鋼筋混凝土框架平面節(jié)點處碳纖維布

補強加固模型試驗方案研究

上海市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心普陀區(qū)分中心 姚剛

一、內(nèi)容簡介

碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)是近年來國際上的一項新興技術(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。在節(jié)點、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。

本文的重點是對于當前碳纖維加固現(xiàn)狀存在的失效問題（剝離）有

針對性地提出了適宜的加固方案，通過對比試驗提出了合適的碳纖維的錨固方式、錨固長度和碳纖維布的粘貼層數(shù)。文中對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，本文還對碳纖維布加固設(shè)計的原則及方法、施工步驟及要點進行了闡述。

關(guān)鍵詞：碳纖維加固方案框架梁柱節(jié)點鋼筋混凝土

二、設(shè)計思想

一般而言，框架節(jié)點指框架梁與框架柱相交的節(jié)點核心區(qū)與鄰近核心區(qū)的梁端和柱端。一個平面框架，就有四種基本形式的節(jié)點。即:頂層邊柱節(jié)點；頂層中柱節(jié)點(T 型)；邊柱節(jié)點；中柱節(jié)點(+型)。

節(jié)點是一個重要的部位，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。

正如法國抗震設(shè)計規(guī)范所指出的:“節(jié)點在地震情況下，為框架最易受損的部分。對結(jié)構(gòu)抗震而言，節(jié)點的研究比一般結(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)點部位處用碳纖維布補強加固提供錨固的處理方法,對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)補強加固,提高結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性有指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

近年來，在實際工程中，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，由國內(nèi)外研究資料來看，對框架節(jié)點的加固研究尚少。主要存在以下問題：一是沒有專門針對節(jié)點加固的研究，而是集中在梁、柱的加固研究上；二是把節(jié)點加固等同與梁、柱等構(gòu)件的加固，忽視了節(jié)點構(gòu)件本身的特殊性；三是即便有對節(jié)點加固的研究，也大多是對于節(jié)點核心區(qū)的研究，而針對節(jié)點核心區(qū)附近的梁端（梁的負彎距區(qū)域）和柱端的加固研究少之甚少。

本文考慮到當前加固現(xiàn)狀存在的失效問題（剝離）有針對性地對梁的負彎距區(qū)域提出了適宜的加固方案，通過對比試驗提出了合適的纖維布的錨固方式、錨固長度和粘貼層數(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，本課題主要研究內(nèi)容為：

1.碳纖維布的錨固長度研究及提出簡便的錨固長度計算公式；

2.梁柱節(jié)點內(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（圖中藍色區(qū)域為梁的負彎矩區(qū)域）

三、設(shè)計方法

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

度不同會對加固效果產(chǎn)生不同的影響，共設(shè)計了13 個試件。J1 為對比件,對J2-R～J13-R 先進行破損加載,模擬中小地震中的損傷,然后進行灌縫修復(fù)和粘貼碳纖維加固。為了使對比效果明顯并使問題簡單化,所有試件采用了統(tǒng)一規(guī)格。混凝土強度等級為C25，梁和柱子的主筋為Ⅱ級鋼,箍筋及架立筋為Ⅰ級鋼。試件情況見表1。

試驗共分為兩組進行。

第一組：對J1（對比件）、J2-R、J8-R 進行試驗。即在相同的粘貼

層數(shù)和相同的錨固長度條件下，對比哪種錨固方式對提高構(gòu)件承載能力更加有利。通過查閱相關(guān)文獻并分析得：采用膨脹螺栓錨固更好。在此前提下進行第二組試驗。

第二組：對J2-R～J7-R 進行試驗（考慮到粘貼層數(shù)和錨固長度之間有關(guān)系，所以需逐個進行試驗）。

經(jīng)過兩組試驗的對比，就能知道哪種加固方案最好了。

表1 試件基本情況

膨脹螺栓錨固方式見圖2；樹脂錨桿錨固方式見圖3。

圖2 膨脹螺栓錨固形式

圖3 樹脂錨桿錨固形式

1 試件的尺寸和配筋

本試驗的試件尺寸是參考中高層框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的實際設(shè)計情況而制作的，力求使試驗的設(shè)計對象能與實際相符。試件設(shè)計成比例為1:1 的試件，加荷位置基本位于梁反彎點處。

試驗構(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 試驗加固方案

⑴ 碳纖維布加固方案

本試驗是研究碳纖維布對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁的負彎距區(qū)域及臨近此區(qū)域的節(jié)點柱端的加固，但為了避免在試驗加載過程中構(gòu)件先產(chǎn)生剪切破壞，因此對梁端和柱端也進行了抗剪加固（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)老師等多方面意見后，試驗中加固方法定為:柱的4 個側(cè)面用長度是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彎距區(qū)域及節(jié)點柱端。本試驗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

本試驗鋼筋應(yīng)變片布置在節(jié)點區(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。所測數(shù)據(jù)由電阻應(yīng)變儀讀出。

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 試驗裝置

本試驗裝置如圖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 試驗加載裝置

4 本試驗測量內(nèi)容

⑴.試驗過程中節(jié)點處梁、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和千斤頂上的拉壓傳感器的信號通過動態(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.試驗過程中觀察裂縫發(fā)展及錨固破壞情況，試驗后將補強加固節(jié)點的錨固裝置及碳纖維布剝開，觀察試件破壞情況，找出最優(yōu)錨固方案。

四、結(jié)論

通過研究碳纖維布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對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度。雖然由于條件的限制沒有進行具體的試驗研究，但本人參考了諸多國內(nèi)外的相關(guān)文獻，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)濟和實用角度來看,本人認為貼2 層碳纖維布是最佳的選擇。

⑵.梁柱節(jié)點內(nèi)折角處碳纖維布使用膨脹螺栓錨固的方式更適宜。

⑶.碳纖維布的錨固長度與其層數(shù)有關(guān)，其關(guān)系基本符合經(jīng)驗公式：

L≧250×n（㎜）（n 為碳纖維布的粘貼層數(shù)）。

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