鋼筋混凝土框架平面節(jié)點(diǎn)處碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固模型
試驗(yàn)方案研究
上海市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心普陀區(qū)分中心 姚剛
一、內(nèi)容簡(jiǎn)介
碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)是近年來(lái)國(guó)際上的一項(xiàng)新興技術(shù)。碳纖維布加固法是一種新的混凝土結(jié)構(gòu)加固的有效方法,具有力學(xué)性能好、施工快捷、易操作、自重輕、耐腐蝕和加固效果好等優(yōu)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)、圓面和曲面構(gòu)件的加固方面,具有粘鋼加固技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)。
本人收集并參考很多碳纖維加固方面的中外文獻(xiàn)，通過(guò)歸納、總結(jié)，共設(shè)計(jì)了13個(gè)試件，文中對(duì)12個(gè)十字形鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行破損加載,模擬中小地震中的損傷,然后進(jìn)行灌縫修復(fù)和粘貼碳纖維加固（非核心區(qū)）。
本文的重點(diǎn)是對(duì)于當(dāng)前碳纖維加固現(xiàn)狀存在的失效問(wèn)題（剝離）有針對(duì)性地提出了適宜的加固方案，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)提出了合適的碳纖維的錨固方式、錨固長(zhǎng)度和碳纖維布的粘貼層數(shù)。文中對(duì)碳纖維布加固混凝土受彎構(gòu)件破壞形態(tài)中的剝離破壞現(xiàn)象進(jìn)行了介紹,歸納出影響碳纖維布剝離的主要因素。最后提出了防治剝離破壞現(xiàn)象的工程處理建議。
此外，本文還對(duì)碳纖維布加固設(shè)計(jì)的原則及方法、施工步驟及要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：碳纖維 加固方案 框架 梁柱節(jié)點(diǎn) 鋼筋混凝土
二、設(shè)計(jì)思想
一般而言，框架節(jié)點(diǎn)指框架梁與框架柱相交的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與鄰近核心區(qū)的梁端和柱端。一個(gè)平面框架，就有四種基本形式的節(jié)點(diǎn)。即:頂層邊柱節(jié)點(diǎn)；頂層中柱節(jié)點(diǎn)(T型)；邊柱節(jié)點(diǎn)；中柱節(jié)點(diǎn)(+型)。
節(jié)點(diǎn)是一個(gè)重要的部位，它在框架中起著傳遞和分配內(nèi)力、保證結(jié)構(gòu)整體性的作用。
正如法國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范所指出的:“節(jié)點(diǎn)在地震情況下，為框架最易受損的部分。對(duì)結(jié)構(gòu)抗震而言，節(jié)點(diǎn)的研究比一般結(jié)構(gòu)部位具有更大更重要的意義”。
本課題研究意義為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁、柱節(jié)點(diǎn)部位處用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固提供錨固的處理方法,對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固,提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性有指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。
近年來(lái)，在實(shí)際工程中，利用碳纖維布加固己經(jīng)有了許多應(yīng)用和研究。但由于諸多方面的原因，由國(guó)內(nèi)外研究資料來(lái)看，對(duì)框架節(jié)點(diǎn)的加固研究尚少。主要存在以下問(wèn)題：一是沒(méi)有專門(mén)針對(duì)節(jié)點(diǎn)加固的研究，而是集中在梁、柱的加固研究上；二是把節(jié)點(diǎn)加固等同與梁、柱等構(gòu)件的加固，忽視了節(jié)點(diǎn)構(gòu)件本身的特殊性；三是即便有對(duì)節(jié)點(diǎn)加固的研究，也大多是對(duì)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的研究，而針對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)附近的梁端（梁的負(fù)彎距區(qū)域）和柱端的加固研究少之甚少。
本文考慮到當(dāng)前加固現(xiàn)狀存在的失效問(wèn)題（剝離）有針對(duì)性地對(duì)梁的負(fù)彎距區(qū)域提出了適宜的加固方案，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)提出了合適的碳纖維布的錨固方式、錨固長(zhǎng)度和粘貼層數(shù)。如下附上正常受力情況下框架結(jié)構(gòu)的彎矩圖，如圖1所示。
因此，本課題主要研究?jī)?nèi)容為：
1.碳纖維布的錨固長(zhǎng)度研究及提出簡(jiǎn)便的錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式；
2.梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)折角處碳纖維布的錨固措施研究；
3.碳纖維布粘貼層數(shù)的研究。
圖1 正常情況下框架結(jié)構(gòu)彎矩圖（圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)榱旱呢?fù)彎矩區(qū)域）
三、設(shè)計(jì)方法
考慮到碳纖維布在構(gòu)件上的錨固方式不同、粘貼層數(shù)不同及錨固長(zhǎng)度不同會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生不同的影響，共設(shè)計(jì)了13個(gè)試件。J1為對(duì)比件,對(duì)J2-R～J13-R先進(jìn)行破損加載,模擬中小地震中的損傷,然后進(jìn)行灌縫修復(fù)和粘貼碳纖維加固。為了使對(duì)比效果明顯并使問(wèn)題簡(jiǎn)單化,所有試件采用了統(tǒng)一規(guī)格。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，梁和柱子的主筋為Ⅱ級(jí)鋼,箍筋及架立筋為Ⅰ級(jí)鋼。試件情況見(jiàn)表1。
試驗(yàn)共分為兩組進(jìn)行。
第一組：對(duì)J1（對(duì)比件）、J2-R、J8-R進(jìn)行試驗(yàn)。即在相同的粘貼層數(shù)和相同的錨固長(zhǎng)度條件下，對(duì)比哪種錨固方式對(duì)提高構(gòu)件承載能力更加有利。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)并分析得：采用膨脹螺栓錨固更好。在此前提下進(jìn)行第二組試驗(yàn)。
第二組：對(duì)J2-R～J7-R進(jìn)行試驗(yàn)（考慮到粘貼層數(shù)和錨固長(zhǎng)度之間有關(guān)系，所以需逐個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)）。
經(jīng)過(guò)兩組試驗(yàn)的對(duì)比，就能知道哪種加固方案最好了。
表1 試件基本情況
|
試件編號(hào) |
錨固方式 |
碳纖維布粘貼層數(shù) |
碳纖維布錨固長(zhǎng)度（㎜） |
|
J1（對(duì)比件） |
無(wú) |
0 |
0 |
|
J2-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
1 |
250 |
|
J3-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
1 |
500 |
|
J4-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
2 |
250 |
|
J5-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
2 |
500 |
|
J6-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
3 |
250 |
|
J7-R |
膨脹螺栓（后鉆孔） |
3 |
500 |
|
J8-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
1 |
250 |
|
J9-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
1 |
500 |
|
J10-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
2 |
250 |
|
J11-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
2 |
500 |
|
J12-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
3 |
250 |
|
J13-R |
粘接劑（樹(shù)脂錨桿） |
3 |
500 |
膨脹螺栓錨固方式見(jiàn)圖2；樹(shù)脂錨桿錨固方式見(jiàn)圖3。
圖2 膨脹螺栓錨固形式
圖3 樹(shù)脂錨桿錨固形式
1試件的尺寸和配筋
本試驗(yàn)的試件尺寸是參考中高層框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際設(shè)計(jì)情況而制作的，力求使試驗(yàn)的設(shè)計(jì)對(duì)象能與實(shí)際相符。試件設(shè)計(jì)成比例為1:1的試件，加荷位置基本位于梁反彎點(diǎn)處。
試驗(yàn)構(gòu)件的尺寸及配筋情況圖如圖4所示。
圖4 試件配筋（紅色線條為鋼筋）
2試驗(yàn)加固方案
⑴ 碳纖維布加固方案
本試驗(yàn)是研究碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁的負(fù)彎距區(qū)域及臨近此區(qū)域的節(jié)點(diǎn)柱端的加固，但為了避免在試驗(yàn)加載過(guò)程中構(gòu)件先產(chǎn)生剪切破壞，因此對(duì)梁端和柱端也進(jìn)行了抗剪加固（碳纖維布U型箍帶和碳纖維布環(huán)向包裹）。
根據(jù)現(xiàn)有的資料并參考了加固公司、指導(dǎo)老師等多方面意見(jiàn)后，試驗(yàn)中加固方法定為:柱的4個(gè)側(cè)面用長(zhǎng)度是800㎜、寬100㎜的碳纖維布粘貼，并用寬300㎜的碳纖維布環(huán)向包裹柱端。梁是用長(zhǎng)1200㎜、寬100㎜的碳纖維布粘貼在受拉受壓區(qū)。梁的上下面滿貼，最后用寬100㎜、間距為100㎜的碳纖維布箍帶包裹梁上的碳纖維布。箍帶的搭接長(zhǎng)度至少為50㎜，搭接位置都在梁的底面中間(盡量避免轉(zhuǎn)角處)。并在梁柱轉(zhuǎn)角處注入填充膠。碳纖維布的加固位置主要位于梁負(fù)彎距區(qū)域及節(jié)點(diǎn)柱端。本試驗(yàn)碳纖維布加固的方案如圖5所示。
1-梁頂縱向碳纖維布延伸到柱端；2-梁底縱向碳纖維布延伸到柱端；3-碳纖維布U型箍在梁底搭接50㎜；4-寬100㎜，長(zhǎng)800㎜的碳纖維布貼于柱的四側(cè)；5-寬300㎜的碳纖維布環(huán)向包裹柱端
圖5試件加固方案
⑵ 試件的電阻應(yīng)變片布置方案
本試驗(yàn)鋼筋應(yīng)變片布置在節(jié)點(diǎn)區(qū)梁端、柱端的主筋，如圖6示;混凝土應(yīng)變片布置在梁柱塑性鉸區(qū)域的側(cè)面，如圖7示。碳纖維布應(yīng)變片布置在梁柱塑性鉸區(qū)域的側(cè)貼碳纖維布、梁頂、梁底的碳纖維布及梁柱塑性鉸區(qū)域的碳纖維布箍帶上，如圖8示。所測(cè)數(shù)據(jù)由電阻應(yīng)變儀讀出。
括號(hào)內(nèi)數(shù)字為背面應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)
圖6試件鋼筋應(yīng)變片布置
圖7試件混凝土應(yīng)變片布置
圖8試件碳纖維應(yīng)變片布置
3試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)裝置如圖9示。
1-試件；2-液壓千斤頂；3-液壓荷載傳感器；4-梁端荷載傳感器；5-支座；6-柱端液壓加載器；7-柱端荷載傳感器；8-柱端球鉸
圖9試驗(yàn)加載裝置
4本試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容
⑴.試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)處梁、柱縱筋應(yīng)變、混凝土表面和碳纖維布應(yīng)變；
⑵.將位移傳感器的信號(hào)和千斤頂上的拉壓傳感器的信號(hào)通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出到X-Y函數(shù)記錄儀上，最終給出荷載-位移曲線；
⑶.試驗(yàn)過(guò)程中觀察裂縫發(fā)展及錨固破壞情況，試驗(yàn)后將補(bǔ)強(qiáng)加固節(jié)點(diǎn)的錨固裝置及碳纖維布剝開(kāi)，觀察試件破壞情況，找出最優(yōu)錨固方案。
四、結(jié)論
通過(guò)研究碳纖維布/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土試件的加固修復(fù)作用,發(fā)現(xiàn)外部粘貼碳纖維法加固受損節(jié)點(diǎn)是非常有效的加固修復(fù)方法,可以顯著地改善受損構(gòu)件的受力性能,明顯地提高試件極限強(qiáng)度。
雖然由于條件的限制沒(méi)有進(jìn)行具體的試驗(yàn)研究，但本人參考了諸多國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，經(jīng)分析概括，得到以下結(jié)論：
⑴.研究不同層數(shù)碳纖維布對(duì)混凝土試件的加固作用,表明在混凝土表面粘貼1～3層碳纖維布,可將混凝土的斷裂荷載提高1～2.5倍。從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用角度來(lái)看,本人認(rèn)為貼2層碳纖維布是最佳的選擇。
⑵.梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)折角處碳纖維布使用膨脹螺栓錨固的方式更適宜。
⑶.碳纖維布的錨固長(zhǎng)度與其層數(shù)有關(guān)，其關(guān)系基本符合經(jīng)驗(yàn)公式：L≧250×n（㎜）（n為碳纖維布的粘貼層數(shù)）。
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