การเสริมความแข็งแรงของคาน

1. ภาพรวมโครงการ

อาคารสำนักงานแบบครบวงจรในเขตฉีเจียง เมืองฉงชิ่ง สร้างเสร็จในปี พ.ศ. 2542 พบปัญหาต่อไปนี้ระหว่างการตรวจสอบคุณภาพในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2550:

(1) คานโครงบางส่วนมีรอยแตกร้าวที่เห็นได้ชัดตรงกลางช่วงคาน มีสันยื่นออกมา และเกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรง ก่อให้เกิดอันตรายต่อความปลอดภัย:

(2) ความแข็งแรงของคอนกรีตตามการออกแบบเดิมอยู่ที่ C30 และความแข็งแรงของคอนกรีตที่วัดได้อยู่ระหว่าง C20 ถึง C30

โครงการนี้เกิดจากคุณภาพการก่อสร้างที่ไม่ดี ซึ่งส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงของส่วนประกอบต่างๆ อย่างไรก็ตาม อาคารสำนักงานยังคงสามารถใช้งานได้หลังจากการเสริมความแข็งแรงของคานโครงที่เกี่ยวข้อง

2. การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์และการกำหนดแผนการเสริมแรง

2.1.ข้อดีด้านประสิทธิภาพของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์

(1) น้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบาโดยพื้นฐานแล้วไม่ทำให้โครงสร้างเสริมแรงมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงสูง แรงดึงสูงกว่าเหล็กประมาณ 10 เท่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูง แรงดึงสูงกว่าเหล็กถึง 68 เท่า และโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงกว่าเหล็ก 2.0 ถึง 2.6 เท่า

(2) ความทนทานสูง ประสิทธิภาพยังคงเดิมแม้ในอุณหภูมิสูง 600~3°C และยังคงมีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำ 0°C ในโลหะผสมอะลูมิเนียม ไม่กัดกร่อนด้วยกรด ด่าง และเกลือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

(3)โครงสร้างแข็งแรงทนทาน แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเบา พับได้ และโค้งงอได้ จึงสามารถใช้ชิ้นส่วนรูปทรงต่างๆ ได้หลากหลาย ขึ้นรูปได้สะดวก และสามารถติดแผ่นได้หลายชั้นตามแรงกด

(4) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนมีค่าต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์มีค่าน้อยมาก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในทิศทางของเส้นใยมีค่าเกือบเท่ากับศูนย์ คุณสมบัตินี้ไม่มีวัสดุอื่นใดเทียบได้ในปัจจุบัน แม้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในแนวตั้งฉากกับทิศทางของเส้นใยจะค่อนข้างสูง แต่ผลิตภัณฑ์ไอโซทรอปิกมีค่าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุอื่น

2.2. แผนการเสริมกำลังของโครงการนี้ได้รับการกำหนด

ตามความต้องการทางเทคโนโลยีของวิธีการเสริมแรงที่ใช้กันทั่วไปหลายวิธีและเงื่อนไขเฉพาะของโครงการ และการพิจารณาปัจจัยทางเศรษฐกิจอย่างครอบคลุม จึงนำวิธีการกำจัดมาใช้เพื่อกำหนดแผนการเสริมแรงขั้นสุดท้าย

ประการแรก เนื่องจากอาคารนี้สร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นสำนักงานเป็นหลัก ความสูงของชั้นจึงต่ำ ดังนั้น หากใช้วิธีขยายพื้นที่ จะทำให้พื้นที่ที่ใช้ลดลงอีก ซึ่งไม่สอดคล้องกับสถานการณ์จริงของโครงการ ดังนั้นจึงตัดวิธีแรกออกไป

ประเภทที่สองคือการเสริมเหล็กยึดเกาะที่นิยมใช้กันทั่วไป จำเป็นต้องใช้สลักเกลียวยางเพื่อยึดแผ่นเหล็กและพื้นผิวคานคอนกรีตให้อยู่ในระยะห่างที่กำหนดตามแนวยาวของแผ่นเหล็ก ซึ่งจำเป็นต้องเจาะรูจำนวนมากบนพื้นผิวคานคอนกรีต เนื่องจากอาคารสำนักงานขนาดใหญ่ตั้งอยู่ติดกับบ้านพักผู้สูงอายุในเขตฉีเจียง เสียงจากการเจาะจึงส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อผู้อยู่อาศัยโดยรอบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น จึงไม่รวมวิธีการเสริมเหล็กยึดเกาะด้วย

ประการที่สาม วิธีการเสริมแรงแบบอัดแรงล่วงหน้ายังไม่ถูกรวมเข้าด้วย เนื่องจากมีความต้องการอุปกรณ์ก่อสร้างสูง การก่อสร้างในสถานที่ยุ่งยาก และมีต้นทุนที่ค่อนข้างสูง

3. การออกแบบเสริมแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์

3.1. แนวคิดพื้นฐานในการออกแบบเหล็กเสริมของโครงการนี้ ชั้นป้องกันคอนกรีตของคานโครงบางส่วนของอาคารสำนักงานรวมได้แตกร้าว ทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงของเหล็กเส้น ส่งผลให้พื้นที่หน้าตัดของเหล็กเส้น ความแข็งแรงของเหล็กเส้น และความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างเหล็กเส้นกับคอนกรีตลดลง ในกรณีของการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ควรคำนวณจำนวนแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามยาวตามระดับการกัดกร่อนของโครงสร้างเพื่อเพิ่มความต้านทานการดัด: คำนวณจำนวนแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามขวางเพื่อเพิ่มความต้านทานแรงเฉือน

3.2. ความยาวจุดยึด

ความยาวจุดยึดที่มีประสิทธิภาพสำหรับประสิทธิภาพการยึดติดระหว่างแผ่น CFRP และคอนกรีตในแง่ของการกระจายหรือการกระจายแรงที่แปรผัน จะเห็นได้จากกราฟระยะห่างระหว่างความเครียดและรอยแตกร้าวว่า นอกจากความแตกต่างของค่าตัวเลขแล้ว รูปร่างของเส้นโค้งมีความคล้ายคลึงกันมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าความเครียดและแรงเค้นในแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน ความเครียดและแรงเค้นในการยึดติดส่วนใหญ่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญภายในระยะ 50 มม. จากรอยแตกร้าว ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าความยาวจุดยึดติดและจุดยึดของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 100 มม.

ความกว้างของคานโครงและคานรองของโครงการนี้อยู่ที่ 250 มม. แทนค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องลงในสูตรข้างต้นเพื่อคำนวณว่าจำเป็นต้องวางแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ 2 ชั้น กว้าง 200 มม. หนา 0.111 มม. ไว้ที่ด้านล่างของคาน ด้านบนของคานวางด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ 2 ชั้น กว้าง 200 มม. หนา 0.111 มม. ไว้ภายใน 1/3 ของช่วงคาน และใช้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามยาวกว้าง 100 มม. สำหรับการยึด