碳纤维片材结构加固计算与施工方法

摘 要：碳纤维复合材料加固修复技术是一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能材料应用于结构工程加固，利用树脂类物质使碳纤维与需要加固构件贴合，使之成为复合体，通过其与构件的共同作用，实现对结构构件补强加固，提高受力性能的目标。

关键词：碳纤维；补强；复合体；加固

前言

碳纤维片材用于混凝土结构加固始于发达国家，目前在国内发展迅速，该复合体加固技术的研究与应用已达到一定的水平，具有成本低，施工方便的特点，广泛应用于房屋、桥梁构件的维修、加固、补强。

1 材料特点及性能

碳纤维片材具有很高的抗拉强度，约10倍于普通钢材，比普通钢筋弹性模量高；材质本身柔性好，便于裁剪，易于加固操作，加固施工无需任何夹具、模板，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，可多层粘贴，并能有效地封闭混凝土的裂缝；耐腐蚀及耐久性能好；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；相对其它加固方法比较，碳纤维加固施工简便，不需大型施工机械及周转材料，可操作性好，施工周期短。

2 适用范围

碳纤维片材结构加固技术广泛适用于各种形式的钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固补强。

3 加固技术原理

碳纤维补强加固原理是采用碳纤维片材，配制专用的粘贴树脂胶将其粘贴在处理后的加固构件表面，胶体固化后与需加固构件组合成复合整体共同受力，达到构件加固目的。

结构加固采用的碳纤维片材，其性能指标要求具有较高的抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面要求有较好的密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等；专用树脂包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，底层树脂、找平树脂的作用是为了提高碳纤维的粘结效果，粘结树脂的使用是为了使加固片材和加固构件能够复合为一个整体，共同作用，起到增强构件的抗弯、抗剪承载力，使结构构件得到加固、补强。

4 计算方法

4.1 基本假设

假设碳纤维加固截面应力-应变关系符合平截面及线弹性；碳纤维片材较薄，认为其中心距梁顶的距离与梁高相等。

4.2 设计计算方法

首先判断加固后构件的破坏形式，再计算构件的抗弯极限承载力，最后利用抗弯极限承载力满足设计承载力要求的条件，求得粘贴面积。

4.2.1 判断加固后构件的破坏形式

构件压区混凝土和碳纤维同时破坏的状态为界限破坏，此时的

截面应力应变关系为 ，在界限破坏时所需的

最大钢筋面积为 ，设截面已有的纵向钢筋面积为As，

如果Asmax

利用换算截面原理，计算界限破坏时所需碳纤维布的面积 ，计算此时的截面承载力Mb=fyAs（h0-0.4xb0）+Acf，bfcf（h-0.4xb0），若Mb>Mu，则说明破坏形式为碳纤维布断裂，反之破坏形式为压区混凝土被压碎。

4.2.2 加固所需的碳纤维布面积

当破坏形式为压区混凝土被压碎时，εs>εy，εc=εcu，εcf

εcf=h-xb1， 。

由力的平衡条件 和弯矩平衡条

件 ，联立解出Acf，从而确定加固所需要的碳纤维布面积。

当破坏形式为碳纤维布断裂时，此时εs>εy，εo

考虑到界限破坏时受压区高度相对受压区高度

。

碳纤维拉断时，相对受压区高度xb2小于xb，而且0.198h相对很小，因此偏于安全地可取混凝土受压区合力作用点在0.1h处。

因此极限弯矩Mu=fyAs（h0-0.1h）+0.9EcfεcfuAcfh。由此求出Acf。

5 施工工艺

5.1 基本施工步骤

在实施加固前，应提前采取措施使构件承受荷载尽可能卸除，片材粘贴后加固构件最大程度恢复原貌，提高构件加固完成后再次受力变形富余量。

施工流程为：构件基层处置刷底层涂料环氧腻子修补残缺片材分层粘贴养护涂装。

5.2 混凝土残缺修补与基底处理

彻底清理混凝土构件表面的残损，直到密实位置，并使用角磨机打磨达到光滑平整。对剔凿、清理后露筋的残损位置，采取环氧树脂砂浆实施修补复原，对表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨，修复至表面平整、顺滑。构件表面凸起部分需要处理平顺，对边角位置，需磨成圆角，半径须大于3cm，宽度不大于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹封闭；超过0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。

加固构件经过打磨后，将表层杂质及浮灰处理掉，最好用酒精进行清洗，并充分干燥加固构件表面等待下步操作。

5.3 涂底层涂料

均匀搅拌放入容器内底层涂料的主剂和固化剂搅拌均匀，需准确称量按规定比例放入，估算凝固前单次使用量，使其在可用时间内用完，避免浪费。将底层涂料均匀地涂刷于构件表面，确定干燥后才能进行下层工序的操作。

5.4 粘贴碳纤维片材

粘贴树脂经搅拌用滚筒刷均匀地涂抹在贴片上，贴片时，在纤维片和树脂之间避免有气体，片材顺长方向的接头搭接应不小于100mm。可用专用滚压工具沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使树脂渗浸进片材中。上层片材粘贴半小时后，并保证底层粘贴的碳纤维片上涂已干燥，才能粘贴下一层，如需多层粘贴则重复以上步骤。最上面一层片材粘贴应涂刷均匀、周边整齐。

5.5 养护

加固完成后，加载荷使用前应养护，一般在7～14天内。必要时应采取封闭遮挡养护。对表面有装饰要求的结构或构件，可在粘贴后的碳纤维表面直接喷涂与其无化学反应的环氧类型涂料或抹灰后涂刷常规涂料。

6 施工质量要求及缺陷处理

每道工序完毕后均应按技术要求进行复查，做好相关的质量记录，如发现质量问题，应铲除返工整改。

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%。

敲击碳纤维片材表面，以声音判断粘结效果，检查有无空鼓，无空鼓或小于30mm的小空鼓即为合格；大的空鼓或较多的小空鼓应采取注入耐久树脂胶处理。粘结面积若少于90%则判定粘结无效，需重新施工。

综上所述，碳纤维片材加固、补强结构的成本低于加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法等其他补强方法，越是复杂结构其优点越明显。由于该技术的施工简便迅速、施工周期短、占用空间小，对周围的影响可降低到最低限度，因此具有很大的社会、经济效益与巨大的优越性，拥有广泛的应用前景。