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碳纖維布加固補強混凝土結構技術

近年來,人們對結構的安全性,使用性和耐久性要求不斷增強,對現有結構的維護和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現有結構的使用壽命如物理老化,化學腐蝕,社會需求的變化,設計標準的提高等,這些出現問題的建筑物,當實際情況不允許推倒重建時,則只能采取適當的技術措施對其進行加固補強處理。

隨著材料科學的發展,纖維材料于土木工程中的應用成為國內外研究的熱點,纖維材料中的碳纖維用于加固補強混凝土結構有著其自身的技術優勢：高效高強（可以充分的利用其高強度,高模量的特點來提高結構及構件的承載力和延性,改善受力性能,達到高效加固的目的）,耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學性質穩定,不與酸堿鹽等化學物質反應）,不增加構件的自重和體積（碳纖維質輕而薄）,使用面廣（碳纖維是一種柔性材料,且可以任意裁剪）,便于施工（無需大型的施工機械,占用場地少,無濕作業）。碳纖維布已廣泛應用于鋼筋混凝土結構的梁板柱的加固補強,并由國家工業建筑診斷與改造工程研究中心主編,在總結近年來國內各高校和科研單位的研究成果以及各設計,施工單位采用碳纖維布進行結構加固的實踐經驗,參考國外大量相關資料,并進行大量的試算和調研的基礎上,制定了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》,其編號為CECS146：2003。以下將針對各種情況來進行說明其簡便的計算方法。

碳纖維補強加固鋼筋混凝土受彎構件的正截面承載力：

正截面承載力全過程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用*彈塑性的應力-應變關系；受壓區混凝土采用E.Hognestad建議的非線形應力-應變關系；混凝土受壓區沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元）,并設每條帶的應力均勻分布。根據理論分析結合實驗數據提出了如下的簡化計算方法：偏于安全的假設碳纖維的拉應變等于鋼筋的拉應變,并

將碳纖維的面積轉化為等效鋼筋面積：

式中 , , 和 分別表示碳纖維的面積,抗拉強度,等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。

碳纖維的面積取其凈面積即：

其中 為碳纖維的計算厚度, 為碳纖維布的幅寬, 為層數。

得到等效鋼筋面積之后,可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構件的正截面設計公式進行計算。

對受壓區混凝土合力作用點取矩

其中 可有水平力平衡得到：

上式中 為混凝土棱柱體抗壓強度； 為鋼筋混凝土構件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。

對于碳纖維布補強加固的鋼筋混凝土適筋梁,其適用條件為：受壓區高度 不宜大于 ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過40%；加固后在荷載效應標準組合下受拉鋼筋的拉應力不宜超過鋼筋的抗拉強度標準值。

當計算得到的相對受壓區高度 高度不大于 ,或者小于 時,應對碳纖維片材的厚度進行折減,具體計算方法詳見技術規程的有關部分。其中 為碳纖維片材達到其允許拉應變與混凝土壓壞同時發生時的相對受壓區高度。

工程實例1：某混合結構,原設計為教室,后因使用要求的變化改為書庫。由于樓面荷載的增加,使得按原荷載設計的進深梁抗彎強度不足,需要進行補強加固處理。該梁跨度為5m,截面尺寸為 ,按原使用荷載計算的跨中彎矩為 。受力鋼筋為3Ф18 ,設計強度為 ,混凝土的強度等級可取為 ,使用功能改變后要求梁的抗彎承載力增加到 。按照現行的混凝土規范計算得到原設計能承受的彎矩為 （此建筑物按89規范設計,如果按照89混凝土規范里的材料強度取值來計算則 ）,對該梁采用碳纖維布進行補強,在梁底粘貼兩層兩條寬 ,厚度為 的碳纖維布（碳纖維布的抗拉強度為 ）。有 , ,滿足公式計算要求。則有 。選用兩條的加固方案,一是考慮到分條加固的效果比整條好,二是考慮到兩條布同時失效的概率小,可提高加固后構件的安全度。

工程實例2：某住宅小區由于施工的原因,樓板出現了大量的貫通裂縫,有的出現于板角,有的出現于板跨中,在住戶中造成了很大影響。后采用碳纖維布進行補強,在用樹脂封閉裂縫后,選用 寬的碳纖維布在板角處的板面放射狀布置,在跨中的板底按間距 沿裂縫走向布置,取得了很好的效果。

碳纖維布補強加固鋼筋混凝土受彎構件的斜截面承載力：

碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時,其抗剪效果作用和箍筋類似,梁在彎剪受力時,傳力模型是桁架機構與拉桿拱機構的復合傳力機制。

剪跨比小 時,發生斜壓破壞。碳纖維的應變發展速度較慢,在構件達到zui大受剪承載力時,碳纖維的應變相對較小,其對抗剪承載力的貢獻也較小,加固效果不明顯。