碳纤维加固技术在改造工程中的应用

碳纤维加固技术在改造工程中的应用
摘要：碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。本文以一个小型改造工程应用为例介绍了碳纤维复合材料在因功能改变引起荷载变化的结构构件加固中的计算方法和施工工艺，供同行参考。
关键词：碳纤维复合材料 混凝土结构 加固技术
碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，近年来发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。
采用碳纤维布加固具有以下几个优点：1、抗拉强度高，是普通钢材的10倍；2、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；3、自重轻（约200g/m2），密度只有普通钢材的1/4；基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广，适合任何形状；4、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），没有湿作业，易于操作，经济性好；5、适用范围广，施工工期短。
1、工程概况
四平市站前住宅楼，建造于90年代初，底部框架剪力墙结构结构，底部2层框架，上部4层住宅。原设计1，2层为餐厅（活荷载为2.5KN/ m2）,厨房（活荷载为4.0KN/ m2）设在一层。现计划重新装修开设肯德鸡连锁店，将厨房移到2层，原1层厨房位置设售餐台。由于功能改变导致荷载增大，原2层局部梁将不能满足设计要求，需要加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，决定采用碳纤维复合材料进行加固。
2、材料特性
⑴本工程使用德国进口的碳纤维布（C200），其主要性能指标见表1：
表1：碳纤维布主要性能指标
型号 单位面积质量（g/cm-2） 设计厚度mm 抗拉强度fcf (Mpa) 弹性模量Ecf (Mpa)
UDO200 200 0.111 4900 2.3×105
⑵粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶，其主要性能指标见表2：
表2：配套胶主要性能指标
种类 拉伸强度MPa 压缩强度MPa 剪切强度Mpa 适用温度℃ 可使用时间min
基底树脂（JGN-E） - - - 0～38 15～30
修补树脂（LGN-F） ＞28 ＞50 ＞18 0～38 ＞40
粘结树脂（JGN-D） ＞28 ＞50 ＞18 0～38 ＞60
3、加固设计
3.1基本假定
碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：
受拉区混凝土的作用忽略不计；
梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；
（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。
3.2加固设计
根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS 146:2003）［1］的规定，采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除，故不考虑二次受力的影响。
取A轴梁跨中为例
梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2 As0＇=980mm2
设计弯矩：Mu=510Kn·m 按原设计计算最大弯矩设计值：
x=( fyAs－fy＇As＇)/ fcb=115mm
Mu= fcbx (h0－x/2)+ fy＇As＇ (h0－a’)
= 14.3x350x115x(585-57.5)+300x980(585-40)=463.6 kN·m
本设计采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布3层（Acf=99.9mm2）, 按规程公式计算
碳纤维片材厚度折减系数：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818
[εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
界限相对高度： ξcfb=0.8Xεcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985
混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf应按下列公式进行计算：
1）、fcbx=fyAs－fy＇As＇+Ecfεcf Acf
2)、x＝0.8εcu/εcu+εcf
解得：ξcfbh＝0.1985x650＝129<χ≈137mm<ξbh0=329m; εcf =0.0051
根据规范公式4.3.2-1,
M=fcbx (h0－x/2)+fy＇As＇ (h0－a’)+ Ecf εcfAcf (h－h0)
=14.3x350x137x(585-68.5)+300x980(585-40)+2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN·m
由计算结果可知经过加固，此梁的最大弯矩设计值比原来提高了13％。
3.3构造做法
为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴160mm宽U型箍1道,在主次梁相交处每侧粘贴160mm宽U型箍1道。
U型粘贴的粘贴高度宜取构件截面高度。对于U型粘贴形式，宜在上端粘贴纵向碳纤维片材压条。［2］
考虑到碳纤维布多层粘贴时受施工现场影响的因素较大，建议受弯构件粘贴碳纤维布的层数不应超过3层。
4、施工工艺
一般工艺流程为卸荷—基底处理—涂底胶—找平—粘贴—保护。
考虑本工程特殊施工环境因素，加固中应进行卸荷。加固前先将板面粉刷层及板面杂物清除。
本工程加固施工中，应先凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。
基本施工步骤：
⑴基底处理：
①混凝土表面出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。
②混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构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，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm）。
③风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
⑵涂底胶
①按配合比主剂∶固化剂＝3:1配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌。根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间，一般情况下20—50mim内用完。
②将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为6—24h。
⑶找平
①混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。
②转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。
⑷粘贴
①按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。
②调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。
③粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后，用特制工具反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分浸透碳纤维布；并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。多层粘贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。
④在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。
⑤碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200mm。
⑸保护
加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。
⑹质量要求
①每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。
②施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象，应采用针管注粘结胶的方法进行补救。粘结面积若少于90%则判定粘结无效，需重新施工。
③严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5－35℃范围内，相对湿度不大于70%。
5、施工效果
本工程从设计到竣工投入使用只有不到两个月的时间，采用碳纤维加固的方式施工，从准备到竣工只用了10天，没有出现任何质量问题，施工效果良好，得到了设计单位、监理单位、业主的好评。
因此，粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，值得推广应用。