碳纤维加固结构技术在某钢筋混凝土工程中的应用

摘要：随着经济的快速发展，近年来在土木工程领域中的研究与应用也得到了迅速发展。碳纤维布加固修补结构技术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。它具有强度高、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。

关键字：碳纤维 加固结构技术 钢筋混凝土

1、工程概况

某化工厂工业用脱硫厂房共3层半框架结构，层高约3.6m，每层面积约为300m2，已使用约20年，根据工艺要求需要将3层原有储液槽拆除，并进行改造加设板框设备，层高加高至5m，原有的屋顶拆除，改用轻钢结构屋面，因楼层使用活荷载（5.0KN/m2）较大，原设计为可上人楼面（2.5KN/m2）已满足不了新的使用要求。为确保使用安全，需对原建筑进行结构验算、结构加固等工作。原楼面结构为主次梁现浇板体系（混凝土强度等级C25，板受力筋为Ⅰ级钢筋，梁受力筋为Ⅱ级钢筋）,基础为独立砼 (混凝土强度等级C25,柱C25)。结构验算表明，基础、柱无需加固；而一些大跨度主次梁正截面、斜截面，大跨楼板需进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，并征得使用单位的同意，决定采用碳纤维复合材料进行加固。

碳纤维加固结构构件技术原理

粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力。

碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。

加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为二种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料；配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1 碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件。

钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。

2.2 碳纤维加固钢筋混凝土抗剪构件。

钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。

3、有关材料的技术指标

目前，国内碳纤维材料及配套结构胶的生产厂家有多家，经认真了解材料的相关技术指标及操作说明，本工程使用的各材料指标如表1～表2。

4、加固设计

4.1基本假定

用碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算与普通混凝土梁有所不同，其基本假定为：（1）受拉区混凝土的作用忽略不计；（2）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。因本工程建成后未经装修使用，加固设计时忽略碳纤维二次受力的影响。

4.2设计

4.2.1受弯加固设计

根据DG／TJ 08-012-2002工程建设规范《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》、《混凝土结构加固技术规范 》CECS25-90的规定，采用纤维布进行受弯加固时，先确定已有弯矩Mi作用下裂缝截面处受拉钢筋的拉应力：

σsi=Mi/(0.87*As* ho)

裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

Ψ=1.1-0.65*ftk/(σsi*ρte)

ρte= As/ Ate

粘贴纤维布前构件在初始弯矩作用下混凝土受拉边缘的拉应变

εi=Ψ(σsi/Es) (h/ho)

按公式(1)计算受压区高度χ：

M≤ fcmbx (h-χ/2)-fyAs (h-ho)+fy’As’ (h-a’)(1)

按公式(2)计算按平截面假定确定的中和轴高度

χn=χ/0.8(2)

按公式(3)计算受拉边碳纤维布的应变（由平截面假定混凝土受压边缘达到极限压应变时）：

εf=εcu* (h-χn)/ χn-εi(3)

当εf≤εfa时，碳纤维布的强度刚刚或没有达到设计值，所需要的碳纤维布的面积按公式(4)

Af= (fcmbx- Asfy)/( Ef*εf) ≤Af,max(4)

当εf>εfa时，碳纤维布的强度超过设计值，所需要的碳纤维布的面积应按Af,min 计算：

Af,min= (fcmbxf,b+ As’fy’ -Asfy)/ffa

xf,b=0.8εcu*h/(εcu +εfa+εi)

采用的碳纤维布的厚0.2mm,粘贴宽度300，计算需要的碳纤维布层数：n= Af/(300*0.2)

4.2.2受剪加固设计

由于本工程需受剪加固的钢筋混凝土梁剪跨比λ≥3，可按下列公式进行斜截面受剪承载力计算：

V≤VC+ Vs+ Vf

VC、 Vs、Vf 未加固混凝土和钢筋、纤维布分别承担的剪力

Vf= Af *ffa(sina+cosa)* hf/ Sf

纤维布受剪Ef加固面积Af=2n* tf* wf

ffa = Ef* εfa本工程受剪加固时，纤维布采用U型粘贴，纤维布允许拉应变εfa取0.0025

4.2.3碳纤维布的具体布置

经过计算结果相比较,在工程设计误差许可范围之内，统一采取如下方案：

在需受弯加固梁底粘贴300mm宽碳纤维布3层；

在需受弯加固板短跨受力方向板底跨中粘贴200mm宽碳纤维布1层共三道，纤维布净间距为200mm；

对梁、板负弯矩进行受弯加固时，采用在梁侧600mm范围内板面粘贴200mm宽碳纤维布1层共两道，纤维布净间距为200mm；

在需受剪加固梁粘贴纤维布方向采用与构件轴向垂直的U型粘贴形式，主梁端每侧粘贴3个200mm宽碳纤维布U型箍2层，间距为100mm；次梁端每侧粘贴2个200mm宽碳纤维布U型箍2层，间距为100mm；

在需受剪加固次梁的主次梁相交处主梁每侧粘贴1个200mm宽U型箍2层。

框架梁两侧面上边缘各粘贴两层100mm宽的碳纤维布条固定碳纤维布“U”形箍。

经过以上措施，可满足设计和使用要求。

5、加固施工

5.1施工准备

粘贴碳纤维加固工艺,施工质量至关重要,直接关系到加固效果的好坏。为确保工程质量，工程开工前对每个施工环节、环境因素、人员素质进行了细致周密的考虑，对施工现场进行了清理，钢筋混凝土梁板加固前尽可能卸荷。

5.2施工步骤

⑴清除加固梁底及U型箍处吊筋等障碍物。

⑵用砂轮机将粘贴部位打磨平整，U型箍转角处打磨成R≥20mm的圆弧状。在锚固加强区每隔50mm刻痕一道，以增加粘贴效果。用吹风机清除浮尘、保持干燥并刷丙酮去脂。

⑶涂刷基底树脂（JGN-E）使其渗透至混凝土内部，以提高混凝土与碳纤维之间的粘结力。

⑷用整平材料补树脂（JGN-F）修复，填补不平整部位。

⑸涂刷粘结树脂（JGN-D），随即开始粘贴碳纤维布，多层粘贴时重复步骤（5）。

⑹粘贴完最后一层碳纤维布后再涂刷一道粘结树脂（JGN-D）。

5.3施工要点及注意事项

⑴混凝土与碳纤维布之间界面处理和好坏直接影响到混凝土梁的加固效果。因此梁底面及U型箍处必须反复打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷处用修补胶找平。

⑵粘贴碳纤维布时必须两人密切配合，一人拉紧碳纤维布，一人用刮板从一侧边刮边贴，保证不留气泡，粘贴紧密。实践证明，刮板粘贴碳纤维布效果很好，碳纤维布空鼓率基本为零。

⑶注意搭接区粘贴，做好标记，保证搭接长度≥150mm。

⑷碳纤维布为导电材料，应尽量远离电器设备及电源；碳纤维布应避免弯折；原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。树脂胶配置使用场所应保持通风良好。

经现场锤测及邵氏硬度计测试，施工质量达到优良，取得了良好的加固效果。

5、结语

通过对该工业厂房工程实例的碳纤维布加固，深深体会到碳纤维结构加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想。在基本不增大梁板的截面尺寸及自重的前提下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了业主的要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广使用价值。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。