纖維復(fù)合材加固受彎構(gòu)件規(guī)范條文的理解應(yīng)用

李文瑞

(晉城市建筑設(shè)計院，山西晉城 048000)

0 引言

纖維復(fù)合材加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法，它是利用樹脂類粘結(jié)材料將高強纖維織物粘結(jié)于混凝土表面，從而達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固的目的。目前被廣泛使用的碳纖維復(fù)合材具有比鋼材高出10倍左右的抗拉強度，其彈性模量比鋼材高或接近。它可以代替鋼筋應(yīng)用于混凝土的抗彎、抗剪加固，直接有效地提高其承載能力;通過用碳纖維布環(huán)向裹筋(環(huán)箍)，可間接提高核心混凝土的強度和延性，而將其應(yīng)用于框架節(jié)點和受壓柱的承載力加固及提高結(jié)構(gòu)抗震的延性和耗能能力。因此，與傳統(tǒng)的加固方法相比，碳纖維加固具有明顯的優(yōu)點:高強、輕質(zhì)、高效、施工簡便。近年來被廣泛應(yīng)用在各類工程加固中。2006年國家頒布了GB 50367-2006混凝土加固設(shè)計規(guī)范之后，加固設(shè)計，特別是粘結(jié)加固設(shè)計計算方法有了統(tǒng)一、明確的規(guī)定，對于規(guī)范和統(tǒng)一粘結(jié)加固的設(shè)計、施工標準具有重大意義。下面筆者根據(jù)對GB 50367-2006混凝土加固設(shè)計規(guī)范的學(xué)習(xí)和實際加固工程設(shè)計過程中遇到的情況，講幾點個人對于采用纖維復(fù)合材加固受彎構(gòu)件正截面的理解。

1 加固的目標與原則

1)原鋼筋混凝土梁具有一定的受彎承載力Mu，經(jīng)纖維復(fù)合材加固，增加纖維復(fù)合材有效截面面積Afe后該梁所能承擔(dān)的彎矩設(shè)計值為M，M＞Mu，一般設(shè)計過程為:經(jīng)計算先確定M，再推算Afe，進而算出實際需要粘貼的纖維復(fù)合截面面積Af。

2)加固后的鋼筋混凝土梁的受力特性和破壞形態(tài)應(yīng)控制在適筋破壞的狀態(tài)下，應(yīng)避免出現(xiàn)受拉鋼筋達到屈服前，并且纖維復(fù)合材應(yīng)力水平較低時受壓區(qū)混凝土先壓壞的超筋破壞形態(tài)，規(guī)范通過控制相對受壓區(qū)高度ξbf來實現(xiàn)這一目標。而對于少筋破壞形態(tài)，由于原鋼筋混凝土梁在設(shè)計時已經(jīng)考慮避免出現(xiàn)這一情況，再經(jīng)過纖維復(fù)合材加固，這種狀況一般不會出現(xiàn)。

3)對于經(jīng)纖維復(fù)合材加固后可能出現(xiàn)的混凝土保護層剪切受拉剝離破壞和復(fù)合材與混凝土基層間的粘結(jié)剝離破壞，規(guī)范主要通過:a.控制被加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件實測強度及表面正拉粘結(jié)強度(規(guī)范9.1.2條);b.保證纖維復(fù)合材粘貼延伸長度(規(guī)范9.2.5條);c.控制膠粘劑的物理力學(xué)性質(zhì)(規(guī)范4.5節(jié))等措施加以保證。

4)對于加固后的鋼筋混凝土梁正常使用階段裂縫和撓度控制要求及驗算公式，規(guī)范中沒有明確條文。a.關(guān)于驗算公式:實際情況中，由于被加固鋼筋混凝土梁的受力歷史、應(yīng)力水平、已有變形和裂縫情況，加固前允許的卸荷條件等情況較復(fù)雜，經(jīng)纖維復(fù)合材加固后的梁，其剛度和裂縫寬度驗算的理論和實驗結(jié)果方面缺少成熟的研究成果。因此《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中未提出明確條文加以控制，但是規(guī)范第9.2.10條及其條文說明中規(guī)定“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固后，其正截面受彎承載力的提高幅度不應(yīng)超過40%，并應(yīng)驗算其受剪承載力”。其目的就是為了控制加固后構(gòu)件的裂縫寬度和變形，并且也為了強調(diào)“強剪弱彎”設(shè)計原則的重要性?？梢娂庸桃?guī)范是通過對被加固梁承載力提高幅度的控制來間接進行變形裂縫控制的。b.關(guān)于撓度和裂縫控制要求:筆者認為應(yīng)延用GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中3.3節(jié)的有關(guān)規(guī)定，具體實際設(shè)計過程中的用法在后文中明確。

5)關(guān)于二次受力問題，所有加固構(gòu)件基本上都存在“二次受力”的問題，即原有構(gòu)件已經(jīng)承擔(dān)了一些荷載，相應(yīng)地已經(jīng)產(chǎn)生了變形和應(yīng)力、應(yīng)變，一般假定加固后構(gòu)件截面仍遵循平截面假定，即在后加荷載作用下，構(gòu)件橫截面上材料(如鋼筋與纖維材復(fù)合)的應(yīng)變的增量，符合平截面假定。在加固前如果原構(gòu)件受力較大，變形和應(yīng)力、應(yīng)變水平較高，則加固后在后加荷載作用下鋼筋很快達到屈服，導(dǎo)致構(gòu)件撓度、裂縫均較大，而此時纖維復(fù)合材的應(yīng)力水平還較低，不能充分發(fā)揮其材料性能，造成加固的性價比低。為盡量避免這一情況出現(xiàn)，使構(gòu)件原有材料與加固材料能在較大程度上共同工作，規(guī)范規(guī)定:“采用纖維復(fù)合材料鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固時，應(yīng)采取措施卸除或大部分卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載”。筆者認為，在條件許可的情況下應(yīng)盡量卸載(包括恒載)，并盡可能維持一段卸載時間，必要時可以對原結(jié)構(gòu)受拉區(qū)施加預(yù)壓應(yīng)力。

2 實際設(shè)計工作中遇到問題的處理

某工程為框架結(jié)構(gòu)，地上7層，6度設(shè)防，梁柱混凝土強度等級C30，主要樓板(除樓梯、衛(wèi)生間現(xiàn)澆外)為預(yù)應(yīng)力空心板，粘土磚空斗墻填充。主體完工后近十年未使用，近期擬改造成一賓館。由于規(guī)范調(diào)整、荷載變動、防火要求等原因，已有預(yù)應(yīng)力空心樓板和隔墻全部拆除，改為100厚現(xiàn)澆樓板，加氣混凝土砌塊墻填充，經(jīng)檢測和計算復(fù)核部分梁柱需加固，梁正截面承載力加固主要采用粘貼纖維復(fù)合材加固法。

2.1 裂縫和撓度控制問題

本工程加固時原有恒活荷載均已基本卸除，并已維持卸荷狀態(tài)一段時間，因此加固設(shè)計時未考慮二次受力的影響。但根據(jù)GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中3.3節(jié)的要求，考慮了撓度和裂縫控制。具體做法是:設(shè)計計算采用了SATWE軟件，并根據(jù)撓度和裂縫控制的要求生成需配鋼筋面積，需配鋼筋面積與梁中原有實配鋼筋面積比較，不足部分考慮加固。用需配鋼筋面積按單筋矩形截面梁反算(單筋矩形截面是SATWE程序計算配筋時模型)出梁在控制撓度裂縫情況下“需要”承擔(dān)的彎矩值，按加固規(guī)范的計算要求計算所需纖維復(fù)合材面積。

2.2 根據(jù)規(guī)范公式計算，當(dāng)受壓鋼筋A(yù)s'較多，受壓區(qū)高度 χ＜2α'的特殊情況

在某些情況下，梁受壓區(qū)實配鋼筋面積較大(如框架梁支座處梁頂需要加固時，梁底縱筋面積通常較大)，此時，將受壓區(qū)實配鋼筋面積代入公式計算受壓區(qū)高度χ時，如果算得χ＜2α'，則表示實際情況下受壓鋼筋不會充分利用:即不會達到受壓屈服狀態(tài)。按三種情況進行計算:1)不考慮受壓鋼筋影響;2)按規(guī)范公式計算;3)考慮受壓鋼筋不能達到充分利用，鋼筋壓應(yīng)力未知，為避免計算復(fù)雜，對受壓鋼筋重心取矩計算，有下列三種結(jié)果(見實例):

工程實例:某框架梁截面尺寸300×650，矩形截面(原設(shè)計樓板為預(yù)應(yīng)力空心板)，混凝土強度等級 C30，實配底筋經(jīng)計算，考慮裂縫控制的需配上筋為梁上除自重以外所有荷載全部卸除，不考慮二次受力影響，以此計算梁支座處粘貼復(fù)合纖維材所需要的面積。

解:

驗算:χ=80。

α1fcbx+fy'As'(h－α')－fyAs(h－h(huán)0)=1.0×14.3×300×80×(600－)+300×1 388×(600－40)－300×1 490×(600－560)=192.192 × 106+ 233.184 × 106－ 17.88 × 106=407.5 kN·m＞M=263.8 kN·m。

且按此加固后的梁所能承擔(dān)的彎矩是需要承擔(dān)彎矩的1.545倍，是加固前受彎承載力的1.795倍。

a.加固前(由于程序計算時不考慮受壓區(qū)鋼筋影響，仍按單筋受彎截面計算):

加固前受彎承載力Mu:

Mu=α1fcbχ=1×14.3×300×104.2×(560－227.04 kN·m。

b.加固后:

加固后需承受的彎矩M:

M=1×14.3×300×123.4×(560－=263.8 kN·m。

c.加固計算:

若不考慮受壓鋼筋影響:

混凝土受壓區(qū)高度:

纖維復(fù)合材強度利用系數(shù):

纖維復(fù)合材有效截面面積:

按規(guī)范中9.2.3條公式9.2.3-1考慮受壓鋼筋影響計算χ:

仍令χ=2α'，對受壓鋼筋截面重心取矩，該點同時也是混凝土受壓區(qū)高度的重心，因此彎矩計算不考慮受壓區(qū)混凝土，僅考慮受拉鋼筋和纖維復(fù)合材。

對上述情況進行驗算:

∑χ=0，Afe·ff+fyAs=σy'As'+α1fcb·2α'。

經(jīng)驗算可知:受壓鋼筋應(yīng)力σy'＜fy'。

小結(jié):筆者認為在受壓筋較多，混凝土受壓區(qū)高度χ＜2α'的情況下按照第3)種情況，對受壓鋼筋重心取矩計算Afe比較合理。按規(guī)范公式計算，考慮受壓筋充分利用，存在加固過強的情況，應(yīng)根據(jù)情況合理采用。

2.3 小結(jié)

在個別情況下，梁受壓區(qū)鋼筋(僅為架立筋或受力筋)直徑較細，箍筋配置不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中第10.2.10條的要求，即:箍筋應(yīng)做成封閉式，箍筋間距不應(yīng)大于15倍受壓縱筋最小直徑。在此情況下，建議不考慮受壓鋼筋的影響，按As'=0計算梁受壓區(qū)高度和纖維復(fù)合材面積。

[1]GB 50367-2006，混凝土加固設(shè)計規(guī)范[S].

[2]呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

[3]左成平，左明漢.混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固設(shè)計與算例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4]張 莉，于艷春.碳纖維布加固木梁抗彎性能全過程分析[J].山西建筑，2011，37(16):37-38.