CN104153594B - 一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，其包括如下步骤：首先根据钢筋混凝土构件的各个物理参数确定出每片碳纤维复合材的长度和加固层数，然后根据该长度和加固层数将碳纤维复合材沿着与直剪面垂直的方向敷设在钢筋混凝土构件的表面；本发明对碳纤维复合材的使用量进行了精确确定，能够合理科学地控制碳纤维复合材的使用量，以最少的碳纤维复合材的消耗使钢筋混凝土构件的直剪性能得到最大的提高。

Description

一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法

技术领域

本发明属于混凝土结构加固技术领域，涉及一种提高构件直剪承载力的方法。

背景技术

钢筋混凝土结构是目前最广泛使用的一种结构形式。混凝土构件有多种基本的破坏形式，其中，直剪破坏是较为常见的一种形式。一般而言，混凝土构件在下面两个地方易发生直剪破坏：一是在截面存在的细小裂缝处或材料突变处(如新老混凝土交界面)；二是承受较大剪力传递的截面处。房屋功能提升等原因可导致混凝土构件的直剪承载力不足，此时需要加固混凝土构件的直剪性能以提高承载力。

按照混凝土结构加固的一般理论，用于提高混凝土结构直剪承载力的常见加固方法包括以下几种：增大截面法、置换混凝土加固法、外加预应力加固法、粘贴纤维复合材加固法、粘贴钢板加固法等。但在工程实际中，除置换混凝土加固法外，增大截面法、外加预应力加固法和粘贴钢板加固法这几种方法仅存有概念，加固原理不明确，也没有具体方法。粘贴纤维复合材加固法具有材料轻质高强、施工简便、可曲面或转折粘贴、价格较低廉等特点，近十年在混凝土构件抗弯、抗斜剪等加固中得到了广泛的应用，但目前没有发现作为抗直剪加固的报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法能够精确确定出用于加固钢筋混凝土构件的碳纤维复合材的使用量。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，包括如下步骤：

(1)确定每片碳纤维复合材的长度和加固层数；

(2)将底层树脂涂刷在钢筋混凝土构件的预加固部位的表面，形成基面；

(3)按照加固层数在基面上逐层敷设碳纤维复合材。

其中，步骤(1)包括：

第一步、确定碳纤维复合材的加固率；加固率的确定公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{(F_2/A_c)-0.117f_c-{\mathrm{\ρ}}_s{f}_y}{0.505f_u^{*}},$

其中，A_c为直剪面的面积，f_c为混凝土材料的强度设计值，f_y为直剪钢筋的强度设计值，ρ_s为直剪钢筋的配筋率，为碳纤维复合材的抗拉强度设计值，F₂为钢筋混凝土构件的直剪承载力设计值，ρ_f为碳纤维复合材加固率；

第二步、确定碳纤维复合材的面积；面积的确定公式如下：

A_P＝ρ_fA_c，

其中，A_p为碳纤维复合材的面积；

第三步、确定碳纤维复合材的长度和加固层数；碳纤维复合材的长度和加固层数的确定公式如下：

$\mathrm{nb}=\frac{A_P}{t_f},$

其中，b为碳纤维复合材的长度，以100mm为模数；n为加固层数，取1～3；t_f为碳纤维复合材的厚度。

在步骤(2)中，在涂刷底层树脂前先在预加固部位的表面磨去表层，优选地，表层的厚度为1～2mm。

在步骤(2)中，在磨去表层后并且在涂刷底层树脂前还在预加固部位的阳角处或阴角处修整出圆弧，优选地，圆弧的半径不小于20mm。

在步骤(2)中，在磨去表层前先补平预加固部位的表面，包括：

当预加固部位表面存在缺陷时，凿除该缺陷后用高强砂浆修补或用结构胶填平，丙酮擦拭；

当预加固部位表面存在小于0.2mm的裂缝时，用环氧树脂胶泥填平，丙酮擦拭；

当预加固部位表面存在大于或等于0.2mm的裂缝时，用环氧树脂灌缝，丙酮擦拭。

在步骤(2)中，基面的厚度不超过0.4mm。

在步骤(3)中，碳纤维复合材在敷设完毕后还在不低于5℃的条件下自然养护至少24小时。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

因为本发明的方法先根据钢筋混凝土构件的各个物理参数确定出碳纤维复合材的长度和加固层数，再根据长度和加固层数对钢筋混凝土构件进行加固，所以本发明能够精确控制碳纤维复合材的使用量，减少了碳纤维复合材的消耗量并降低了加固成本。

附图说明

图1为没有加固的钢筋混凝土构件的主视图。

图2为没有加固的钢筋混凝土构件的侧视图。

图3为具有内置直剪钢筋的钢筋混凝土构件的主视图。

图4为具有内置直剪钢筋的钢筋混凝土构件的侧视图。

图5为具有内置和外置直剪钢筋的钢筋混凝土构件的主视图。

图6为具有内置和外置直剪钢筋的钢筋混凝土构件的侧视图。

图7为具有内置直剪钢筋和粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的主视图。

图8为具有内置直剪钢筋和粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的侧视图。

图9为本发明实施例一的粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的主视图。

图10为本发明实施例一的粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的侧视图。

图11为本发明实施例一的粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的俯视图。

附图标记：

钢筋混凝土构件1、直剪钢筋2、碳纤维复合材3、直剪面4、直剪钢筋5。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，该方法使用碳纤维复合材对Z型钢筋混凝土构件进行加固，以提高其直剪承载力。

采用碳纤维复合材对Z型钢筋混凝土构件进行加固的原理如下：

当钢筋混凝土构件在某截面发生直剪破坏时，必然伴随该截面附近区域混凝土的侧向膨胀变形。因而，可利用碳纤维复合材较好的受拉性能，在潜在的直剪破坏截面的外表面附近粘贴碳纤维复合材。受荷后，该处的碳纤维复合材会产生拉力。这种拉力相当于在混凝土中埋设直剪钢筋，相当于增大了直剪钢筋的配筋率，从而显著提高了钢筋混凝土构件的直剪承载力。具体说明如下：

如图1和图2所示，竖直方向的箭头表示在Z型钢筋混凝土构件上施加的直剪力，直剪面4如图1中虚线所示。在直剪力的作用下，Z型钢筋混凝土构件将发生侧向膨胀变形，变形的方向如图1中水平箭头所示。

如图3和图4所示，为了防止其发生侧向膨胀变形，可以在Z型钢筋混凝土构件内部配置直剪钢筋2。

如图5和图6所示，如果Z型钢筋混凝土构件在施工时内部没有配置直剪钢筋2或配筋不足，则也可以在已经成型的Z型钢筋混凝土构件外部“粘贴”直剪钢筋5，但会产生“粘贴”的直剪钢筋5不易锚固到Z型钢筋混凝土构件的问题。

如图7和图8所示，为了克服此问题，可以用碳纤维复合材代替直剪钢筋2粘贴在Z型钢筋混凝土构件表面。从受力机理上看，由于钢筋混凝土是一种由骨料、水泥砂浆等组成的多相复合材料，根据直剪分量模型，Z型钢筋混凝土构件的直剪抗力由接触摩擦力、骨料咬合力、过渡区粘结作用、剪胀作用和销栓作用等5个分量组成。提高侧向夹紧力可提高接触摩擦力、骨料咬合力、过渡区粘结作用和剪胀作用等4个分量，而对销栓作用分量则几乎没有影响。但由于销栓作用对直剪承载力的贡献不大(一般认为不超过15％)，故采用在Z型钢筋混凝土构件上粘贴碳纤维复合材对其进行加固能够提高Z型钢筋混凝土构件的直剪承载力，并且施工简便、加固效果好。

基于上述原理，采用碳纤维复合材对Z型钢筋混凝土构件进行加固的方法包括如下步骤：

(1)、确定步骤：根据钢筋混凝土构件的直剪承载力设计值F₂和直剪面的面积A_c(即钢筋混凝土构件的截面面积)、混凝土材料的强度设计值f_c、钢筋混凝土构件中已配置的直剪钢筋的强度设计值f_y、直剪钢筋的配筋率ρ_s以及所选取的碳纤维复合材的抗拉强度设计值确定出每片碳纤维复合材的长度b和加固层数n；

(2)、剪裁步骤：按照确定出的长度b和宽度400mm将基材裁剪成多片碳纤维复合材；

(3)、补平步骤：确定预加固部位，补平预加固部位的表面上存在的缺陷或者裂缝；

(4)、打磨步骤：在预加固部位补平后的表面上打磨去1～2mm的表层；

(5)、修整步骤：在预加固部位的阳角处或阴角处修整出半径不小于20mm的圆弧；

(6)、涂刷步骤：将底层树脂涂刷在经过修整后的预加固部位的表面，形成基面；

(7)、敷设步骤：在预加固部位按照加固层数逐层敷设碳纤维复合材；

(8)、养护步骤：在不低于5℃的养护气温下自然养护24小时。

其中，步骤(1)根据预加固的钢筋混凝土构件自身的物理性质确定出所需的碳纤维复合材的长度b和加固层数n，从而精确确定出碳纤维复合材的加固量，使得碳纤维复合材以最少的使用量取得最佳的加固效果。

步骤(1)具体包括以下步骤：

第一步、确定钢筋混凝土构件的加固率；加固率的确定公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{(F_2/A_c)-0.117f_c-{\text{\ρ}}_s{f}_y}{0.505f_u^{*}},$

其中，A_c为潜在的直剪面的面积；f_c为混凝土材料的强度设计值；f_y为直剪钢筋的强度设计值；ρ_s为直剪钢筋的配筋率；为碳纤维复合材的抗拉强度设计值；F₂为钢筋混凝土构件直剪承载力设计值；ρ_f为碳纤维复合材的加固率；

第二步、确定碳纤维复合材的面积；面积的确定公式如下：

A_P＝ρ_fA_c，

其中，A_p为碳纤维复合材的面积；

第三步、确定碳纤维复合材的长度和加固层数；碳纤维复合材的长度和加固层数的确定公式如下：

$\mathrm{nb}=\frac{A_P}{t_f},$

其中，b为长度，一般以100mm为模数；n为加固层数，取1～3；t_f为碳纤维复合材的厚度。通过选取合适的t_f和n值，使得确定出的b与钢筋混凝土构件潜在的直剪面的长度相接近。加固层数、碳纤维复合材的长度、宽度构成了碳纤维复合材的使用量。

在步骤(2)中，碳纤维复合材在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁弯折。在剪裁时，用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸进行裁切，长度不超过6米。为防止碳纤维复合材在保管过程中损坏，碳纤维复合材每次的裁切数量应以当天的用量为准。

如果预加固部位的表面上不存在缺陷或者裂缝，则可以忽略步骤(3)。步骤(3)具体包括：

当预加固部位表面存在较大的剥落、蜂窝、腐蚀等缺陷时，凿除该缺陷后用高强砂浆修补或结构胶填平，丙酮擦拭，用2m的直边靠尺检查表面水平方向的差异，然后再进行步骤(4)；

当预加固部位表面存在小于0.2mm的裂缝时，用环氧树脂胶泥填平，丙酮擦拭，用2m的直边靠尺检查表面水平方向的差异，然后再进行步骤(4)；

当预加固部位表面存在大于或等于0.2mm的裂缝，用环氧树脂灌缝，丙酮擦拭，用2m的直边靠尺检查表面水平方向的差异，然后再进行步骤(4)。

在上述步骤中，用丙酮擦拭的目的是除去表面灰尘。用直边尺检查差异是为了保证任何方向上2m范围内水平方向的最大允许差异在±3mm内。

步骤(4)的打磨过程和步骤(5)的修整过程均采用角磨机进行，打磨和修整完毕后用压缩空气吹净浮尘、粉饰层、油垢或污物等。

在步骤(5)的修整过程中，在预加固部位的阳角处或阴角处修整出圆弧，其目的是使得碳纤维复合材中的拉力可以连续传递，避免在直角处中断。

步骤(6)所使用的底层树脂为市售产品，应按照产品说明书的要求配制，即按一定比例将A组份和B组份放置入容器内并搅拌均匀，直到完全看不到不同颜色色条为止。用滚筒刷将底层树脂涂刷在经过修整后的预加固部位的表面，厚度不超过0.4mm，并不得漏涂或流淌、气泡，形成基面。

在步骤(7)中，首先将一片碳纤维复合材敷设在基面上，用带齿塑料刮板以45度角从开始端沿延伸方向轻轻用力反复刮压，直至底层树脂渗出。挤除气泡，使底层树脂充分浸透碳纤维复合材。按照加固层数逐层敷设碳纤维复合材，待碳纤维复合材表面浸渍的树脂指触干燥后，尽快进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维复合材的表面均匀涂抹浸渍胶两次。在敷设时，仅将碳纤维复合材粘贴在预加固部位的外表面(也即潜在破坏面)，而不是环绕其四周。这考虑到了两个因素，一是工程中大部分钢筋混凝土构件不具备环绕其四周粘贴的条件；二是只要粘贴碳纤维复合材的锚固长度足够，使其不过早发生锚固破坏即可。

在步骤(8)中，将粘贴好的碳纤维布复合材自然养护24小时。养护过程中应保证加固试件不受干扰，如可采用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。碳纤维复合材粘贴后达到设计强度一般需要1～2周。

碳纤维复合材的加固效果如表1所示：

表1粘贴纤维复合材加固法的加固效果表

注：碳纤维复合材为某品牌300g及相应结构胶，混凝土材料强度等级C30，钢筋材料HRB400(实测屈服强度435MPa)。

由表1可知，在碳纤维复合材加固率为0.15％～0.3％的情况下，钢筋混凝土构件的直剪承载力可提高15.1％～27.6％。与其他的方法相比，本发明的方法具有材料轻质高强、施工简便、可曲面或转折粘贴、价格较低廉的特点。

实施例

如图9、图10和图11所示，碳纤维复合材逐层敷设在钢筋混凝土构件预加固部位的外表面上。在载荷F的作用下，碳纤维复合材向直剪面4的两侧拉伸(即图9所示的双箭头指示的方向X)。碳纤维复合材的长度b随着钢筋混凝土构件的具体参数的不同而变化，本实施例中以长度为400mm为例进行说明。在粘贴时，碳纤维复合材沿与潜在的直剪面4相垂直的方向垂直粘贴在加固部位，并且保证直剪面4在长度方向上平分该片碳纤维复合材，即加固部位的长度为直剪面4分别向长度方向各延伸200mm，使得加固部位的长度等于每片碳纤维复合材的长度b，加固部位的宽度等于多片碳纤维复合材依次相邻排列所形成碳纤维复合层的宽度w。直剪面4在长度方向上平分每片碳纤维复合材可以保证碳纤维复合材具有足够的锚固长度，使得钢筋混凝土构件在加固后不会因锚固长度不足而提前破坏。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、确定每片碳纤维复合材的长度和加固层数；

(2)、将底层树脂涂刷在所述钢筋混凝土构件的预加固部位的表面，形成基面；

(3)、按照所述加固层数在所述基面上逐层敷设所述碳纤维复合材；

所述步骤(1)包括：

第一步、确定所述碳纤维复合材的加固率；所述加固率的确定公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{(F_2/A_c)-0.117f_c-{\mathrm{\ρ}}_s{f}_y}{0.505f_u^{*}},$

其中，A_c为直剪面的面积，f_c为混凝土材料的强度设计值，f_y为直剪钢筋的强度设计值，ρ_s为直剪钢筋的配筋率，为所述碳纤维复合材的抗拉强度设计值，F₂为所述钢筋混凝土构件的直剪承载力设计值，ρ_f为所述碳纤维复合材加固率；

第二步、确定所述碳纤维复合材的面积；所述面积的确定公式如下：

A_P＝ρ_fA_c，

其中，A_p为所述碳纤维复合材的面积；

第三步、确定所述碳纤维复合材的长度和所述加固层数；所述碳纤维复合材的长度和所述加固层数的确定公式如下：

$nb=\frac{A_P}{t_f},$

其中，b为所述碳纤维复合材的长度，以100mm为模数；n为所述加固层数，取1～3；t_f为碳纤维复合材的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，在涂刷所述底层树脂前先在所述预加固部位的表面磨去表层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述表层的厚度为1～2mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，在磨去所述表层后并且在涂刷所述底层树脂前还在所述预加固部位的阳角处或阴角处修整出圆弧。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述圆弧的半径不小于20mm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，在磨去所述表层前先补平所述预加固部位的表面，包括：

当所述预加固部位表面存在小于0.2mm的裂缝时，用环氧树脂胶泥填平，丙酮擦拭；

当所述预加固部位表面存在大于或等于0.2mm的裂缝时，用环氧树脂灌缝，丙酮擦拭。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述基面的厚度不超过0.4mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述碳纤维复合材在敷设完毕后还在不低于5℃的条件下自然养护至少24小时。