论碳纤维板加固混凝土梁的设计原理

碳纤维板加固加固工程概况及材料性能 某厂房为框架结构, 因生产设备更新, 层2 楼面荷载大幅 增加, 需进行加固。加固层的纵横柱距均为6m, 面积约为 1100m2, 主次梁的数目很多。碳纤维板加固原设计的混凝土强度等级为 C25, 受力筋为Ⅱ级。加固前对钢筋混凝土梁的混凝土强度等 级进行了全面的现场检测, 实际强度低于C25, 加固设计中采 用C20 进行计算。利用原设计图纸所提供的配筋量, 对平面内 所有的梁的承载能力全部进行了复核, 碳纤维板加固需要加固的梁为45 根, 其中需要进行正截面加固的梁为29 根。 加固用CFRP 采用上海加固行提供的Sika Carbo Dur S 板材及Sika Wrap- 230C 织物, 配套用胶粘剂为Sikadur- 30 及Sikadur- 330。对原材料进行了随机取样的材性检测, 碳纤维板加固板材 和胶粘剂均达到了厂家所提供的力学性能指标( 表1, 2) , 碳纤 维织物测定的是浸渍胶粘剂7d 后的硬化布的抗拉强度, 低于 厂家提供的碳纤维单丝的抗拉强度, 但满足设计要求σu 实 测≥[εcf]Ecf。 2 混凝土梁正截面加固的设计方法 加固施工时原生产设备已拆除, 设计中未考虑结构的二次 受力影响。承载力计算中CFRP 的应力- 应变关系采用线弹性 关系, 即σcf=εcfEcf, 允许拉应变[εcf]取为2εcfu/3 和0.01 两者 中的较小值( 对于该碳纤维板εcf=0.0017, [εcf] 取为 0.00113) , 假定混凝土、钢筋和碳纤维在梁体受弯时应变满足 平截面假定。 碳纤维板加固正载面加固均采用碳纤维板材。受弯加固采用承载力计算 公式时充分考虑了被加固梁的破坏形态, 在合理控制加固量、 做好锚固设计和保证施工质量的前提下, 最有可能发生的破坏 形态有两种: ①在碳纤维板达到允许拉应变之前受拉钢筋和混 凝土先破坏, 为第一种破博形态; ②在混凝土压坏之前受拉钢 筋先屈服, 随后碳纤维板超过其允许拉应变并达到极限拉应变 而拉断, 为第二种破坏形态。根据这两种破坏形态的界限情况 即在碳纤维板达到允许拉应变的同时混凝土被压坏的特征, 确 定出界限相对受压区高度ξcfb: ξcfb=0.8xb/h0=0.8εcu/(εcu+[εcf]) ( 1) 根据第一种破坏形态极限状态的截面静力平衡( 图1( a) ) 和平截面应变关系得到求解混凝土受压区高度x 及碳纤维实 际拉应变εcf 的联立计算公式( 允许拉应变[εcf] 取为 0.00113) : fcbx=Asfy- A' sfy'y+EcfεcfAcf x=0.8cuh/(εcu+εcf) ( 2) 根据式( 1) ,( 2) 求出混凝土受压区高度x、界限相对受压区 高度ξcfb, 当x> ξcfbh 时为第一种破坏形态, 其承载力计算公 式 M≤fcbx(h0- 0.5x)+A' sfy'(h0- a')+EcfεcfAcf(h- h0)(x>ξcfbh) ( 3) 当x≤ξcfbh 时为第二种破坏形态, 截面的极限状态应力分 布见图1( b) , 根据截面平衡对压区合力点取矩( 偏于安全的合 力点取距离混凝土受压边缘0.5ξcfbh 处) 得到的承载力计算公 式: M≤ASfy(h0- 0.5ξcfbh)+Ecf[εcf]Acfh(1- 0.5ξcfb)(x≤ξcfbh)( 4) 受弯正截面加固的设计计算流程为: ①对每根待加固梁根 据截面尺寸、荷载类型、配筋情况、承载力提高的比例进行大致 的分类, 确定出每类梁的最不利配筋量和内力设计值; ②确定碳 纤维的布置方式( 梁底粘贴一层的最大宽度为梁宽减去 50mm) 和粘贴层数; ③参考厂家的产品型号, 初步选择碳纤维 板的截面面积Acf; ④根据式( 1) 确定出界限相对受压区高度 ξcfb; ⑤将Acf 代入式( 2) 解出混凝土受压区高度x 及碳纤维拉 应变εcf; ⑥根据x 与ξcfbh 的大小关系判断破坏形态, 选择承 载力计算式( 3) 或( 4) , 将x 和εcf ( 或[εcf]) 代入进行承载力验 算; ⑦若不满足, 重复步骤3~6, 直到满足为止。 碳纤维板加固为了避免CFRP 板材与混凝土之间的粘结破坏, 还应验算 碳纤维板的锚固长度( 充分利用截面以外的延伸长度) :

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