碳纤维布在砌体结构墙体加固中的应用研究

吕志明 高兴胜

据统计,目前我国已建现有建筑中绝大多数为砖混结构形式的建筑,现存珍贵文物保护建筑或构筑物大多数是砌体结构。随着我国经济的不断发展,结构的设计标准、抗震标准也在不断提高,许多已有建筑已不适应现行的安全标准。历次震害表明,许多无筋砖房遭到了严重破坏甚至倒塌,损伤惨重。甚至一些新建筑也存在安全隐患,但实际情况并不允许将其全部推倒重建,而只能采取适当的措施,对其进行补强与加固处理,使这些建筑仍能满足人们对建筑安全性、适用性和耐久性的要求。同时,由于我国多数地区都处于地震区,因此在新建建筑不断增加的同时,对现有建筑的维护和补强加固也引起了工程界的广泛重视[1]。

1 常见的砌体破坏形式

1.1 多层砖房墙体的破坏主要是剪切破坏

在水平地震力作用下,砌体结构中的墙体往往产生斜裂缝或交叉斜裂缝,从而造成结构的破坏,产生这种裂缝的原因是墙体的抗剪强度不足。从调查的资料来看,裂缝形式呈斜向或交叉的“X”形裂缝,当墙体的高宽比比较小时,墙体中段出现水平开裂,见图1。

1.2 砌体结构的修复或加固[1]

砌体结构在下列情况下进行修复或加固:1)由于地基不均匀沉降墙体产生裂缝;2)由于屋面热胀冷缩,墙体产生温度裂缝;3)砌体墙、柱局部承载力不足;4)由于房屋改建加层而使原砌体房屋承载力不足;5)在地震设防区经抗震鉴定,房屋抗震验算或房屋抗震构造措施不满足要求;6)地震发生房屋受损。

2 墙体加固

目前,工程上对墙体抗震加固的方法主要有:1)内设构造柱与圈梁抗震加固方法;2)外加构造柱与钢拉杆抗震加固方法;3)墙体内配筋抗震加固方法;4)预应力砖墙抗震加固方法;5)外贴面层抗震加固方法;6)无粘结外包型钢加固法;7)灌浆法和喷射修补法。

3 碳纤维布加固技术

碳纤维布(Carbon Fiber Sheet,简称CFS)结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面,使两者共同工作,提高构件承载能力,由此达到对建筑物进行加固补强的目的。碳纤维布加固技术是纤维增强塑料应用技术中一种使用较普遍、性能较好的结构外部加固新技术。

粘贴纤维材料加固技术的主要特点有[2]:

1)高强高效。纤维材料物理力学性能优异,在加固修补结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高结构的承载力,改善其受力性能,达到高强高效的目的。2)施工工序简单。可用小型电动工具操作,可在传统技术无法施工的有限作业空间内施工。工期短,更能在持续交通的情况下操作。从而大大缩短工程停工、停运的时间。3)根据受力分析可以进行多层粘贴,其方向也可以灵活掌握,可裁剪,易于操作。4)耐腐蚀性能及耐久性能好。纤维材料多具有优异的化学稳定性,使经过补强和维修的结构具有抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力。具有足够的适应气温变化的能力。易于外加防火涂层后以有效防火。可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力,延长结构寿命。5)耐疲劳性能好。6)适用面广。纤维材料加固修补结构可以广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补,而且不改变结构形状及不影响结构的外观。尤其对一些大型土木工程等,采用传统的加固手段几乎无法实现,而采用纤维材料加固技术都能很好地解决。7)纤维材料质轻而薄。几乎不增加结构自重和截面尺寸,对原结构几乎不会造成新的损伤,施工质量能够保证。由于纤维材料是柔性的,即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100%有效粘贴率。加固后的协调性较好,能够与基材紧密连接。

4 加固的程序

4.1 建筑物加固的工作程序

可靠性鉴定→加固方案选择→加固设计→施工组织设计→施工→验收。

4.2 碳纤维布的粘贴施工[3]

1)制作准备。首先在砖墙表面将需要粘结碳纤维布的区域用墨线标示出来,准备好施工用的碳纤维布、配套树脂、机具等。2)表面处理。清除砖墙表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等的砖块,接着采用角磨机将要粘贴碳纤维布的砖墙表面打磨平整,除去表层浮浆、灰尘等杂质,直至完全露出砖结构新面,再用压缩空气将砖墙表面吹干净。在粘结碳纤维布前用丙酮将砖墙表面清洗一遍,并使其干燥。3)涂刷底层树脂。按产品商提供的工艺规定进行配制底层树脂,将称量好的主剂和固化剂进行充分混合,采用软毛刷将配制好的底层树脂墨线标示的加固区域涂刷一道,使底胶充分渗透到砖墙和砂浆表面。4)找平处理。按产品生产商提供的工艺规定进行配制找平树脂,将称量好的主剂和固化剂进行充分混合,采用油灰刀将配制好的找平树脂涂抹于砖墙和砂浆的凹处,将凹面修补平整。找平树脂表面脂干后,尽快进行下一道工序。5)粘贴碳纤维布。按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。按产品生产商提供的工艺规定进行配制浸渍树脂,将称量好的主剂和固化剂进行充分混合,采用软毛刷将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于墨线标示的加固区域。将碳纤维布用手轻压粘贴于粘贴位置,采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压,排气,使浸渍树脂充分浸透碳纤维布,滚压时不得损伤碳纤维布。宜在碳纤维布表面的浸渍树脂干后尽快进行下一层碳纤维布粘贴。6)表面防护及养护。碳纤维布粘贴完成后采用塑料薄膜将试件覆盖,待粘结剂完全固化。

墙体高宽比的不同使得碳纤维布内的应力分布也不同,纤维布的加固效果也有所不同,当高宽比小于0.5时,不适宜用“X”的贴布方案,而应选用“∧”贴布方案。碳纤维布的角部由于应力集中,应力相对较大,所以端部必须锚固。

4.3 施工注意事项

1)分段粘贴碳纤维布时,在接头处做好搭接标志,确保每段碳纤维布之间的搭接长度大于150 mm。2)施工时温度应在5℃以上并避免明火。3)做好碳纤维布的锚固工作。

5 结语

研究表明,碳纤维布用于增强砖砌体抗震能力的加固方法是非常有效的。碳纤维布加固砖墙后的抗剪承载力等于相同条件下未加固墙体的抗剪承载力与加固后碳纤维布所承担的抗剪承载力之和。碳纤维布加固墙体的开裂荷载(极限荷载)较未加固墙体明显提高。变形能力也明显改善,加固后墙体的开裂位移显著增加。开裂荷载可提高28.6%～50.0%,开裂位移可以提高134.5%～440.7%。碳纤维布加固墙体,无须贴多层布或者使用高强碳纤维布。碳纤维布用于加固砖墙时,布的幅宽越大,其加固作用也越明显。碳纤维布通过桁架模型中的受力拉杆机制改善墙体内的受力状态,从而提高构件的抗剪承载力;另一方面通过限制墙体裂缝开展,也提高了构件的抗裂能力。

[1]吕西林.建筑结构加固设计[M].北京:科学出版社,2001.

[2]周德源,张 晖,施卫星,等.建筑结构抗震技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3]张祥顺,谷 倩,管克捡,等.碳纤维布加固砌体结构试验研究[J].武汉理工大学学报,2002(11):25-26.