高了结构构件的抗裂性和刚度,碳纤维布的强度得到充分发挥,加固效果明显提高。
 
 
作者简介:
李世宏 男 1972年3月出生 江苏省建筑科学研究院结构所工程师 东南大学在职博士研究生
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

参考文献:

[1] 杨勇新等《碳纤维布与混凝土的粘结强度指标》工业建筑2003.2
[2] 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146:2003
[3] 岳清瑞《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》介绍  建筑结构 2003.6
[4] 杨宗放 方先和《现代预应力混凝土施工》中国建筑工业出版社
[5] 丁大钧《混凝土结构学》中国铁道出版社 编著
[6] 吕志涛 孟少平《现代预应力设计》中国建筑工业出版社 编著
[7] 《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》上海市工程建设规范 DG/TJ08-012-2002  J10158-2002
[9] 《用预应力碳纤维布对RC梁加固工艺研究》 建筑技术开发  2003.5   彭晖等
 

发布时间:[2010-07-29]
     
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