CN106567555B - 一种表面斜贴纤维复合材提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面斜贴纤维复合材提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，其包括如下步骤：首先选定碳纤维复合材与直剪面呈70度，然后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宽度和加固层数，最后将碳纤维复合材敷设在钢筋混凝土构件的表面；相比碳纤维复合材与直剪面垂直粘贴的情况，本发明仅仅采用斜贴的方法而其他工序不变，可以提高钢筋混凝土构件直剪承载力平均约xx，技术效果显著变优。本方法通过碳纤维复合材料增加夹紧力和直接抵抗直剪力两种方式，使得钢筋混凝土构件的直剪性能得到提高。

Description

一种表面斜贴纤维复合材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，常发生在：(1)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)；或是(2)承受较大剪力传递的截面处。目前我国正在大力推行的预制混凝土结构中大量存在属于(1)的截面。如果因房屋功能提升等原因导致构件直剪承载力不足，常规的解决办法是加固混凝土构件的直剪性能以提高承载力。

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。

对于直剪性能的加固，最接近现有：

目前在先公开的相关技术方案(类型：发明，专利申请号：201410380171.1，申请人：同济大学)，)，该专利技术方案将纤维复合材与直剪面垂直粘贴以提升构件直剪承载力。

发明内容

本发明目的在于进一步优化最接近现有技术，提供一种高效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纤维复合材粘贴角度和使用量，提高加固效果。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种采用斜向粘贴碳纤维复合材提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，包括如下步骤：

(1)选定碳纤维复合材与直剪面粘贴的角度为50度-85度范围内，确定其宽度和加固层数；

(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；按照所述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、选定碳纤维布适宜的加固角度，即碳纤维布与直剪面呈50度-85度范围内(优选设置70度)；

第二步、确定碳纤维复合材的加固率；加固率的确定公式如下：

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

第三步、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；

第四步、确定碳纤维复合材的宽度和加固层数；碳纤维复合材的宽度和加固层数的确定公式如下：

其中，b为碳纤维复合材的宽度，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，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。

之后，在步骤(2)中，在预加固部位的表面磨去表层，优选地，表层的厚度为1～2mm。

接着，在步骤(2)中，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。

最后，在步骤(2)中，基面的厚度不超过0.4mm。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。

本发明与现有技术最接技术方案相比，区别在于纤维复合材斜向粘贴，加固效果变优。相比纤维复合材与直剪面垂直粘贴的情况，斜贴纤维复合材直剪承载力可额外平均提高12.1％，工序不变，材料与人工的消耗几乎一样。

由于采用上述方案，与已有方法相比，本发明的有益效果是：

本发明没有改变已有的工序，即计算(包括确定角度、宽度和层数)－施工(包括补平、打磨表层、修整圆弧、涂刷形成基层、敷设碳纤维复合材和养护)。但是给出了优化的角度即70度，从而使得直剪承载力可额外平均提高12.1％。耗费的材料和人工几乎没有增加，工期和造价也几乎一样。这是因为，已有方法仅仅利用纤维复合材提供侧向夹紧力来达到直剪承载力的提高，这是一种被动加固策略。而本发明则同时采用了提供侧向夹紧力和直接提供直剪抗力两个办法，即采用了被动和主动两种加固策略。增强了加固效果。

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为直剪承载力的5个分量示意图。

图3为具有内置直剪钢筋和斜向粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的主视图。

图4为具有内置直剪钢筋和斜向粘贴了碳纤维复合材的钢筋混凝土构件的侧视图。

图5为具有内置直剪钢筋和斜向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、碳纤维复合材拉力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。

本发明提供了一种通过在表面斜向粘贴纤维复合材来提高钢筋混凝土构件直剪承载力的方法，以Z型钢筋混凝土构件为例说明加固方法。

采用斜向粘贴碳纤维复合材对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竖向截面发生直剪破坏时，必然伴随两个反应，即该截面附近区域混凝土的横向膨胀变形，以及滑移面相对的竖向位移。相应地，钢筋混凝土构件直剪抗力来源于5个分量：骨料与砂浆间界面的粘聚力、界面的摩擦力、骨料咬合力、因横向膨胀变形导致的剪胀力、以及钢筋的销栓作用。增加埋设的直剪钢筋含量可提高直剪承载力，这是因为，增加钢筋含量相当于限制横向膨胀变形，从而增加前4个直剪分量。同时，钢筋量的增加也促使销栓作用增大。

采用目前已有的加固方法，即沿直剪面垂直的方向粘贴碳纤维复合材(即90度角度粘贴)，相当于增加钢筋含量。但由于碳纤维复合材在垂直与纤维方向的刚度近似为零，可增加前4个直剪分量，而不增大销栓作用。由于销栓作用对直剪承载力的贡献并不大(一般认为不超过15％)，故目前的加固方法仍有较明显的加固效果。此外可见，已有方法充分利用了直剪受力过程中的第一个反应，即混凝土的横向膨胀变形。

本发明提出将碳纤维复合材斜向粘贴的技术方案，该优化角度为70度(作为最优实施例)，加固效果更佳。加固效果佳的原因有以下2点。一是充分利用构件直剪受力后的第二个反应——滑移面相对的竖向位移。将碳纤维复合材斜向粘贴后，碳纤维复合材受拉后产生竖向分量，直接抵抗直剪。二是与目前的方法类似，充分利用了构件直剪受力后的第一个反应——混凝土的横向膨胀变形。两个原因导致本发明方法加固效应变优。可见，相比现有方法，本发明的方法思路独特巧妙，实现简单，但效果显著，具有创造性。

具体说明如下：

如图1所示，竖直方向的粗实线箭头表示在Z型钢筋混凝土构件上施加的直剪力F，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横向膨胀变形以及相对竖向位移，变形的方向分别如图1中水平和竖向的细实线带箭头线段所示。

图2示意了钢筋混凝土直剪抗力的5个分量，分别是骨料与砂浆间界面的粘聚力、界面的摩擦力、骨料咬合力、因横向膨胀变形导致的剪胀力、以及钢筋的销栓作用。

如图3至图5所示，将碳纤维复合材斜向粘贴在Z型钢筋混凝土构件表面上，碳纤维复合材拉力的水平分量控制混凝土横向膨胀变形，引起直剪抗力的前4个分量增加；其竖向分量直接抵抗直剪力。这样，相比与仅仅将碳纤维复合材水平粘贴的方案，斜向粘贴方案附加提供了竖向分量且不削弱水平夹紧力，从而使得在碳纤维复合材总用量基本相同的情况下，加固效率变优，并且不增加施工作业量，加固效果好。

基于上述原理，采用斜贴碳纤维复合材对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)、混凝土材料的抗压强度f_c、钢筋混凝土构件中已配置的直剪钢筋的受拉强度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优选斜贴角度θ为70度，确定出每片碳纤维复合材的宽度b和加固层数n；

(2)、剪裁步骤：按照确定出的宽度b和400mm长度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)根据拟加固的钢筋混凝土构件自身的物理性质确定出斜贴角度、所需的碳纤维复合材的宽度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、选定碳纤维布适宜的加固角度，即碳纤维布与直剪面呈70度；

第二步、确定钢筋混凝土构件的加固率；加固率的确定公式如下：

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

第三步、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；

第四步、确定碳纤维复合材的宽度和加固层数；碳纤维复合材的宽度和加固层数的确定公式如下：

其中，b为宽度，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。

步骤(2)～(8)为已有方法的常规步骤。

在碳纤维复合材加固率为0.3％的情况下，斜贴碳纤维复合材的加固效果如表1所示：

表1 斜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450MPa)。直剪面尺寸210mm*320mm。

由表1可知，在碳纤维复合材加固率为0.3％的情况下，粘贴角度在优化角度70度时，钢筋混凝土构件的直剪承载力可提高21％～51％。相比粘贴角度为90度的情况，粘贴角度为优化角度时加固效果更优，即有6.6％～17.5％不等、平均12.1％的进一步的额外的提高。这个比例对混凝土构件加固效果而言，是显著的。采用其他斜向粘贴角度，达不到最优的效果。与其他的加固方法相比，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

与图3、图4和图5类似，将碳纤维复合材逐层敷设在钢筋混凝土构件拟加固部位的外表面上。在载荷F的作用下，碳纤维复合材沿着碳纤维方向拉伸。本实施例中以敷设宽度为200mm，长度为400mm的碳纤维复合材为例进行说明。在粘贴时，碳纤维复合材沿与潜在的直剪面4呈70度粘贴在加固部位，并向长度方向各延伸锚固长度，本实施例中锚固长度取200mm。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 (6)

1.一种采用斜向粘贴碳纤维复合材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)、选定碳纤维复合材与直剪面粘贴的角度为70度，然后确定其宽度和加固层数；

(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；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、选定碳纤维布的粘贴角度，即碳纤维布与直剪面呈70度；

第二步、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：

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

第三步、确定所述碳纤维复合材的面积；所述碳纤维复合材的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；

第四步、确定所述碳纤维复合材的宽度和所述加固层数；所述碳纤维复合材的宽度和所述加固层数的确定公式如下：

其中，b为所述碳纤维复合材的宽度，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，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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，在补平所述预加固部位的表面之后，在所述预加固部位的表面磨去表层；所述表层的厚度为1～2mm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，在磨去所述表层后，在所述预加固部位的阳角处或阴角处修整出圆弧；所述圆弧的半径不小于20mm。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，修整出圆弧后，所述基面的厚度不超过0.4mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)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。