碳纤维布在框架梁抗弯加固工程中的应用

李 豪 孔新立 周玉鹏

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)



碳纤维布在框架梁抗弯加固工程中的应用

李 豪 孔新立 周玉鹏

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)

以某卫生中心的加固改造工程为例，从承载力复核、方案设计、验算等方面，阐述了碳纤维布在框架梁抗弯加固工程中的应用，并介绍了锚固方案的设计措施，有效提高了加固梁的剥离承载力。

框架梁，抗弯加固，碳纤维布，锚固方案

据统计，我国现有建筑物总面积在100亿m2以上。由于建筑物自身的老化、各种自然灾害及人为损伤等原因，越来越多的结构安全问题引发人们的关注。当前，需要加固维修的建筑在25亿m2以上[1]。

与传统加固材料相比，碳纤维材料应用于加固工程时表现出轻质、高强、抗腐蚀、耐疲劳等优点。其密度只有钢材的0.2倍～0.25倍[2]，弹性模量基本与钢材一致，抗拉强度却远远高于钢材。因此，研究碳纤维材料在加固工程中的应用具有广阔的前景和巨大的经济效益。

本文以某卫生中心的加固改造工程为背景，研究碳纤维布在框架梁抗弯加固中加固方案的设计过程，为类似工程实践提供参考。

1 工程概况

本工程原为“扬州市广陵区日间照料中心”，建筑面积4 118 m2，上部结构由伸缩缝分割为A区、B区。A区为四层框架，B区为三层框架。建筑高度为13.80 m，基础形式为独立基础。加固后建筑使用功能更改为卫生服务中心。原结构按抗震设防烈度7度(0.15g)、抗震设防分类丙类建筑进行设计。现该地区抗震设防烈度为7度(0.15g)，按抗震设防分类乙类建筑进行核算、复核。建筑外观图见图1，A区一层框架梁平面图见图2。

2 结构复核计算

1)结构复核原则。在结构承载能力复核分析中，结构布置及

结构构件信息采用现场实测值与原设计值相结合的原则，两者之中取不利值。房屋所在区域的地震信息、风荷载信息、场地信息采用原设计值，并参考现行规范的规定。结构材料信息中，当现场实测值小于原设计要求时采用现场实测值，当大于原设计要求时采用原设计值。荷载取值按照结构设计说明选用。

2)结构复核采用程序。结构的复核计算采用中国建筑科学研究院研制开发的PKPM系列中的S-1，QITI模块。计算参数如下：建筑结构安全等级：二级。加固后结构设计使用年限：50年。建筑抗震设防类别：重点设防建筑(乙类)。地基基础设计等级：丙级。基本风压：0.40 kN/m2(50年一遇)。基本雪压：0.35 kN/m2(50年一遇)。抗震设防烈度：7度(0.15g)，设计地震分组：第一组，常遇水平地震影响系数最大值：0.12，特征周期值：0.45 s。建筑物场地土类别：Ⅲ类。

3)复核结果。经复核，该卫生服务中心上部主体结构承载能力和变形能力基本能够满足规范要求，主要不符之处为：一层个别框架梁承载能力略有不足。

3 加固方案设计

以一层⑨轴框架梁KL3为例(见图2标注部分)，截面尺寸为250 mm×600 mm，配筋图见图3。混凝土强度等级C30，经PKPM分析计算，该截面弯矩设计值为312.2 kN·m。

3.1 承载力复核

由截面力的平衡条件[3]得：

(1)

则：x=88.62 mm≥2as=70 mm。

其中,as为混凝土保护层厚度。

所以，该梁受弯承载力为[3]：

(2)

其中，Mu为梁受弯承载力；h0为截面有效高度，h0=500-35=465 mm。

则：Mu=261.8 kN·m<312.2 kN·m。

所以，该梁需要加固。

3.2 加固方案初步设计

拟采用两层碳纤维布对梁抗弯加固。加固后，梁截面图如图4所示。

3.3 加固方案验算

在梁底面粘贴碳纤维布时，梁的受弯承载力[4]：

(3)

其中，M为加固后梁受弯承载力，M=312.2 kN；x′为加固后梁受压区高度。

则：x′=116.81 mm>2as=70 mm。

由加固后梁横截面力的平衡[4]：

(4)

其中,ψf为碳纤维布强度利用系数，ψf=1.0；ff为碳纤维布抗拉强度设计值，ff=1 400 N/mm2；Afe为粘贴碳纤维布面积。

则需要粘贴碳纤维布面积：Afe=71.99 mm2。

其中,km为碳纤维布厚度折减系数，km=0.9；nf为粘贴碳纤维布层数，nf=2；bf为碳纤维布宽度，bf=250 mm；tf为碳纤维布厚度，tf=0.167 mm。

所以，加固方案满足要求。

4 锚固方案设计

当碳纤维布应用于混凝土梁的抗弯加固时，常发生碳纤维布早期剥离破坏现象。剥离破坏作为一种脆性破坏模式，在实际工程中应避免。研究表明，采用一定的附加锚固措施可以提高加固梁的剥离承载力，避免碳纤维布的剥离破坏。

在众多锚固方法中，碳纤维布U形箍锚固法由于施工操作方便、经济性强等优点，是目前应用最为广泛的锚固方式[5]。根据文献[6][7]对U形箍锚固位置的研究结论，在框架梁端部布置宽度为150 mm的U形箍，剪跨区布置宽度为100 mm的U形箍，集中荷载处布置宽度为200 mm的U形箍，U形箍高度均为600 mm。附加碳纤维布U形箍示意图见图5。

5 结语

1)采用两层碳纤维布加固后，框架梁抗弯承载力满足要求。

2)碳纤维布应用于混凝土梁的抗弯加固时，常发生碳纤维布早期剥离破坏现象。采用一定的附加锚固措施可以提高加固梁的剥离承载力，避免碳纤维布的剥离破坏。

3)碳纤维布U形箍锚固法是一种有效的锚固方式，具有施工操作方便、经济性强等优点。

[1] 张益多，刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述[J].江苏大学学报(自然科学版)，2003,24(6)：91-94.

[2] 张 冲.FRP加固混凝土梁抗剪承载力研究[D].西安：长安大学，2012.

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[4] GB 50367—2013，混凝土结构加固设计规范[S].

[5] 夏建飞,周雪华.FRP片材锚固技术研究现状[J].玻璃钢/复合材料,2014(1):99-103.

[6] 张 琼.U形箍锚固碳纤维加固低强度混凝土梁的有限元分析[D].秦皇岛：燕山大学，2009.

[7] 谭贤秀.CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁锚固有限元研究[D].重庆：西南大学，2008.

Application of CFRP sheets in flexueal reinforcement of frame beam

Li Hao Kong Xinli Zhou Yupeng

(CollegeofDefenceEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Taking the reinforcement and renovation engineering of a health center as an example, a from the bearing capacity check, scheme design, calculation and other aspects, this paper elaborated the application of carbon fiber cloth in frame beams bending resistance reinforcement engineering, and introduced the design measures of anchorage scheme, effectively improved the stripping bearing capacity of reinforced beams.

frame beam, bending resistance reinforcement, carbon fiber cloth, anchoring scheme

1009-6825(2016)05-0039-02

2015-12-08

李 豪(1990- )，男，在读硕士； 孔新立(1979- )，男，副教授； 周玉鹏(1991- )，男，在读硕士

TU746.3

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