钢筋混凝土框架平面节点处碳纤维布补强加固模型
试验方案研究
上海市建设工程质量检测中心普陀区分中心 姚刚
一、内容简介
碳纤维材料加固混凝土结构是近年来国际上的一项新兴技术。碳纤维布加固法是一种新的混凝土结构加固的有效方法,具有力学性能好、施工快捷、易操作、自重轻、耐腐蚀和加固效果好等优点。在节点、圆面和曲面构件的加固方面,具有粘钢加固技术不可替代的优势。
本人收集并参考很多碳纤维加固方面的中外文献，通过归纳、总结，共设计了13个试件，文中对12个十字形钢筋混凝土框架梁柱节点进行破损加载,模拟中小地震中的损伤,然后进行灌缝修复和粘贴碳纤维加固（非核心区）。
本文的重点是对于当前碳纤维加固现状存在的失效问题（剥离）有针对性地提出了适宜的加固方案，通过对比试验提出了合适的碳纤维的锚固方式、锚固长度和碳纤维布的粘贴层数。文中对碳纤维布加固混凝土受弯构件破坏形态中的剥离破坏现象进行了介绍,归纳出影响碳纤维布剥离的主要因素。最后提出了防治剥离破坏现象的工程处理建议。
此外，本文还对碳纤维布加固设计的原则及方法、施工步骤及要点进行了阐述。
关键词：碳纤维 加固方案 框架 梁柱节点 钢筋混凝土
二、设计思想
一般而言，框架节点指框架梁与框架柱相交的节点核心区与邻近核心区的梁端和柱端。一个平面框架，就有四种基本形式的节点。即:顶层边柱节点；顶层中柱节点(T型)；边柱节点；中柱节点(+型)。
节点是一个重要的部位，它在框架中起着传递和分配内力、保证结构整体性的作用。
正如法国抗震设计规范所指出的:“节点在地震情况下，为框架最易受损的部分。对结构抗震而言，节点的研究比一般结构部位具有更大更重要的意义”。
本课题研究意义为钢筋混凝土框架结构梁、柱节点部位处用碳纤维布补强加固提供锚固的处理方法,对钢筋混凝土框架结构补强加固,提高结构的耐久性和安全性有指导意义和应用价值。
近年来，在实际工程中，利用碳纤维布加固己经有了许多应用和研究。但由于诸多方面的原因，由国内外研究资料来看，对框架节点的加固研究尚少。主要存在以下问题：一是没有专门针对节点加固的研究，而是集中在梁、柱的加固研究上；二是把节点加固等同与梁、柱等构件的加固，忽视了节点构件本身的特殊性；三是即便有对节点加固的研究，也大多是对于节点核心区的研究，而针对节点核心区附近的梁端（梁的负弯距区域）和柱端的加固研究少之甚少。
本文考虑到当前加固现状存在的失效问题（剥离）有针对性地对梁的负弯距区域提出了适宜的加固方案，通过对比试验提出了合适的碳纤维布的锚固方式、锚固长度和粘贴层数。如下附上正常受力情况下框架结构的弯矩图，如图1所示。
因此，本课题主要研究内容为：
1.碳纤维布的锚固长度研究及提出简便的锚固长度计算公式；
2.梁柱节点内折角处碳纤维布的锚固措施研究；
3.碳纤维布粘贴层数的研究。
图1 正常情况下框架结构弯矩图（图中蓝色区域为梁的负弯矩区域）
三、设计方法
考虑到碳纤维布在构件上的锚固方式不同、粘贴层数不同及锚固长度不同会对加固效果产生不同的影响，共设计了13个试件。J1为对比件,对J2-R～J13-R先进行破损加载,模拟中小地震中的损伤,然后进行灌缝修复和粘贴碳纤维加固。为了使对比效果明显并使问题简单化,所有试件采用了统一规格。混凝土强度等级为C25，梁和柱子的主筋为Ⅱ级钢,箍筋及架立筋为Ⅰ级钢。试件情况见表1。
试验共分为两组进行。
第一组：对J1（对比件）、J2-R、J8-R进行试验。即在相同的粘贴层数和相同的锚固长度条件下，对比哪种锚固方式对提高构件承载能力更加有利。通过查阅相关文献并分析得：采用膨胀螺栓锚固更好。在此前提下进行第二组试验。
第二组：对J2-R～J7-R进行试验（考虑到粘贴层数和锚固长度之间有关系，所以需逐个进行试验）。
经过两组试验的对比，就能知道哪种加固方案最好了。
表1 试件基本情况
|
试件编号 |
锚固方式 |
碳纤维布粘贴层数 |
碳纤维布锚固长度（㎜） |
|
J1（对比件） |
无 |
0 |
0 |
|
J2-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
1 |
250 |
|
J3-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
1 |
500 |
|
J4-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
2 |
250 |
|
J5-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
2 |
500 |
|
J6-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
3 |
250 |
|
J7-R |
膨胀螺栓（后钻孔） |
3 |
500 |
|
J8-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
1 |
250 |
|
J9-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
1 |
500 |
|
J10-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
2 |
250 |
|
J11-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
2 |
500 |
|
J12-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
3 |
250 |
|
J13-R |
粘接剂（树脂锚杆） |
3 |
500 |
膨胀螺栓锚固方式见图2；树脂锚杆锚固方式见图3。
图2 膨胀螺栓锚固形式
图3 树脂锚杆锚固形式
1试件的尺寸和配筋
本试验的试件尺寸是参考中高层框架结构节点的实际设计情况而制作的，力求使试验的设计对象能与实际相符。试件设计成比例为1:1的试件，加荷位置基本位于梁反弯点处。
试验构件的尺寸及配筋情况图如图4所示。
图4 试件配筋（红色线条为钢筋）
2试验加固方案
⑴ 碳纤维布加固方案
本试验是研究碳纤维布对钢筋混凝土结构梁的负弯距区域及临近此区域的节点柱端的加固，但为了避免在试验加载过程中构件先产生剪切破坏，因此对梁端和柱端也进行了抗剪加固（碳纤维布U型箍带和碳纤维布环向包裹）。
根据现有的资料并参考了加固公司、指导老师等多方面意见后，试验中加固方法定为:柱的4个侧面用长度是800㎜、宽100㎜的碳纤维布粘贴，并用宽300㎜的碳纤维布环向包裹柱端。梁是用长1200㎜、宽100㎜的碳纤维布粘贴在受拉受压区。梁的上下面满贴，最后用宽100㎜、间距为100㎜的碳纤维布箍带包裹梁上的碳纤维布。箍带的搭接长度至少为50㎜，搭接位置都在梁的底面中间(尽量避免转角处)。并在梁柱转角处注入填充胶。碳纤维布的加固位置主要位于梁负弯距区域及节点柱端。本试验碳纤维布加固的方案如图5所示。
1-梁顶纵向碳纤维布延伸到柱端；2-梁底纵向碳纤维布延伸到柱端；3-碳纤维布U型箍在梁底搭接50㎜；4-宽100㎜，长800㎜的碳纤维布贴于柱的四侧；5-宽300㎜的碳纤维布环向包裹柱端
图5试件加固方案
⑵ 试件的电阻应变片布置方案
本试验钢筋应变片布置在节点区梁端、柱端的主筋，如图6示;混凝土应变片布置在梁柱塑性铰区域的侧面，如图7示。碳纤维布应变片布置在梁柱塑性铰区域的侧贴碳纤维布、梁顶、梁底的碳纤维布及梁柱塑性铰区域的碳纤维布箍带上，如图8示。所测数据由电阻应变仪读出。
括号内数字为背面应变片测点
图6试件钢筋应变片布置
图7试件混凝土应变片布置
图8试件碳纤维应变片布置
3试验装置
本试验装置如图9示。
1-试件；2-液压千斤顶；3-液压荷载传感器；4-梁端荷载传感器；5-支座；6-柱端液压加载器；7-柱端荷载传感器；8-柱端球铰
图9试验加载装置
4本试验测量内容
⑴.试验过程中节点处梁、柱纵筋应变、混凝土表面和碳纤维布应变；
⑵.将位移传感器的信号和千斤顶上的拉压传感器的信号通过动态应变仪输出到X-Y函数记录仪上，最终给出荷载-位移曲线；
⑶.试验过程中观察裂缝发展及锚固破坏情况，试验后将补强加固节点的锚固装置及碳纤维布剥开，观察试件破坏情况，找出最优锚固方案。
四、结论
通过研究碳纤维布/环氧树脂复合材料对钢筋混凝土试件的加固修复作用,发现外部粘贴碳纤维法加固受损节点是非常有效的加固修复方法,可以显著地改善受损构件的受力性能,明显地提高试件极限强度。
虽然由于条件的限制没有进行具体的试验研究，但本人参考了诸多国内外的相关文献，经分析概括，得到以下结论：
⑴.研究不同层数碳纤维布对混凝土试件的加固作用,表明在混凝土表面粘贴1～3层碳纤维布,可将混凝土的断裂荷载提高1～2.5倍。从经济和实用角度来看,本人认为贴2层碳纤维布是最佳的选择。
⑵.梁柱节点内折角处碳纤维布使用膨胀螺栓锚固的方式更适宜。
⑶.碳纤维布的锚固长度与其层数有关，其关系基本符合经验公式：L≧250×n（㎜）（n为碳纤维布的粘贴层数）。
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