碳纤维片材加固技术规程

2019-09-08 17:59 admin
1  总  则
 
1.0.1  本条指出制订本规程的目的和要求,并提出了碳纤维片材加固混凝土结构必须遵循的原则。
    碳纤维片材加固混凝土结构是一项应用外贴高性能复合材料加固结构的新技术。目前国内对碳纤维片材加固混凝土结构的理论和试验研究成果已较多,设计与施工水平正在逐步提高,加固工程量也迅速增加。制订本规程,是为了在确保碳纤维片材加固工程质量的前提下,使其在混凝土结构加固领域中的应用规范化,进一步推广应用该项技术,从而获得更好的经济效益和社会效益。
1.0.2  本规程的适用范围为房屋建筑和一般构筑物混凝土结构的加固设计、施工及验收。混凝土结构因设计失误、施工错误、荷载增加、使用功能改变等使结构和构件承载力不足,均可采用碳纤维片材进行加固处理。
1.0.3  在执行本规程的同时,尚应配合使用国家现行有关标准,如《混凝土结构设计规范》GB 50010等。
1.0.4  本规程规定结构长期使用温度不应高于60℃,是按常温固化结构胶粘剂的性能确定的。当采用与碳纤维片材相配套的耐高温胶粘剂,且有可靠依据时,可不受此规定限制。在特殊环境(腐蚀、放射、高温等)下采用碳纤维片材进行混凝土结构加固时,尚应遵守相应的国家现行有关标准的规定,采取必要的防护措施。这些措施包括结构加固完成后应进行的防护处理。
1.0.5  碳纤维片材加固混凝土结构前,应进行结构检测鉴定,并应以我国已发布的《工业厂房可靠性鉴定标准》GBJ 144和《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292为依据,评定原结构及其构件的可靠性程度,为碳纤维片材加固混凝土结构的设计和施工提供基本依据。
1.0.6  由于采用碳纤维片材加固混凝土结构是一项新技术,具有不同于其它加固方法的特殊性,故应由熟悉碳纤维复合材料性质及其加固方法的专业人员进行设计,并应由熟悉该技术作业的施工队伍进行施工,才能保证加固工程的安全和质量。否则,容易导致加固设计和施工的失误,造成事故和经济损失,影响该项新技术的正常应用。

3  材  料
3.1  一般要求
3.1.1  本条指出粘贴碳纤维片材加固方法所采用的材料种类,特别指出胶粘剂应是与碳纤维片材相适配的产品。这类材料进入市场前,应委托独立试验机构进行验证性试验。其试验报告应能证明该胶粘剂与配套碳纤维片材的粘结效果,以避免因胶粘剂与碳纤维片材不配套而造成加固效果降低或加固失效。
3.1.2  本条为加固用材料的一般要求。碳纤维片材和配套胶粘剂的性能必须符合本条的规定,才能作为混凝土结构加固用材料。使用不符合本条规定的产品进行结构加固,会导致加固失效甚至造成严重事故。
3.1.3  目前在加固工程中大量使用的是单向碳纤维片材,故本规程仅列出单向碳纤维片材的性能指标。至于双向或多向碳纤维片材,因试验数据不足,且工程实践经验过少,故在本规程中暂不予推荐使用。
3.2  碳纤维片材
3.2.1  本规程仅针对碳纤维布和碳纤维板两种制品形式,统称为碳纤维片材。
    碳纤维布的计算厚度为理论计算值,而不是碳纤维布的实测厚度,因为碳纤维布质地柔软,实测厚度离散性很大。碳纤维板的截面面积指含胶板材的实测截面面积。对碳纤维板产品应说明纤维的体积含量。常用碳纤维布的单位面积碳纤维质量、截面面积和计算厚度见表1。
表1  常用碳纤维布的单位面积质量、截面面积和计算厚度
纤维单位面积质量(g/m2) 密度(g/m2) 单位宽度的截面面积(mm2/m) 计算厚度(mm)
200 1.8×10-3 111 0.111
250 139 0.139
300 167 0.167
3.2.2  碳纤维材料具有强度高、弹性模量高、重量轻且耐腐蚀性好等特点。目前,在混凝土结构加固中一般使用高强度型碳纤维片材,其抗拉强度是普通钢筋的10倍左右,弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。另外,碳纤维没有类似钢筋的屈服点,在达到极限抗拉强度前,其应力——应变关系为线弹性。本规程的规定均以高强度型碳纤维片材为对象。当使用其它类型(如高模量型)的碳纤维片材时,应有可靠依据。当用于重要的建筑物的结构加固时,建议对碳纤维片材伸长率的要求予以适当提高。
3.2.4  试验研究和工程经验证明,单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量越大,施工时浸渍胶粘剂越不容易完全浸透,施工质量越难以保证,故作出了严格的限制性规定。至于本规程所说的碳纤维单位面积质量,是指现场复验时,按现行国家标准GB/T 9914.3进行检测所确定的单位面积质量。
3.2.5  碳纤维板过厚或过宽,施工质量均较难保证,所以在设计和施工时,都应使用宽度较小的碳纤维板。研究表明,碳纤维板中碳纤维体积含量在60%~70%时性能最好,故本规程对II级碳纤维板的纤维体积含量作出了不宜低于60%,且不应低于55%的规定。
3.3  配套胶粘剂
3.3.1  底胶的作用是增强混凝土表层,提高混凝土与修补胶及结构胶粘剂界面的粘结强度。修补胶的作用是填充混凝土的表面缺陷,并进行找平修整,使加固表面平整度符合要求。同时由于它与底胶及结构胶粘剂具有可靠的粘结强度,故形成了良好的粘结体系。当混凝土表观质量和平整度较好时,宜尽量减少修补胶的用量。结构胶粘剂是粘贴碳纤维布和碳纤维板等的主要粘结材料,其作用是使碳纤维丝之间、层之间以及其与混凝土之间充分粘结,以共同承受结构的作用。本条强调必须使用与碳纤维片材相配套的胶粘剂。
3.3.2  胶粘剂的安全性能必须满足本规程的有关要求。因为胶粘剂的性能与粘结质量和加固效果密切相关。若胶粘剂的安全性能达不到要求,必然导致加固效果严重降低,甚至加固失效。
3.3.3  胶粘剂与碳钢粘结的拉伸抗剪强度不仅最能反映结构胶粘剂的粘结特性,而且还是设计计算不可或缺的性能指标。因此,必须对其进行耐湿热老化性能检验。当按GB 50367规定的环境条件进行90d老化试验时,其钢对钢拉伸抗剪强度降低率不超过本规程规定值时,可认为其耐老化性能符合安全使用的要求。
3.4  表面防护材料
3.4.1  表面防护的作用是保护加固结构的碳纤维片材和胶粘剂免受外界不利环境的侵害,如紫外线照射、火灾等。表面防护材料的选择,可按国家现行有关标准的规定执行。需要指出,碳纤维片材不能当做防护材料使用。当被加固混凝土结构本身有防护要求时,采用碳纤维片材加固后还应采取相应的防护措施。必须保证防护材料与胶粘剂粘结可靠,变形协调。
3.4.2  本条强调对于有防火要求的建筑物,必须按照要求选择防火材料并进行防护处理,以保证加固后建筑物能够达到防火规范规定的防火等级。
3.4.3  当被加固结构本身需要按使用环境条件采取规定的防护措施时,结构加固后同样应按照相应国家标准的规定执行。

4  设计规定
4.1  一般规定
4.1.1  碳纤维片材不能设计为承受压力,但在反复荷载下碳纤维片材在经受一定的压力作用后,仍可承受拉力。
    碳纤维片材应采用配套树脂类粘结材料粘贴于构件表面,在构件受力过程中应与构件保持变形协调。应采取措施保证不发生因粘贴面过早剥离而导致加固效果显著降低。本规程的设计计算方法均基于这一前提建立。
4.1.2  到目前为止,碳纤维片材对钢筋混凝土梁的受弯加固、受剪加固和柱的抗震加固研究和应用最多,相应的计算理论也较成熟,故本规程纳入了这三种加固方法的设计计算方法和构造规定。受弯加固是指为提高受弯构件正截面承载力而进行的加固;受剪加固是指提高受弯构件斜截面承载力而进行的加固;抗震加固是指为提高构件的抗震性能而进行的加固。在受弯加固时,应使碳纤维片材的纤维方向与构件受拉区的拉应力方向一致;在受剪加固时,原应使碳纤维片材的纤维方向与混凝土中主拉应力方向一致,但为了施工方便,建议采用纤维方向与构件纵轴垂直;抗震加固时,应使碳纤维布以环向围束方式缠绕在柱上,以较好地提高抗震性能。除此以外,碳纤维片材也可沿受拉构件轴向粘贴,对受拉构件进行加固,或沿构件环向粘贴对轴心受压构件加固。至于受弯加固,虽可采用对碳纤维片材施加预应力的方法,以提高其加固效果,但由于相应的计算方法和施工方法的研究尚不成熟,故暂未列入本规程。
4.1.3  本规程对钢筋混凝土结构构件加固所采用的极限状态设计计算方法,与现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010相协调,但考虑到既有建筑物的特性,要求以现场检测确定的材料实际强度和有关参数进行验算。同时,在验算中还应考虑二次受力问题。
    试验研究表明,碳纤维片材加固的混凝土结构构件有多种破坏形态,除了与普通混凝土构件相同的以外,还有一些特殊的破坏形态,如碳纤维片材的剥离破坏等。采用这种加固方法,构件达到承载能力极限状态时,碳纤维片材的抗拉强度往往不能完全发挥,此时应以达到极限状态时碳纤维片材所达到的应变值来确定其承载力。同时,由于碳纤维片材在最终拉断时表现出明显的脆性,因此即使构件破坏时碳纤维片材可以达到其极限抗拉强度,也应选择小于其极限拉应变的允许拉应变作为设计极限状态的标志,以保证足够的可靠度。
4.1.4  本规程规定的碳纤维片材抗拉强度标准值的确定方法,是以现行国家标准GB 4885为依据制定的。同时,与国际标准、欧洲标准、ACI标准等也是相协调的。因此,必须得到严格的执行。生产厂家提供的此项性能指标必须经进场见证抽样检验合格后,其产品方可在工程中使用。
4.1.5  一般情况下,对结构或构件的加固是局部的。加固后结构体系可能有所改变,因此加固设计中应进行验算,以保证不发生危险的脆性破坏。例如,在受弯加固后应避免剪切破坏先于受弯破坏发生等。
4.1.6  研究表明,当加固前构件计算所受的初始弯矩小于受弯承载力的20%时,初始弯矩的作用不大,可以忽略二次受力的影响。
4.1.7  在实际工程中,某些结构的混凝土强度可能低于现行国家标准要求的最低强度等级。如果结构混凝土强度过低,则与碳纤维片材的粘结强度将会很低,易发生脆性的剥离破坏,碳纤维片材就不能充分发挥作用。因此本条以现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010对混凝土强度和耐久性的要求为依据,规定了被加固结构混凝土强度的最低等级。
4.1.8  碳纤维片材很容易受人为破坏和火灾烧毁,并因此而导致建筑物意外坍塌。为此,国外有关碳纤维片材加固混凝土结构的设计指南,或是要求对原结构、构件提供附加的安全保护,或是要求原结构、构件,必须能承担其恒荷载的标准值及少量的使用荷载。因而本规程也作出了原则性规定,以引起设计人员的重视。
4.2  构造要求
4.2.1  碳纤维片材沿其纤维方向弯折时会导致应力集中和纤维丝折断,影响强度发挥。根据试验研究结果,当转角处的曲率半径不小于20mm时,可缓解应力集中,使碳纤维片材强度不受显著影响。对弹性模量较高的碳纤维片材,若要使其强度不受影响,则转角处的曲率半径应该更大,但因缺少试验资料,本规程未作明确规定。
4.2.2  试验研究表明,当单位面积碳纤维质量不超过300g/m2,碳纤维布沿受力方向的搭接长度不小于100mm时,破坏不会发生在搭接部位。但有资料表明,倘若粘贴施工质量不良,碳纤维布的断裂或破坏仍然会发生在搭接处,因此,应采取措施保证粘贴施工质量,才能使本条的构造措施发挥其应有的作用。
4.2.3  附加锚固措施是指:将钢板或角钢等先粘贴在碳纤维片材外表面,再用锚栓锚固于混凝土中,锚栓的数量及布置方式应根据锚固区受力大小确定。钢板压条厚度不应小于3mm;锚栓规格应按计算确定,但不应小于M8。此外,设计时尚应考虑因采取附加锚固措施而造成的碳纤维片材损伤对加固效果的影响。
4.3  受弯加固
4.3.1  国内外的试验研究表明,在受弯构件的受拉面粘贴碳纤维片材进行受弯加固时,截面应变分布仍可采用平截面假定。为防止碳纤维片材最终发生脆性拉断破坏,所采用的允许拉应变[]一般为设计极限拉应变的2/3;同时根据《混凝土结构设计规范》GB 50010对构件塑性变形的控制条件,[]且不应大于0.01。
    碳纤维片材从开始承受荷载至拉断,均表现为线弹性。
4.3.2  采用粘贴碳纤维片材进行受弯加固时,构件的破坏形态主要有以下几种:
    1  受拉钢筋先达到屈服,然后受压区混凝土压坏,此时碳纤维片材未达到其允许拉应变[];
    2  受拉钢筋先达到屈服,然后碳纤维片材超过其允许拉应变[]并达到极限拉应变而拉断,此时受压区混凝土尚未压坏;
    3  因加固量过大,在受拉钢筋达到屈服前受压区混凝土先压坏;
    4  在达到正截面极限承载能力前,碳纤维片材与混凝土发生剥离破坏。
    对受弯加固,宜按第一种破坏形态进行设计计算;也可按第二种破坏形态进行设计计算。第3种破坏形态,属脆性破坏,应通过控制加固量上限来避免发生。本规程第4.3.5条第1款规定的受压区高度x不大于0.8ξbh0,即可控制不发生第3种破坏形态。第4种破坏形态也属脆性破坏。此时碳纤维片材中的应力状态很复杂,极易引起剥离,必须避免。设计时,应通过构造或锚固措施予以防止。本规程第4.3.8条和第4.3.9条的构造规定必须得到遵守,因为它是实现本条基本假定和要求的保证。
    本条第1款为第1种破坏形态的受弯承载能力计算公式。公式(4.3.2–1)从对受拉钢筋截面形心取矩的力矩平衡方程得到,公式(4.3.2–2)为力平衡方程,公式(4.3.2–3)是按平截面假定得到。
    本条第2款、第3款为第2种破坏形态的受弯承载力近似计算公式,此时受压区高度很小。第2款中,偏于安全地对受压区边缘混凝土达到极限压应变且碳纤维片材同时达到允许拉应变的界限状态时的受压区合力作用点取矩,并取碳纤维片材的应变为允许拉应变,即得公式(4.3.2–4)。第3款中,对受压钢筋合力作用点取矩,并认为受压钢筋合力作用点与受压区混凝土合力作用点重合,即得公式(4.3.2–5)。但应指出,由于碳纤维为线弹性材料,当按第二种破坏状态进行设计计算时,应要求所采用的碳纤维片材具有较大的伸长率,以提高被加固结构构件的安全可靠性。
    另外,由于被加固结构的混凝土强度等级一般较低,故本规程受弯承载力计算公式中采用的等效矩形应力图形系数,未考虑高强混凝土的影响。
4.3.4  根据钢筋混凝土受弯构件在正常使用阶段受压区边缘混凝土和受拉钢筋的应变计算公式,按平截面假定可确定加固前在初始弯矩作用下的混凝土拉应变
    根据计算分析和试验结果,当初始弯矩Mi小于未加固截面受弯承载力的20%时,二次受力对受弯极限承载力的影响很小,可以不考虑。
4.3.5  限制受压区高度x不大于0.8ξbh0,是为了避免因加固量过大而导致超筋性质的脆性破坏。
    因为缺乏成熟的研究成果,本规程未给出受弯构件加固后正常使用阶段裂缝和变形的验算方法,但为了控制加固后构件的裂缝宽度和变形,以及考虑到碳纤维片材的加固应用经验尚有不足之处,本规程对加固后受弯承载力的提高程度作了限制,并对正常使用阶段的钢筋应力作了控制。
4.3.6  在梁侧面受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固时,仍可采用平截面假定来确定碳纤维片材的应变分布。碳纤维片材距受拉区边缘越远,应变越小,越不能充分发挥作用,因此限制了碳纤维片材在梁侧面受拉区的粘贴高度,并引入折减系数来考虑应变不均匀分布的影响。
4.3.7  考虑到受弯加固可能引起构件受力状态改变从而引发破坏形态转化所导致的安全问题,故本条作出了进行受弯加固设计时尚应验算构件的受剪承载力的规定。
4.3.8  碳纤维片材与混凝土之间粘结强度的取值,是根据国内试验研究结果和工程经验,并参照国外有关设计指南给出的。其中已经考虑了施工现场和实验室的施工质量差别、粘结界面上拉应力和剪应力共同作用等因素的影响。这里应指出的是:由于试验数据不足,不仅未考虑粘结强度与混凝土强度等级的关系,而且也无法区别对待板和布粘结能力的不同,只能按最小值原则取值。在这种情况下,又建议设计时将碳纤维片材延伸至支座边缘,更是增加了不少安全储备。由之可见,规程中统一给出的粘结强度设计值显然是偏于保守的。尽管如此,但从新技术推广应用的角度来考量,这一偏于保守的处理却是必要的。
4.3.9  本条的构造规定系根据试验研究结果和工程经验制定的,具有安全而实用价值,应得到很好执行。
4.3.10  在对负弯矩区进行加固时,由于靠近梁肋处粘贴的碳纤维片材可以较充分地发挥作用,而远离梁肋的碳纤维片材作用较小,故限制了碳纤维片材的粘贴范围。
4.3.12  由于碳纤维片材在柱端锚固困难,通常不采用碳纤维片材对柱端进行正截面承载力加固。本条的规定仅适用于柱中部正截面承载力的加固。当被加固位置的碳纤维片材有可靠锚固时,加固后的承载力计算可按截面应变符合平截面假定,参照本规程第4.3.2条的方法进行。
4.4  受剪加固
4.4.1、4.4.2  碳纤维片材的受剪承载力是根据加固后构件达到最大受剪承载力时碳纤维片材的应变发挥程度确定的。公式(4.4.1–3)和公式(4.4.2–3)是根据国内外的试验结果分析,并参照美国ACI的有关设计指南给出的。对钢筋混凝土柱,受剪加固应采取环向围束式(封闭式)粘贴,此时,取φ=1;如不能封闭粘贴,不宜采用碳纤维片材加固。
4.4.3  本章的受剪计算公式均是按碳纤维片材纤维方向与构件轴向垂直的情况给出的。当采用斜向粘贴时,应对受剪计算公式作相应改变。
    U形箍粘贴质量不良时,其端部易发生剥离破坏,影响碳纤维片材加固作用的发挥,故应优先采用环形箍。当采用U形箍粘贴时,宜按本条第4款的要求设置水平压条,以增加粘贴面积,提高抗剥离能力。试验表明,U形箍如采取了可靠的机械锚固措施,将具有与环形箍粘贴同样的效果。
4.5  柱的抗震加固
4.5.1  公式(4.5.1)中的总折算体积配箍率,是根据我国试验结果分析给出的。采用碳纤维片材缠绕加固混凝土柱可以约束混凝土的变形,从而提高混凝土的抗压强度,降低轴压比,但这方面的研究目前还不充分,仅当有可靠依据时,方可考虑其作用。
4.5.2  柱的抗震加固必须采用环向围束式粘贴并应有可靠的连接。此时,搭接长度比受弯加固、受剪加固的搭接长度应大一些,才能保证加固效果。

5  施工规定
5.1  一般规定
5.1.3  施工现场的环境温度必须符合粘结材料的使用温度以保证粘贴质量,如果不能满足,必须采取措施使其满足要求后再进行粘贴。
5.1.4  当环境湿度不超过70%时,可不考虑环境湿度对胶粘剂固化的不利影响。若采用高潮湿面专用胶粘剂,可不受此限制。
5.1.6  本条规定了配制底胶、修补胶及结构胶粘剂时均应满足的一般要求。施工时应根据施工进度和环境温度控制每次的拌和量,以保证在粘结材料规定的使用时间内有效地使用拌和好的粘结材料。
5.3  表面处理
5.3.1  对较大的孔洞、凹陷等应采用高粘结性能的修复材料修补平整。修复材料宜采用水性环氧类聚合物砂浆,以保证其与原混凝土粘结良好。
5.4  涂刷底胶
5.4.2  研究结果表明,在底胶表面指触干燥时,立即进入下一工序施工,其粘结效果最好,故作出本规定。底胶的指触干燥是指底胶刚达到凝胶的状态,即在施工现场以手指触摸胶层表面有凝胶的感觉,但却不会粘附手指的状态。
5.5  找平处理
5.5.4  现场试验研究结果表明,在修补胶找平处理的表面达到指触干燥时,进行下一工序施工,其粘结效果最好,故作出本条的规定。

5.6  粘贴碳纤维片材
5.6.1  试验研究和工程经验表明,只有结构胶粘剂充分浸透在碳纤维布中才能保证其粘贴质量,否则有很不利的影响。用专用滚筒滚压碳纤维布时,可以向一个方向,也可以从中间向两个方向滚动,但不允许来回反复滚动,以免损伤碳纤维,影响粘结质量。

6  检验及验收
6.0.1  施工前应对材料安全性能进行检验,以保证工程质量。
6.0.2  本条中的隐蔽工程指表面处理、涂刷底胶和找平处理三道工序。前一工序检查合格后方可进入下一道工序的施工,以避免覆盖后难以检验施工质量的问题发生。
6.0.4  本条规定的检查方法,是经实践检验过的有效而简便的方法,适用于任何条件下碳纤维片材与混凝土粘贴质量的检查。
6.0.5  对结构加固工程,除了检查碳纤维片材粘贴的空鼓率外,还应按附录B的规定,检验碳纤维片材与混凝土基材的正拉粘结强度,才能对粘贴质量做出更可靠的评估,以确保工程安全。