预应力碳板在梁加固工程中的应用

雷立志 潘琰枫

武汉弘泰建筑工程质量检测有限公司（430070）

0 引言

梁加固工程中，目前常用的加大截面、粘钢等直接加固法都要求先进行卸载，已经投入使用的建筑物很难满足此条件。《混凝土加固设计规范》2013版相较2016版[1]，增加了预应力碳纤维复合板加固法，根据规范说明:此方法适用于截面偏小或配筋不足的钢筋混凝土受弯、受拉和大偏心受压构件的加固[2]，可知其对受弯构件是比较合适的。而且此方法对构件进行加固，可不采取卸除作用在被加固结构上活荷载的措施，相比传统加固方法在其适用加固范围以内是具有一定优势的。

1 预应力碳板加固理念

预应力碳板加固构件过程中，碳板在施加预应力后会有一个收缩的力，在碳板和碳板胶与加固构件形成整体以后，收缩力会给加固构件一个偏心轴力。预应力碳板可以在原构件不变形的情况下，主动参与到整个结构的受力体系当中，因此可以在不卸载的情况下进行加固。碳板本身韧性好，可以使加固构件挠度减小、原有裂缝宽度收缩并且预防新的裂缝产生[3]。文章结合实际工程对此加固方法进行介绍。

2 工程案例

2.1 工程基本情况

某学校新建礼堂，采用单层框架结构，层高9 m，局部在4.5 m高度处有夹层（礼堂工作平台用）。结构主要设计数据如下:框架柱混凝土等级采用C35，梁板混凝土强度采用C30，各构件纵筋以及箍筋均为HRB400。设计荷载取值如下:屋面附加恒载（保温隔热层等自重）取3.5 kN/m2，屋面活荷载取0.5 kN/m2，屋面层结构布置如图1所示。

图1 屋面层结构布置图

由于N×5~11、P×5~11及R×5~11轴屋面梁跨度达24 m，且未使用预应力。为了解此大跨度梁的承载性能是否能满足设计要求，结构施工完毕后，业主委托检测公司对该部分结构进行原位加载试验。

2.2 静载试验介绍及试验结果

1）静载试验。静载试验主要依据结构设计资料及《混凝土结构试验方法标准》（GB/T 50152—2012）。本工程选择使用状态试验以及承载力试验，试验中主要测试构件的变形及裂缝[4]。

2）确定加载荷载。根据使用状态以及承载力各设计要求，加载值分别按如下公式计算:

①使用状态:准永久组合设计值=恒载＋可变荷载×可变荷载的准永久系数；

②承载能力状态:取max{1.2×恒载＋1.4×活载，1.35×恒载＋1.4×0.9×活载}。

根据设计荷载取值，本工程两种试验荷载加载值主要考虑板上均布荷载，具体值见表1。

表1 使用状态以及承载能力试验加载值

比较两种试验状态的最大加载限值，最大加载值取承载力设计值中的大值，图1中阴影区为加载范围。

3）终止加载条件。根据规范要求，加载过程中结构出现下列现象时应立即停止加载，分析原因后如认为需继续加载，宜增加荷载分级，并应采取相应的安全措施:①控制测点的变形、裂缝、应变等已达到或超过理论控制值；②结构的裂缝、变形急剧发展；③出现《混凝土结构试验方法标准》（GB/T 50152—2012）中标7.3.3所列的承载力标志；④发生其他形式的意外试验现象。

4）试验结果。试验加载采用水压均布加载进行，加载方式按规范分级加载。试验过程中主要对扰度以及裂缝进行监测。根据试验结果，特定值下试验梁的扰度以及裂缝主要监测值见表2。

表2 加固前梁现场加载试验监测值

根据试验数据，最终得出结论如下:试验梁在荷载未达到预定荷载时，裂缝宽度已经达到使用状态的检验指标，依据规范相关规定可知三根试验梁均不满足正常使用状态，不满足设计要求。

2.3 加固设计与施工

1）加固设计。根据检测结果，三根大跨度梁均需进行加固。经详细计算，梁弯矩以及剪力在恒载以及活荷载作用下弯矩以及剪力标准值见表3及表4。

表3 恒载以及活载下梁弯矩标准值（kN·m）

表4 恒载以及活载下梁剪力标准值（kN）

比较分析可知，恒载作用下内力值占比很大。由于主要荷载（构件自重）已加载完毕，仅活荷载以及建筑面层作用为作用于结构主体。综合比较现场情况以及施工情况后采用预应力碳板对试验梁进行加固。

经详细计算后，预应力碳板最终主要设计信息如下:①加固材料为高强度I级碳纤维板，碳板宽度50 mm，厚度4.0 mm；②预应力碳板张拉控制应力为1 150 MPa，即单条张拉力为230 kN，张拉控制应变为6.9‰，张拉采用应力和应变双控，且偏差需不大于6%，各加固梁具体设计见表5。

表5 加固梁设计参数

2）加固施工。根据预应力碳板加固特点以及设计要求，主要施工步骤:搭设脚手架→清理障碍物→放线、验线→清理粘贴预应力碳板混凝土结构面→混凝土结构面找平→种植安装锚栓→安装预应力碳板的固定端支座和张拉端支座→粘贴预应力碳纤维板并进行张拉→检验→表面防护→报验。

施工注意要点:①加固前必须先对构件裂缝及缺陷进行修复；②结构面须找平并清理干净无粉尘；构件表面凹陷部位应采用环氧胶修复至表面平整。加固前采用丙酮或工业酒精等有机溶剂清洗混凝土表面，确保混凝土表面平整无粉尘；③碳纤维复合板材粘贴面使用前应使用丙酮擦拭干净，否则粘贴表面残留的油污易影响胶粘剂与碳纤维复合板材之间黏结力。

2.4 加固后静载试验

加固施工完成后，为检验加固施工质量并查验加固后梁承载能力，检测单位对试验梁按加固前试验重新对试验梁进行加载试验。静载试验内容、加载取值以及测试内容同加固前静载试验，最终结果见表6。

表6 加固后梁现场加载试验监测值

依据 《混凝土结构试验方法标准》（GB/T 50152—2012）及 《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），使用状态试验结果以及承载力状态试验结果均满足规范要求，达到设计要求。

可见采用预应力碳板对梁进行加固是成功的，采用预应力碳板不仅提高了构件承载力，而且贵构件刚度也有一定的提高[5]。

3 结论及建议

通过大跨度梁加固后静载试验结果可以知道，预应力碳板加固梁效果良好，能有效提高构件的承载能力，提高构件刚度，延缓裂缝的出现。该加固工艺操作简单，安全可靠，值得大范围推广应用。