1、粘碳纤维布在外伸梁加固中的应用c摘要：本文介绍碳纤维布加固 10 根钢筋混凝土简支梁和 4 根钢筋混凝土外伸梁的工程实例，对粘碳纤维布加固钢筋混凝土外伸梁进行现场试验研究，证明用粘碳纤维布加固钢筋混凝土外伸梁正截面强度和挠度加固效果良好。关键词：加固；外伸梁；碳纤维布；挠度在土木工程中，由于各种原因，经常需要对已有的建筑物进行维修加固。由此产生了许多加固方法，其中使用碳纤维材料加固是一项正在发展中的新技术 3，国内外学者进行了大量的试验，提出了各种承载力计算方法，取得了较多的试验成果，并在 90 年代末期这些研究成果大量的应用于工程实际中，我国于 1997 年开始这一领域的研究工作，并在200
2、3 年颁布了 CECS146:2003碳纤维材料加固混凝土结构技术规程 。本文对粘碳纤维布加固钢筋混凝土外伸梁后的应力、应变和变形进行分析，并与理论计算进行对比。1、工程概况河北工程学院二、三号教学楼为四层砖混结构，1978 年建成并投入使用，现因学院扩大教学需要，对学院二、三号教学楼及一层阶梯教室采用轻钢结构加接一层，由此新增加了一定的荷载，经验算，原结构中大部分梁板仍然满足规范要求，其中一层阶梯教室 10 根简支梁抗弯强度和 4 根外伸梁的抗弯强度不足，需要进行加固。加固梁的基本情况梁号 截 面尺寸（mmxmm）混凝土强 度跨度（mm）实配钢筋（mm 2）跨中截面需抗弯（KN.m）支座需抗
3、弯（KN.m）应配钢筋（mm 2）相差（%）L107 (6 根)250x650 200 号 7500 1765 215.65 - 2037 13.3L106 (2 根)370x550 200 号 5500 1165 174.58 - 1769 34.1L105 (2 根)250x500 200 号 6400 1765 209.2 - 2625 32.7L104(4根)180x300 200 号 8400 911（支座）514（跨中）34.51 58.47 1071（支座）740（跨中）14.9（支座）30.5（跨中）本文对其中两根外伸梁的外伸端进行了现场试验分析，外伸梁计算简图为：。21854
4、0L图qG(P)三、方案比较由于本工程在加固的同时其它工程也在进行中，为不影响其它工程施工的进度，我们应选择施工方便、快捷、工期较短的方案。为此初步选定为粘钢加固法和粘碳纤维加固法。经计算，我们发现由于外伸梁截面宽度较小，如果用粘钢加固法的话需要采用多层粘结的方式，这样较大的增加了梁自重，而且不容易保证施工质量。如果用粘碳纤维材料能很好的解决这个问题，经设计本工程采用粘碳纤维方法加固。四、具体方案确定经过承载力校核本工程的所有梁的斜截面承载力都能满足要求，所以在设计中只需要计算正截面需要粘结的碳碳纤维布需要量，再配合规范要求做法进行施工即可满足要求。在计算过程中假设加固后碳纤维材料和原结构完全
5、共同工作且满足平面假定，按照等效弯矩原则进行计算 4：1、 混凝土受压高度 x 大于 cfbh，且小于 bh0时（图 a）按以下公式计算碳纤维的面积：Mf cbx(h0-x/2)+fyAs(h0-a)+Ecf cfAcf(h-h0)其中 x 和 cf 由下列公式确定：fcbx=fyAs-fyAs+Ecf cfAcfx=08 cuh/ cf+ cu+ i图 a 2、 当 x 不大于 cfbh 时（如图 b）按下式进行计算：Mf yAs(h0-0.5 cfbh)+Ecf cfAcfh(1-0.5 cfb) 图 b3、 当 x 小于 2a时有：Mf yAs(h0-a)+Ecf cfAcfh(1-a)
6、 本工程经计算所有梁按第一种情况进行计算，由于构件是二次受力应按下式算出在加固前 Mi 作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变： i=( ci+ si)h/h0- ci各符号意义及相关公式见文献4。计算出所需材料面积，再根据碳纤维布距充分利用点不应少于:ld=Ecf cfAcf/ cfbcf并且至少由不需要点向外延伸 200mm。根据以上方法计算外伸梁支座处最终确定粘 2 层 150mm 的通长碳纤维材料。所用碳纤维布主要力学性能：项目 单位 数值单位面积重量 g/m2 200抗拉强度标准值 MPa 3000弹性模量 MPa 2.1x10 5极限延伸率 % 1.4名义厚度 mm 0.111所用打
7、抵胶、找平胶主要力学性能：性能 主要力学指标正拉粘结强度 2.5Mpa 且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值 ftk的 1.2 倍拉伸强度 30MPa所用浸润胶的主要力学性能指标：性能 主要力学指标拉伸剪切强度 10MPa压缩强度 70MPa弯曲强度 40MPa拉伸强度 30MPa正拉粘结强度 2.5MPa 且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值 ftk五、试验验证工程完成以后，对其中两根外伸梁进行了试验，以验证加固效果以及规范有关规定。试验荷载为正常使用荷载 G=16.7KN/m，由于在工程中恒载已经加上，故在试验中只加活载值 q=4.4KN/m，加载方式为分级加载，分 5 级，每级加完后，10
8、分钟后再加下一级，待全部荷载加完，卸载 45 分钟后测构件的残余变形。测点布置如下图：应 变 片百 分 表 百 分 表梁 侧 边 测 点 布 置 碳 纤 维 布应 变 片梁 顶 面 测 点 布 置在试验中同时应在受弯面钢筋上布置应变片，梁顶部在碳纤维布不同测点的同一截面混凝土上布置应变片，以验证是否共同工作。试验数据分析结果：（1） 在挠度校核中，应将碳纤维的面积按等效弯矩的原则折合为钢筋的面积 5，再由等效面积 As计算出梁的短期刚度：Bs=Es(As+As)h02/1.15+0.2+6 E/(1+3.5 f)式中各符号的意义见文献6并将其代入挠度公式则：f=sM sl0/Bs,其中：s 为
9、与荷载、支撑条件有关系数；M s 为短期荷载， Bs 梁的刚度，本工程为二次受力，且原结构受力较大，应按相关方法算出加固前构件截面上的应力再由平面假定计算梁刚度。挠度试验结果：试件编号 实测挠度（mm） 理论计算挠度（mm）相对误差（mm）L104-北 18.0 16.9. 0.065L104-南 14.5 16.9 0.142（2）应力应变实验结果分析：位置 应变 位置 应变L104-北 L104-南L104-北 L104-南L104-北 L104-南位置加固前应变加固后实测应变加固后实测应力（KN/mm 2）加固后理论计算应变 加固后理论计算应力（KN/mm 2）L104-北混凝土0.09
10、 0.093 2.37 0.097 2.47L104-北钢筋 0.077 0.081 17.01 0.083 17.43L104-北碳纤维布0.094 197.4 0.097 203.7L104-南混凝土0.089 0.099 2.52 0.097 2.47L104-南钢筋 0.077 0.085 17.85 0.083 17.43L104-南碳纤维布0.100 210 0.097 203.7表中加固前钢筋应变: si=/M i/(EsAsh0)；混凝土应变： i=h( ci+ si)/h0- ci各符号意义见文献4。加固后钢筋的应变： si=/ M i/(EsAsh0);碳纤维布、混凝土的应
11、变根据平面假定计算。在本试验中各材料应力 与应变 的关系均采用线弹性关系：=E （3）相对残余变形测点在控制加载程序的时相对残余变形 Sp/St 越小说明结构越接近弹性工作状况 7。本工程试验实测变形为 Sp=18.0（14.5）mm，相对残余变形为为 St=3.5(2.5)mm ，所以Sp/St=3.5/18.0(2.5/14.5)=19.4%(17.2%)20%，由此可知构件是在弹性范围内工作！六、结论1、 工程加固效果比较理想，符合设计要求；2、 在悬挑梁中碳纤维加固符合平面假定，加固后应力、应变、挠度与理论计算基本符合；3、 挠度计算公式尚不完善，有待于进一步修正；4、 CFRP 加固是一项新技术，其加固效果与施工质量有很大关系。参考文献：1、CECS25：90 混凝土结构加固技术规范2、刘兴远 陈伟 林文修 钢筋混凝土梁斜截面粘钢加固研究，四川建筑科学研究. 20033、陈小兵 颜子涵等 碳纤维材料加固钢筋混凝土梁的试验研究。工业建筑 19984、CECS146:2003 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程5、李志成、邱飞、朱家祥。碳纤维加固钢筋混凝土梁挠度计算方法，解放军理工大学学报。20026、天津大学、同济大学、东南大学。混凝土结构。北京 中国建筑工业出版社7、徐奔编著 桥梁检测与维修加固百问 人民交通出版社
