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浙江财经学院东方学院碳纤维加固方案
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关键词: 碳纤维加固
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                     浙江财经学院东方学院碳纤维加固施工方案

工程概况

工程名称:浙江财经学院东方学院迁建工程七标段

建设地点:浙江省海宁市长安镇

建设单位:浙江财经学院东方学院长安校区

设计单位:浙江工程设计有限公司

建设规模:本标段工程由10#、12#、14#、15#学生宿舍、学生活动创业中心及室外附属配套工程组成,总建筑面积约为41773㎡,其中学生宿舍楼建筑面积分别为8000.3㎡,地上六层(局部设备七层),建筑基底面积为1329.6㎡,建筑高度为21.45m,钢筋混凝土框架结构;学生活动创业中心建筑面积9818.1㎡,建筑基底面积为3272.7㎡,地上三层,建筑

本工程主体结构均已全部完工,在对工程主体结构砼强度抽检的过程中发现,12#宿舍楼四层E-G/28轴框架梁原设计砼强度为C25,后经海宁市欣业建设工程检测中心对梁砼强度进行钻芯取样检测后发现该梁砼实际强度为20.0MPa,但梁表面并未出现裂缝。我方与设计单位沟通后,经设计认定决定对该不合格梁进行加固处理。为保证加固后梁强度能满足原设计要求且不影响室内空间使用和美观,拟决定采用碳纤维粘贴法对该梁进行加固处理。

该不合格梁参数如下:截面尺寸200×750,配筋2C18;5C22,梁跨度7m,主体层高3.6m,梁砼设计强度为C25。采用碳纤维加固对梁侧采用粘贴二层碳纤维,梁底粘贴一层碳纤维做法,梁侧碳纤维条条带宽度150.0mm,条带净间距150mm,粘贴高度600mm,采用U型粘贴的形式。

碳纤维粘贴施工工艺

施工步骤

详见如下施工流程图:

(二)、施工工艺

1、混凝土梁表面处理

用手提式砂轮机打磨去除混凝土梁表面上附着的污垢、浮灰和炭化层,清除混凝土两面蜂窝、麻面、夹渣等缺陷。油垢要用有机溶剂进行脱脂处理,混凝土粉末用压缩空气或高压水冲洗(但粘贴碳纤维前,混凝土基面必须干燥)。


2、底胶涂布

用滚筒或毛刷在混凝土梁表面需粘贴碳纤维布的位置上均匀涂布底胶。

   标准涂布量: 0.2  Kg/m2

应在底胶表面指触干燥时,立即进入下一工序的施工。

3、找平修整

对模框的高低差、混凝土梁表面的缺损部位和气泡,用环氧树脂腻子填充、使表面光滑。转角处要进行倒角施工(倒角曲率半径R≥20mm)。

气温5℃以下、湿度85%以上、雨天或者有结露可能的情况下不得进行施工。施工前应该先检查确认施工部位的温度、湿度,选择适当的底涂料。施工后如果附着有水分或发白现象,可用丙酮擦拭、或用砂纸打磨,去除白化物。

4、拉墨线

待腻子修补材料指触干燥后,根据设计图纸,在混凝土梁表面准确定位碳纤维粘贴部位。

因为底涂料和粘接树脂的可使用时间因气温和混合量而变化,一次的调和量应该是在可使用时间内能使用完的量,不可使用已经超过可使用时间的调和底涂料或粘接树脂。

5、粘贴碳纤维

1)下涂

用手指检查确认底涂料指触干燥(不粘手),用滚筒或橡胶刮刀在碳纤维布的粘贴面上均匀涂布粘接树脂。

标准下涂涂布量:  0.8  Kg/m2   (纤维含量200g/m2

注:按照规定配比称量粘接树脂,用低速电动搅拌机或手工充分搅拌、直至均匀。

2)碳纤维布的粘贴

碳纤维布的裁剪尺寸要包括搭接部分。用剪刀或切割刀进行裁剪,裁剪线与边成直角。

在涂布粘接树脂后,立即将碳纤维布粘贴在涂布有粘接树脂的面上,用橡胶刮刀、浸渍用滚筒捋压,使下涂料浸渍到纤维中。在粘贴碳纤维布时,要仔细地对准墨线位置。如果贴得不好,可重新贴。

3)粘贴方法

按照下图所示进行粘贴。


4)碳纤维布的浸渍和脱泡(包括上涂)

在粘贴碳纤维布的表面做后道加工。有纤维浮起处可用橡胶刮刀和浸渍用滚子沿水平方向和垂直方向捋压,排除纤维中含有的空气。此后,过了20分钟以上的时间后, 用目视和指触法检查确认底涂料树脂已浸透到纤维中。然后用粘接树脂均匀滚涂(这是下涂),再用橡胶刮刀和浸渍用滚子等工具滚压、刮平。

标准复涂涂布量:0.3 Kg/m2 (纤维含量200g/m2

5)碳纤维布的搭接方法

①长度方向(纤维方向)

粘贴时碳纤维布的长度不宜过长,按照设计的要求,每条碳布的长度不超过3米,以便于粘贴作业。搭接长度按照设计的要求不小于10cm。

②宽度方向(与纤维方向垂直的方向)

碳纤维布在横方向上搭接时,如果表面的平整度很差,则布材之间可能产生空隙,原则上应该按照下图所示在横方向上设置搭接头。

6)碳纤维粘贴后的后道加工

碳纤维布粘贴后,在粘接剂硬化之前如果纤维产生鼓起、皱纹、起皱等缺陷,应该立即进行修正(多层粘贴时应对每一层做修正)。

鼓起: 在鼓起部位上涂布粘接剂,再用橡胶刀、橡胶镘刀或脱泡滚子等工具捋压,将内部的空气排出去。

皱纹: 用橡胶刮刀沿纤维方向捋刮,加以修正。

起皱: 纤维起皱会严重影响拉伸强度,所以要用橡胶刮刀加以修正,使起皱部分尽可能展平。

碳纤维布粘贴后的表面是后道施工的底面,有的情况下,需要进行批环氧树脂腻子(初期硬化后)、喷砂(复涂后)等加工。

7)表面涂覆

要求用树脂类进行表面涂覆、喷涂、对抗燃性和耐火有要求时,可用灰浆或不燃烧型板等材料装饰表面。

8)养护

在浸渍粘接树脂初期硬化之前,为了防止雨水和尘土等沾附在碳纤维布表面上,养护期间应该根据需要用塑料薄膜等覆盖。

下表中列出了树脂初期硬化的大致时间(达到划不出指甲痕迹的程度)

平均气温

初期硬化之前养护时间

10℃以下

2天

10-20℃

1-2天

20℃以上

1天

质量验收

每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查,并做好相关的验收记录,如出现质量问题,应立即返工。

碳纤维布实际粘贴尺寸不应少于设计量,位置偏差不应大于2cm。

检查所有的修补区域,如有孔隙、气泡及脱层等现象,必须用可靠的方法进行修复。

碳纤维布与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面的方法来判断,总有效粘结面积不应少于95%。当碳纤维布的脱层面积小于100cm2时,可采用针管注胶的方式进行补救。当碳纤维布的脱层面积大于100cm2时,宜将脱层处的碳纤维布切除,重新搭接粘上等厚的碳纤维布。

质量保证措施

1、每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查,并做好相关的验收记录,如出现质量问题,应立即返工。

2、检查所有的修补区域,如有孔隙、脱层等现象,必须用可靠的方法进行修复。

3、撤除临时固定设备后,应用小锤沿粘贴面轻轻敲击粘结碳纤维,从音响判断是否空鼓。

4、严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5℃~35℃范围内,相对湿度不大于80%。

计算书

1设计依据:

《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS 146:2003)(以下简称规程)

《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)(以下简称规范)

2问题类型:

根据碳纤维片材求承载力

3几何参数:

截面宽度:  b = 200.00 mm

截面高度:  h = 750.00 mm

受拉钢筋:5根 直径为22.00 mm

受拉钢筋面积 As = 1899.7 mm2

受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离 a = 35.00 mm

受拉筋: HRB335(Q235), 受拉筋抗拉强度设计值 fy = 210.00 N/mm2

受压钢筋面积为 0.00 mm2

受压钢筋合力点至截面近边缘的距离 a' = 40.00 mm

受压筋: HPB235(Q235), 受压筋抗拉强度设计值 f 'y = 210.00 N/mm2

指定混凝土强度:

轴心抗压强度设计值 fc = 29.7 N/mm2

轴心抗拉强度设计值 ft = 2.09 N/mm2

轴心抗拉强度标准值 ftk = 2.93 N/mm2

4梁底碳纤维片材参数:

粘贴层数 n cf = 1

单层厚度 t cf = 0.111 mm

弹性模量 Ecf = 2.50 × 105 MPa

抗拉强度标准值 fc f k = 2000.00 MPa

梁底碳纤维片材的截面面积 Acf = 51.10 mm2

考虑二次受力, 加固前计算截面上实际作用的初始弯矩 Mi = 22.00 kN·m

5梁侧受剪碳纤维片材参数:

粘贴层数 n cfv = 2

单层厚度 t cfv = 0.167 mm

弹性模量 Ecfv = 2.00 × 105 MPa

条带宽度 w cf = 150.00 mm

条带净间距 s cf = 100.00 mm

侧面粘贴高度 h cf = 300.00 mm

加固方式: U形粘贴, 碳纤维片材受剪加固形式系数 取0.85

荷载形式:均布荷载

6箍筋参数:

箍筋直径 10mm

箍筋肢数 1

箍筋间距 100.00mm

箍筋: HPB235(Q235), 箍筋抗拉强度设计值 fyv = 210.00 N/mm2

7弯起筋参数:

弯起筋直径 12mm

弯起筋根数 2

弯起角度 75

计算结果

1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 i :

考虑二次受力, i 按规程4.3.4中各式计算:

h0 = h - a = 750.00 - 35.00 = 715.00 mm

受拉钢筋拉应变不均匀系数:

< 0.2

根据《GB50010-2002》8.1.2的规定, 当 < 0.2 时, 取  = 0.2。


受压边缘混凝土压应变综合系数:


加固前初始弯矩Mi作用下受拉钢筋的拉应变:


加固前初始弯矩Mi作用下受压边缘的压应变:


加固前初始弯矩Mi作用下, 截面受拉边缘混凝土的初始应变:

2碳纤维加固后混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变 cf 求解:

根据规程(4.3.2-2)式以及(4.3.2-3)式联立求解:



代入数值, 得



解上述二元一次方程组, 得  x = 49.09mm, cf = 0.01807

3根据碳纤维加固后混凝土受压区高度x的大小采用不同的公式计算正截面受弯承载力:

碳纤维片材厚度折减系数:


碳纤维片材的极限拉应变(参见规程4.1.4):


碳纤维片材的允许拉应变(参见规程4.3.2):


碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度(参见规程4.3.2):


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(根据规范7.1.4 ):



bh0 = 0.59×365.00 = 215.69mm,

cfbh = 0.30×400.00 = 120.37mm,

2a' = 2×40.00 = 80.00mm,

x = 49.09mm

可见, x < 2a' , 根据规程4.3.2-5式, 加固后, 其正截面受弯承载力为:



=55.57 kN.m

4侧面采用碳纤维加固后, 斜截面受剪承载力计算:

达到受剪承载能力极限状态时碳纤维片材的应变:


碳纤维片材承担的剪力:

使用碳纤维加固后, 梁的剪力设计值:


结论


受剪承载力

受弯承载力

加固前

201.52 kN

41.17 kN·m

加固后

262.57 kN

55.57 kN·m

承载力提高百分率

30.29%

35.21%

根据规程4.3.5, 加固后受弯承载力能满足设计要求。

                                                                                                                                 杭州碳纤维加固公司