碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用

1、碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用摘要：碳纖維具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長(zhǎng)壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。本文以一個(gè)小型改造工程應(yīng)用為例介紹了碳纖維復(fù)合材料在因功能改變引起荷載變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的計(jì)算方法和施工工藝，供同行參考。 關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 混凝土結(jié)構(gòu) 加固技術(shù) 碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起

2、步很晚，近年來(lái)發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用碳纖維布加固具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、抗拉強(qiáng)度高，是普通鋼材的10倍；2、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡(jiǎn)便（不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），沒(méi)有濕作業(yè)，易于操作，經(jīng)濟(jì)性好；5、適用范圍廣，施工工期短。1、工程概況四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，底部2層框架，上部4層住宅。原設(shè)計(jì)1，2層為餐廳（活荷

3、載為2.5KN/ m2）,廚房（活荷載為4.0KN/ m2）設(shè)在一層。現(xiàn)計(jì)劃重新裝修開設(shè)肯德雞連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設(shè)售餐臺(tái)。由于功能改變導(dǎo)致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要加固。經(jīng)過(guò)方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。2、材料特性本工程使用德國(guó)進(jìn)口的碳纖維布（C200），其主要性能指標(biāo)見表1：表1：碳纖維布主要性能指標(biāo)型號(hào)單位面積質(zhì)量（g/cm-2）設(shè)計(jì)厚度mm抗拉強(qiáng)度f(wàn)cf (Mpa)彈性模量Ecf (Mpa)UDO2002000.11149002.3×105粘貼用樹脂采用國(guó)產(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見表2：表2：

4、配套膠主要性能指標(biāo)種類拉伸強(qiáng)度MPa壓縮強(qiáng)度MPa剪切強(qiáng)度Mpa適用溫度可使用時(shí)間min基底樹脂（JGN-E）-0381530修補(bǔ)樹脂（LGN-F）28501803840粘結(jié)樹脂（JGN-D）285018038603、加固設(shè)計(jì)3.1基本假定碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計(jì)算采用如下基本假定：受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)；梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；（3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：cf=Ecf×cf且cf<0.01。3.2加固設(shè)計(jì)根據(jù)碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS 146:2003）1的規(guī)定，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)

5、計(jì)法進(jìn)行計(jì)算?？紤]到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。取A軸梁跨中為例梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2 As0=980mm2 設(shè)計(jì)彎矩：Mu=510Kn·m 按原設(shè)計(jì)計(jì)算最大彎矩設(shè)計(jì)值：x=( fyAsfyAs)/ fcb=115mmMu= fcbx (h0x/2)+ fyAs (h0a)= 14.3x350x115x(585-57.5)+300x980(585-40)=463.6 kN·m本設(shè)計(jì)采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層（Acf=99.9mm2）, 按規(guī)程公式計(jì)

6、算碳纖維片材厚度折減系數(shù)：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/4200000.818cf= kmcfu=0.017>0.01 取cf=0.01界限相對(duì)高度： cfb=0.8Xcu/(cu+cf)=0.8×0.0033/(0.0033+0.01)=0.1985混凝土受壓區(qū)高度x和受拉面上碳纖維片材的拉應(yīng)變cf應(yīng)按下列公式進(jìn)行計(jì)算：1）、fcbx=fyAsfyAs+Ecfcf Acf2)、x0.8cu/cu+cf 解得：cfbh0.1985x650129<137mm<bh0=329m; cf =0.00

7、51根據(jù)規(guī)范公式4.3.2-1,M=fcbx (h0x/2)+fyAs (h0a)+ Ecf cfAcf (hh0)=14.3x350x137x(585-68.5)+300x980(585-40)+2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN·m 由計(jì)算結(jié)果可知經(jīng)過(guò)加固，此梁的最大彎矩設(shè)計(jì)值比原來(lái)提高了13。3.3構(gòu)造做法為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道,在主次梁相交處每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道。U型粘貼的粘貼高度宜取構(gòu)件截面高度。對(duì)于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片材壓條。2考慮到碳纖維布多層粘貼時(shí)受施工現(xiàn)場(chǎng)影

8、響的因素較大，建議受彎構(gòu)件粘貼碳纖維布的層數(shù)不應(yīng)超過(guò)3層。 4、施工工藝一般工藝流程為卸荷基底處理涂底膠找平粘貼保護(hù)?？紤]本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應(yīng)進(jìn)行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。本工程加固施工中，應(yīng)先鑿開保護(hù)層直至結(jié)構(gòu)層基面，方可進(jìn)行下一步處理。基本施工步驟：基底處理：混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)?；炷两悄C(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R20mm）。風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈，

9、并保持干燥。涂底膠按配合比主劑固化劑3:1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計(jì)量，電動(dòng)攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間，一般情況下2050mim內(nèi)用完。將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn)）再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時(shí)間為624h。找平混凝土表面凹陷部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填補(bǔ)，盡量減小高度差。轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用修補(bǔ)劑修補(bǔ)成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補(bǔ)劑表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一步工序。粘貼按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑（使用方法與底膠相同），然后均勻

10、涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴(yán)禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無(wú)誤后，用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的粘貼。在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。碳纖維布沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得小于200mm。保護(hù)加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。質(zhì)量要求每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢查，并做好相關(guān)的驗(yàn)收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)立即返工。施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結(jié)效果。如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實(shí)的現(xiàn)象，應(yīng)采用針管注粘結(jié)膠的方法進(jìn)行補(bǔ)救。粘結(jié)面積若少于90%則判定粘結(jié)無(wú)效，需重新施工。嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度。施工溫度在