应用·大跨度双曲屋面板碳纤维加固设计与施工
本文摘要：（由ai生成）
本文分析了某高校礼堂屋面板存在的问题，包括接缝风化、位移、裂缝及钢筋锈蚀等，并探讨了结构破损的成因，如不合理外荷载、施工缺陷及预制件吊装影响。随后，提出了加固试验研究，旨在通过碳纤维和玻璃纤维材料粘贴技术，提高钢筋混凝土板的极限承载力，并探讨其加固效果与粘贴量的关系。
一、屋面板存在的问题
1、屋面板结构形式
某高校礼堂屋面板采用马鞍形双曲板的设计方案(套用标准图集),礼堂屋面板由20块马鞍形双曲预应力混凝土板组成，每块26m,净跨24m,覆盖宽度3m,板块之间接缝用V形混凝土盖瓦防水,每块54根直径5mm的预应力钢筋斜拉成形,其张拉应力σ=0.7R=0.7×1600=11200MP。其环状分布筋为8钢筋,混凝土板厚度为5.5cm,强度等级为C40,放松预应力钢丝时,混凝土强度达到设计强度的80%。每块板自重143kN,有10块板两端设有40cm×70cm的混凝土肋作为稳定支撑。
2、存在的问题
板块之间接缝处的V形混凝土盖瓦已基本风化,且有多处脱落,已不能继续使用;第7、第8块板位移为6cm,人在上面摇晃时相对位移达18cm;部分板板底、板面发现有多条横向和纵向裂缝,且有雨水渗漏的痕迹,表明有上下贯穿裂缝存在;部分板网状钢筋局部裸 露,且已严重锈蚀,保护层已剥落,从安全考虑已停止使用。经对该礼堂进行全面检
测发现,得到如下结论：
1)屋面板混凝土强度检测
根据《弹法检测混凝土抗压强度技术規程》,对所测回弹强度值进行修正,每块板的强度见（表1）;现场钻芯取样9个,取芯试件抗压强度结果见（表2）。
2)通过对结构的普查,发现屋面部分板件钢筋锈蚀现象严重,统计发现大部分板都存在此问题,最严重者纵筋锈断达13根。
3)裂缝展开形态与特征
根据对裂缝的调查和检测,其板裂缝主要特征如下:裂缝多数为纵向裂缝,裂缝长度
为2~8m,最大裂缝宽度为3mm,大都出现在两端支座附近,且为上下贯穿裂缝,有渗漏水现象。
二、结构破损成因分析
钢筋混凝土结构的开裂是一个普遍性的工程问题。裂缝的出现和扩展,通常是结构受损的标志之一,而钢筋混凝土结构的破坏又往往是从裂缝开始的,所以常把裂缝视为结构危险状况的征兆,对于已出现裂缝的钢筋混凝土构件,若不能进行具体的分析和及时处理,任其发展,将导致钢筋继续锈蚀,混凝土剥落,严重影响结构的耐久性及正常使用,甚至整个结构坍塌。而正确地分析判断裂缝开展的原因则是治理裂缝的关键和前提。
(1)不合理的外荷载。由于在19号板下安装有吊篮,吊篮采用的为钢管骨架,因面吊钩设置不合理,导致19号板跨中横断面变形过大而产生横向裂缝(19号板与18号板相对竖向位移达180mm)。
2)施工缺陷的影响。混凝土保护层太薄,板厚仅为55mm,其结构上分布筋多达4-5层,保护层厚度不够,造成部分钢筋贴在模板面上导致钢筋外露锈蚀,钢筋锈蚀膨胀使混凝土开裂;施工过程中振捣不均匀,部分板底面可见麻面,再者有许多漏水孔,从而影响混凝土质量;通过现场对板尺寸的检测发现,板的上缘无100mm×150mm的矩形与设计图不符,即实际浇筑尺寸偏小,导致板的强度和刚度降低。
(3)预制件吊装。该礼堂屋面预制板为26m×4.5m,板厚仅为5m,是一超大超薄预制构件,给施工中的起吊及安装造成了困难,经检测发现板面有多处碰撞痕迹以及板面变形,因此附近产生的多条裂缝均因上述原因引起。
三、加固试验研究
1、加固试验研究目的
在钢筋混凝土结构加固修补技术方面,目前国内除了传统的加大截面法、外包钢法外,还有喷射混凝土加固技术、预应力加固技术、外粘钢板加固技术等等,从20世纪90年代起西方发达国家在加固修补混凝土结构领域迅速发展起一项新的加固技术—纤维增强塑料( Carbon and Glass Fibre Reinfored Plastics)粘贴加固技术,其使用范围已深人到土木工程中的众多钡域,由于该类材料具有优良的物理力学性能,在加固修补混凝土结构中达到高效加固修补的目的。其次,该技术的施工与以往加固技术相比。具有“短、平、快”的特点,施工便捷、工效高,不需大型施工设备,施工质量容易保证,且具有良好的耐腐蚀性和耐久性,加固修补后几乎不增加结构重量,因此,目前国内业内人士已开始认识到该技术的发展潜力。此次加固试验研究的目的是通过采用碳纤维和玻璃纤维材料粘贴技。现有钢筋混凝土薄板,考察钢筋混凝土板在采用和未采用该技术的情况下,其极提高的幅度以及粘姑量与极限承载力的关系。
2、试验材料
纤维原材料UT500-12K是日本生产的单丝原料,以它为原料可开发出高性能的碳纤维布匹,如L300c碳纤维布;玻璃纤维采用L500E(方向0°),见(表3)、（表4)所列。
3.加固试验内容
本次加固实验内容分为两项。其一，采用粘贴玻璃纤维加固方法，选取4块钢筋混凝土曲面板,3块有缺陷的曲面板作为加固板,1块完好板作为不加固。其二,采用粘贴碳纤维加固方法,选取4块素混凝土板,2块混凝土平板,曲面板分别进行不加固和加固对比试验。考察加固后混凝土板的极限承载力提高幅度,以及混凝土开裂性状和破坏特征。
4.试验结果
试验结果见（表6）和（表7）。
试验结果表明,采用粘贴玻璃纤维和碳纤维加固技术,能够大幅度提高混凝土板的承载能力,尤其是碳纤维粘贴技术。同时,在混凝土破坏过程中未出现明显脆性破坏特征,表现出良好的延性变形特征,对混凝土破坏过程中产生的裂缝具有明显的抑制作用,裂缝出现的部位有所变化且变密变细。以上破坏呈现的特点,充分表明采用粘貼高强纤维加固混凝土板,不仅能大幅度提高混凝土板的承载能力,而且能够改善混凝土板在承载过程中的受力性能及破坏方式。
四、加固处理方案
钢筋混凝土结构出现裂缝为构件受损标志之一,该礼堂屋面板上存在贯穿性裂缝,且板上混凝土保护层严重剥落,大量钢筋锈蚀,故其板刚度大大降低,不仅影响结构的耐久性,而且降低结构的承载能力,直接危及结构的安全使用。根据该屋面板的受力特点,结
合对结构已进行的全面检测结果和板破损成因分析,按照现行国家规范的相关要求,如对结构强度和刚度的验算等,综合考虑该大型钢筋混凝土屋面板的安全可靠性(即承载能力要求)、适用性及耐久性等因素,有针对性地提出了如下加固处理方案:根据该礼堂的病害与结构特征采用纤维粘贴加固技术为主的方案。该结构的主要病症是需要补强,补强通常采用粘貼玻璃纤维和碳纤维相结合,这两种材料均有可靠的效果。玻璃纤维强度高,其抗拉伸强度与钢材相近,玻璃纤维、碳纤维的密度相当钢材的1/4.6~1/3.7,对大跨度薄壳轻型结构,是加固的首选材料;玻璃钢韧性好(其应变比钢材大10倍左右,不会出现明显变形征兆的脆性破坏);玻璃纤维、碳纤维固化后不怕有害气体侵蚀,可以有效防止混凝土的碳化;其渗透性能好,抗渗能力可达3.5MPa以上;纤维与混凝土的粘结力大于混凝土自身的强度,破坏时不会从玻璃钢与混凝土粘结面破坏;根据玻璃纤维、碳纤维的性能,完全符合此次结构加固特点,因此选用该技术加固是合适的具体加固方案如下：
（1）裂缝化学灌浆处理:在对板进行粘貼纤维加宽度大于0.2mm裂缝,采用化学灌浆,将断裂的板恢复成整体,灌浆浆液采用结构胶灌注,其技术要求须满足《混凝土加固技术规范》规定的配法;对裂缝宽度小于0.2mm的裂缝采取结构胶封缝处理,防止钢筋继续锈蚀。
（2)严重破损板加固处理:考虑到板跨中是最大弯矩出现的地方,是板构件最危险部位因此,跨中是加固重点,对于横向裂缝或者纵向裂缝基本上出现在跨中的板,如其中一部分板，跨过纵横裂缝区在跨中8-16m长的范围内,沿板的纵向粘贴一层碳纤维布,沿板的纵向通长范围粘贴3条2-3层玻璃纤维布;为较好地控制纵向裂缝并根据加固技术的构造要求沿板横向粘貼一层玻璃纤维布,粘贴间距和具体部位与尺寸见（图1）。
其他破损板加固处理:一些混凝土板虽裂缝仅在板支座端部少量出现,但考虑到该板普遍存在钢筋锈蚀和板面碳化较为严重,施工中板的上缘无100mm×150mm的矩形梁,与设计不符,即实浇筑尺寸偏小,导致板强度及刚度降低。尤其需要解决板内钢筋腐蚀问题,因此对以上板也必须采取相应措施予以加固补强,沿板的纵向通长范围粘贴3条2~3层玻璃纤维布,沿板横向粘贴一层玻璃纤维布,其粘貼间距和具体部位与尺寸见（图2）。
五、加固施工技术要求及加固效果
该技术加固施工工艺要点:(1)待粘贴加固部位进行画线定位,混凝土板表面打磨处理,表面化学清洗;(2)对混凝土表层凸凹不平处填满补平,表层涂刷底层胶;(3)粘贴纤维布,用辊子反复滚压挤压出空气,为保证粘贴质量,每层纤维布之间应涂刷一层粘结胶;(4)若粘贴层内仍有气泡存在,需用注射方法注入胶液。
该加固项目粘贴纤维面积为650m2,施工期仅30d即完成加固任务。加固后纤维布与混凝土板表面粘结完好,混凝土板的结构尺寸和结构自重基本没有变化。经加固后的礼堂屋面板各项质量技术指标均达到设计和业主要求取得了良好加固效果。
六、结束语
通过对某高校礼堂大跨度双曲屋面板存在的严重的结构安全隐患的检测、分析和研究,提出了采用碳纤维布和玻璃纤维布材料相结合的加固设计方案,且经加固施工收到良好效果,采用碳纤维布和玻璃纤维布材料加固技术与以往加固技术相比具有以下明显优点:该类材料具有优良的物理力学性能,在加固修补混凝土结构中可以充分发挥其高强度的特点来大幅度提高混凝土结构的承载能力和延性,达到高效加固修补的目的;其次,该技术的施工与以往加固技术相比,具有“短、平、快”的特点,施工便捷、工效高,不需大型施工设备,施工质量容易保证,且具有良好的耐腐蚀性和耐久性,加固修补后几乎不增加结构重量。因此，该项加固技术在加固修补混凝土结构领域具有良好的应用前景。
来源：钢结构技术
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