周　俊

摘要:文章分析砌體結(jié)構(gòu)常見的裂縫類型和加固技術(shù),闡明了加固修復(fù)新技術(shù)研究的必要性,結(jié)合碳纖維和粘結(jié)材料的性能,設(shè)計(jì)了碳纖維布加固修復(fù)砌體結(jié)構(gòu)裂縫試驗(yàn)。試驗(yàn)共2片磚砌體,在磚砌體兩面加固。通過5個(gè)油壓千斤頂在頂梁頂面施加豎向軸力,千斤頂由油泵通過溢流閥供油,故能在試驗(yàn)的全過程保持軸力的穩(wěn)定。經(jīng)過定量和定性分析,得出該技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、施工簡(jiǎn)便、效果良好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:碳纖維布;加固修復(fù);徹體結(jié)構(gòu);裂縫試驗(yàn);粘結(jié)材料

中圖分類號(hào):TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)18-0050-02

砌體是用砌筑砂漿將塊材(磚或砌塊)砌在一起而形成的一種承重材料,和混凝土相比,砌體雖有一定的抗壓承載力,但其抗拉、抗剪、抗彎能力均很低。因此砌體結(jié)構(gòu)特別是無筋砌體結(jié)構(gòu)整體性較差,承載力較低,極易在外荷載作用下出現(xiàn)裂縫。因此,做好砌體結(jié)構(gòu)裂縫的加固修復(fù)至關(guān)重要。碳纖維布加固技術(shù)是近些年來興起的一種結(jié)構(gòu)加固方法,因其具有質(zhì)輕肩強(qiáng)、施工便捷、耐腐蝕性及耐久性好,又不改變結(jié)構(gòu)形狀和不影響建筑外觀等優(yōu)點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果表明,該加固技術(shù)能有效提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能,在工程中有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

一、砌體結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用現(xiàn)狀分析

(一)砌體結(jié)構(gòu)的裂縫類型

砌體結(jié)構(gòu)地基不均勻沉降,導(dǎo)致墻體產(chǎn)生了沉降裂縫;氣溫或環(huán)境溫度溫差太大,加之砌體所受的約束的影響,墻體產(chǎn)生溫度裂縫;局部砌體墻、柱承載力不足;墻體錯(cuò)位、變形引起墻體開裂;由于設(shè)計(jì)構(gòu)造不當(dāng)引起墻體開裂;由于材料質(zhì)量不良、施工質(zhì)量低劣而引起墻體開裂;由于房屋改建加層而使原砌體房屋承載力不足;在抗震設(shè)防區(qū)經(jīng)抗震鑒定,房屋抗震設(shè)計(jì)不滿足要求或房屋抗震構(gòu)造措施不滿足要求;在地震發(fā)生后,房屋受損的修復(fù)和加固。上述種種裂縫現(xiàn)象,輕則影響砌體結(jié)構(gòu)的功能體現(xiàn),重則影響砌體結(jié)構(gòu)的壽命,甚至造成嚴(yán)重的人身和經(jīng)濟(jì)損失,必須進(jìn)行裂縫修復(fù)加固處理。

(二)常用的砌體結(jié)構(gòu)加固方法

1.水泥灌漿法。水泥灌漿主要用于砌體裂縫的補(bǔ)強(qiáng)加固,常用的灌漿方法有重力灌漿和壓力灌漿兩種。這兩種灌漿加固方法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)后,其強(qiáng)度均能達(dá)到或超過原來砌體強(qiáng)度。

2.擴(kuò)大砌體截面法。主要用于砌體承載力不足,但砌體尚未壓裂,或僅有輕微裂縫,而且要求擴(kuò)大截面面積情況。一般的獨(dú)立磚柱、磚壁柱、窗間墻和其他承重墻的承載能力不足時(shí),均可采用此法加固。

3.鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固。主要用于墻承載能力不足時(shí)的加固,是指把需加固的磚墻表面除去粉刷層后,兩面附設(shè)鋼筋網(wǎng)片,然后噴射砂漿(或細(xì)石混凝土)的加固方法。

4.增設(shè)或擴(kuò)大扶壁柱。扶壁柱有磚砌和鋼筋混凝土兩種,主要用于提高砌體承載力和穩(wěn)定性。無論增設(shè)磚砌扶壁柱或是鋼筋混凝土扶壁柱,它們與原磚墻的連接都十分重要。

5.增加預(yù)應(yīng)力撐桿。主要用于大梁下砌體承載力嚴(yán)重不足時(shí)使用。通過增加預(yù)應(yīng)力型鋼支柱,達(dá)到對(duì)原結(jié)構(gòu)加固的目的。

二、層碳纖維加固修復(fù)砌體結(jié)構(gòu)裂縫的技術(shù)應(yīng)用研究

(一)碳纖維和粘結(jié)材料的性能

碳纖維即纖維狀碳材料。根據(jù)其原料及生產(chǎn)方式的不同,主要分為聚丙烯腈基碳纖維及瀝青基碳纖維。聚丙烯腈基碳纖維是把聚丙烯腈基碳纖維在惰性氣體中高溫加熱所獲得的纖維。瀝青基碳纖維是把煤焦油或石油瀝青抽絲后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的纖維。碳纖維產(chǎn)品包括高強(qiáng)度型一聚丙烯腈基碳纖維及高彈性模量型一瀝青基碳纖維。

碳纖維布具有優(yōu)異的物理性能,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)力學(xué)性能:高強(qiáng)度、高模量是碳纖維最重要的特性之一;(2)耐腐蝕性:碳纖維耐腐蝕性能非常優(yōu)越,除強(qiáng)氧化劑外,對(duì)一般酸、堿均不起作用;(3)熱性能:碳纖維的熱膨脹系數(shù)是各向異性的,垂直于纖維方向的是正值,平行于纖維方向的是負(fù)值;(4)耐磨性:碳纖維具有良好的自潤(rùn)滑性能,摩擦系數(shù)小,耐磨,塑料中加入碳纖維后,磨損率可降低1000倍。

(二)試驗(yàn)研究

1.試件設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)共2片磚砌體,磚的規(guī)格為240mm×115mm×53mm,強(qiáng)度MU10;砂漿強(qiáng)度等級(jí)分別為M2.5和M5,采用混合砂漿。墻片寬3m,高1.5m,墻厚240mm。碳纖維布厚0.11mm,寬100mm,在磚砌體兩面加固。

2.試驗(yàn)加載裝置。本試驗(yàn)在磚砌體頂部施加垂直荷載以模擬上層豎向荷載,在磚砌體頂部施加低周反復(fù)水平荷載以模擬地震力。在砌體的上下兩邊都設(shè)置了鋼筋混凝土梁,頂梁傳遞水平剪力,并使垂直壓力均勻地傳到砌體上。試驗(yàn)時(shí),先加豎向荷載,穩(wěn)壓后啟動(dòng)液壓伺服作動(dòng)器施加水平荷載。通過5個(gè)油壓千斤頂在頂梁頂面施加豎向軸力,千斤頂由油泵通過溢流閥供油,故能在試驗(yàn)的全過程保持軸力的穩(wěn)定。為了使試驗(yàn)過程中墻體位移不受豎向荷載的約束,并使墻體上豎向荷載的位置保持不變,在千斤頂與鋼反力大梁之間裝置了輥軸。通過PL-Z630x液壓伺服作動(dòng)器施加頂部的水平反復(fù)荷載。

3.試驗(yàn)測(cè)量裝置及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。為了解試件的荷載-變形規(guī)律,分析其滯回曲線,本試驗(yàn)安裝了5個(gè)位移計(jì)以測(cè)量試件變形,分別布置在墻的上部、中部和下部以及頂梁、底梁處。試驗(yàn)時(shí)位移計(jì)的讀數(shù)、液壓伺服作動(dòng)器的荷載和位移值由計(jì)算機(jī)采集,并采用擬靜力試驗(yàn)程序?qū)崟r(shí)畫出荷載-位移曲線,以監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)程并確定試件的屈服荷載。

4.加載前墻體的破壞形態(tài)。在水平荷載小于破壞荷載約60%之前,觀察不出試件表面變化,此時(shí)計(jì)算機(jī)繪制的墻片滯回曲線基本上為直線,表明墻片基本上處于彈性階段,卸載時(shí)殘余變形極小,隨著荷載的增加,滯回曲線發(fā)生一定的彎曲,并且滯回曲線也逐漸豐滿成為滯回環(huán),此時(shí)墻片進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。

5.墻體的側(cè)向承載能力和極限位移。

從表1可以看出,墻片Y155的極限荷載達(dá)到加固前的98.8%,而極限位移比加固前增大了9.86%;由于對(duì)墻片X264施加荷載過大,使得墻體破壞較為嚴(yán)重,因此墻片Y155的極限荷載較小,但仍達(dá)到加固前的74.4%,而且極限位移比加固前增大24.1%。這充分表明,由于碳纖維布的存在,大大增加了墻片的延性。表1同時(shí)表明,砂漿強(qiáng)度的提高將提高砌體的抗剪強(qiáng)度,但會(huì)降低其變形能力;垂直應(yīng)力(反映了軸壓比)越大則抗剪強(qiáng)度和剛度越高。

6.加固對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。在對(duì)墻體進(jìn)行加固時(shí),傳統(tǒng)的加固方法往往會(huì)使墻體的剛度發(fā)生大的改變,使上下層結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度產(chǎn)生較大的改變或突變,對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震不利,而采用碳纖維布加固磚砌體結(jié)構(gòu),其彈性剛度沒有明顯的改變,不增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何尺寸,不會(huì)使加固的某層結(jié)構(gòu)同其上部結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度產(chǎn)生突變,從而避免使原結(jié)構(gòu)水平荷載的分擔(dān)情況產(chǎn)生大的影響,不會(huì)產(chǎn)生薄弱層或部位轉(zhuǎn)移問題,這對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震是很有利的,也是采用碳纖維布加固磚砌體結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。目前進(jìn)行的試驗(yàn)及分析僅基于單片墻體,其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響可通過進(jìn)一步的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析或整體模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

三、碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)越性

鑒于碳纖維材料及其粘結(jié)材料的這些特點(diǎn),結(jié)合試驗(yàn)結(jié)論,不難總結(jié)出碳纖維加固施工具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),是一個(gè)值得推廣的砌體結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。

1.質(zhì)量易保證。由于碳纖維布是柔性的,即使被加固的結(jié)構(gòu)表面不是非常平整,有效粘結(jié)率也基本可以達(dá)到100 %。而粘貼鋼板則很難達(dá)到這種程度,相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也只要求達(dá)到70%。此外,碳纖維布粘結(jié)后萬一發(fā)現(xiàn)有氣泡,也很容易修補(bǔ),只要將樹脂注射進(jìn)去即可趕跑空氣。

2.耐腐蝕性及耐久性。碳纖維的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),因而用碳纖維材料加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性,解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問題。

3.不增加構(gòu)件的自重及體積。碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄,經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件,基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸,也就不會(huì)減少建筑物的使用空間。

4.適用面廣。由于碳纖維布是一種柔性材料,而且可以任意地裁剪,所以這種加固技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位,且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。同時(shí),對(duì)于其他加固方法無法實(shí)施的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件,碳纖維加固技術(shù)都能解決。

5.便于施工。將碳纖維材料用于加固建筑結(jié)構(gòu),在施工現(xiàn)場(chǎng)不需要大型的施工機(jī)械,占用施工場(chǎng)地少,而且沒有濕作業(yè),因而工效很高。

6.高強(qiáng)高效。由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能,在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)過程中,可以充分利用其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善其受力性能,達(dá)到高效加固的目的。

四、結(jié)語

針對(duì)上述分析可知,采用碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)是有效的。一方面,用碳纖維布加固磚砌體,可提高其抗剪承載能力,提高墻體的開裂荷載、極限荷載,明顯改善墻體的變形能力,增加墻體的延性,開裂位移也有顯著的提高,是一種行之有效的抗震加固方法。另一方面,采用碳纖維布加固磚砌體結(jié)構(gòu),不會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度產(chǎn)生突變,對(duì)抗震十分有利。由于本次試驗(yàn)試件數(shù)量有限且對(duì)墻片的影響因素考慮較少,故只對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了基礎(chǔ)性處理和定性分析,對(duì)砌體結(jié)構(gòu)用碳纖維布進(jìn)行的抗震加固有待于進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介:周俊(1975-),男,江蘇揚(yáng)州人,江蘇石油勘探局油田建設(shè)處建筑工程公司工程師,研究方向:碳纖維布加固修復(fù)裂縫。