碳纤维加固钢筋混凝土梁的实践

王昌远

摘要：本文就笔者在马鞍山工程施工中碳纤维加固钢筋混凝土梁的工程实践做以介绍，以便大家在今后的加固工程中进行不断提高。

关键词：碳纤维 钢筋混凝土梁 加固模型 参数选取 设计验算 施工要点

钢筋混凝土在我国各个行业的建筑工程中广泛应用，但是，在钢筋混凝土施工完成之后，要改变使用功能或者提高使用功能，都存在对钢筋混凝土结构构件的受力再进行改变，同时在钢筋混凝土构件使用多年之后，也会存在进一步对缺陷加固消缺的问题。因此，钢筋混凝土构件加固普遍存在，在我国起步较晚，是九十年代以来的开发热点，碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的受弯加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和应用最多，但在这方面工作中还存在一些问题，对加固结构的力学性能系统的理论分析和数值计算研究也很有限。而这对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的，而且以预应力钢筋混凝土桥梁、钢筋混凝土梁的加固为主。到目前为止，碳纤维片材加固混凝土结构的技术得到国际上普遍认同。

安徽开米马鞍山工程中的合成车间由于使用功能改变，在主体结构施工完成后多个钢筋混凝土梁需要进行加固，现以JL10钢筋混凝土梁为例，进行加固计算和施工控制要点进行说明。

1 加固校核的设计计算

1.1 计算模型的建立

JL10是一根跨度为7m的钢筋混凝土梁，梁截面高度h=500mm，宽度b=250mm，由于业主变更时改变室内原来使用功能，要求增加室内荷载，变更设计说明本次变更后梁的受力是正弯矩加大，且梁的构件计算弯矩设计值为M=216kN/m。因此，偏于安全考虑，不考虑楼层板翼缘和支座内力重分布的影响（如果是负弯矩状态，则必须考虑并按照《混凝土结构设计规范》要求进行计算），按照矩形梁进行计算。

1.2 加固方式的选择

由于加固可以采取增大截面加固、外粘型钢加固、复合截面加固、绕丝加固、外加预应力加固、植筋加固等方法进行，但必须根据现场施工条件、梁的受力使用环境再选取经济可行的方案。进行加固的钢筋混凝土梁使用在工业厂房内，不存在放射、腐蚀性液（气）体以及高温（≤60℃）等不利条件的影响。但是加大梁的截面将会是使用空间减少，且对设备、管道的安装会造成不便，绕丝、植筋也不便于施工，外加预应力支座在梁的两端不能实施，外面型钢和复合截面加固成为可选方案。但是外粘型钢加固的造价较高，因此选用复合截面加固法进行加固。而且以外粘碳纤维最为便于施工，且造价最为经济，所以这一方案就是首选。

1.3 计算参数的选择

参照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）、《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）中（表9.1.6）碳纤维片材的性能指标和原设计选取的设计参数，计算参数选取如下：

混凝土等级：C35，fc=16.7N/mm2，ft=1.57N/mm2

受拉纵筋种类：HRB400，fy=360N/mm2。分部3根直径22的钢筋（单层）Es=2.0×105N/mm2

受压纵筋种类：HRB400，fy=360N/mm2，分部2根直径20的钢筋（单层）

碳纤维抗拉强度设计值：ff=1600MPa

碳纤维设计拉应变εf=0.007

碳纤维弹性模量Ef=2.3×105MPa

我国采用的标准碳纤维布厚度（≤300g/m2）d=0.167mm

设计确定的混凝土梁保护层厚度为20mm，受拉纵筋为Φ22，则受拉纵筋合力点至近边距离：as=35mm（为便于计算，单层纵筋取as=35mm，双层纵筋取as=60mm）

受压纵筋合力点至近边距离：as=35mm

按照混凝土结构规范，对C35混凝土取强度系数α1=1.0（当混凝土强度等级不超过C50时，α1取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α1取为0.94）。

当处于非均匀受压时，正截面的混凝土极限压应变εcu=0.0033，碳纤维的拉应变εf=0.007。

1.4 碳纤维实际截面面积计算：

∵受拉钢筋的截面面积As=1140mm2

受压钢筋的截面面积As=628mm2

且x=2as=70mm，h0=h-as=500-35=465mm，

矩形应力图的受压区高度x可取等于按截面应变保持平面的假定所确定的中和轴高度乘以系数β1。当混凝土强度等级不超过C50时，β1取为 0.8。

纵向受拉钢筋屈服与受压区混凝土破坏同时发生时的相对界限受压区高度ξb应按下列公式计算：

ξb=β1/[1+fy/（Esεcu）]=0.8÷[1+360÷（2.0×105×0.0033）

∴ξb=0.5177 ξbh0=0.5177×465=240.73mm

由本梁属于框架梁，属于重要构件。

∴ 选择ξcfb=0.75ξb

等效矩形应力图形的混凝土受压区高度为x

则x=ξcfbh0=0.75×0.5177×465=180.55mm<ξbh0

∴按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》中的4.3.2-1使用x≥ξfbh0 条件公式进行计算，代入已知参数：

即α1fcbx（h0-0.5x）+fyAs（h-as）-fyAs（h-h0）

=1×16.7×250×70（500-0.5×70）+360×628×（500-35）-360×1140（500-465）

=226659450N.mm≈226.66KN.M≥M=216KN.M

∵为便于计算，暂不考虑加固前构件在初始弯矩作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变，故取εi=0

∴Ψf=[（0.8εcuh/x）-εcu-εi]/εf

=[（0.8×0.0033×500÷70）-0.0033-0]÷0.007

=2.22>1

∴取Ψf=1

∴设碳纤维的截面积为Af，把以上参数代入《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》4.3.2-2公式：

α1fcbx=fyAs+ΨfffAv-fyAs

即：1×16.7×250×70

=360×1140+1×1600×Af-360×628

292250=410400+1600Af-226080

∴Af=67.46mm2

∵Af=kmndb

km为碳纤维片材厚度折减系数，取km=0.78

n为碳纤维片材层数

即67.46=0.78×n×0.167×250

∴n=2.07 取N=3

故有效Af=km×3×0.167×250=97.695mm2

实际碳纤维片材面积为125.25mm2

强制标准要求的验算

按照《混凝土结构加固设计规范》的设计要求加固后受弯承载力的提高幅度不得超过40%， 即ffAf/fyAs≤0.4

（1600×97.695）÷（360×1140）=0.38<0.4

∴满足要求，按照3层碳纤维片材进行加固即可。

2 施工控制要点

2.1 原材料的控制

①本工程所使用的加固材料选择国产300g/m2I级碳纤维布，碳纤维基本性能要求：抗拉强度≥3400MPa，弹性模量≥2.1×105MPa， 极限延伸率≥1.7%。

②碳纤维粘结剂基本性能要求：压缩强度≥70MPa，拉伸强度≥35MPa，弯曲强度≥50MPa，拉伸剪切强度（金属/金属） ≥18MPa。施工单位应提供产品质保书，材料使用前必须经抽样检验合格后方可使用。

2.2 现场施工质量的控制

①基层处理：对碳纤维加固部位混凝土构件表面进行处理，处理后进行仔细观察，混凝土构件有裂缝的必须进行裂缝修补后才能进行碳纤维加固。对混凝土表面的蜂窝、凹凸不平必须用结构胶修补平整，对酥松的混凝土必须凿除后修补平整；混凝土表面处理后应露出结构本体，无粉尘、杂物、水渍、油渍及平整。混凝土表面处理必须经工序检验、做好相应记录，符合上述要求后才能粘贴碳纤维。粘贴的碳纤维宽度、厚度、材质必须按设计要求进行配置，并对粘贴的碳纤维粘贴面清洁处理。

②修补找平：经上述工序后粘贴面平整度应达到5mm/m2，有断茬、转角部位、凹凸部位应找平，抹成平滑曲面。

③胶料配制：胶料应严格按比例充分搅拌后配制，务必使用专业技术人员进行配制，从而保证质量。配制搅拌后的胶料应无沉淀、色差、气泡，并应防止灰尘杂质混入胶料。

④把经处理后的混凝土表面用丙酮或二甲苯擦拭干净。按设计要求裁剪碳纤维，不得损坏织物面，涂抹粘结胶应均匀，敷贴碳纤维应平整无气泡。多层粘贴，可重复上述步骤，但应在表面指触干燥后立即进行下一层粘贴，如超过60分钟，则应等12小时后再行粘贴下一层。

参考文献：

[1]任振华.碳纤维加固桥梁技术实用研究[J].价值工程，2011（19）.

[2]吴春义.论碳纤维加固技术的工艺要点[J].价值工程，2011（01）.

[3]高冰冰，谷万鹏.谈谈碳纤维加固技术在桥梁施工中的应用[J].价值工程，2010（04）.