碳纤维材料在结构加固中的应用

摘要：某高层公共建筑建成后，由于业主改变了使用功能要求，导致楼层荷载的大幅增加，需对楼层梁板进行加固；通过对碳纤维加固和粘钢加固等方法比较分析后，确定碳纤维加固为最合理方案。详细介绍了碳纤维加固设计与施工方法。

关键词：碳纤维 加固梁板

中图分类号：TQ327文献标识码： A

1工程概况

某实验楼建于2004年，主体为16层框架―剪力墙结构，地下2层，基础埋深-9.8m，建筑高度60m。建成后投入使用前，改楼层3的部分房间由办公楼改成档案室，档案室中需考虑使用密集柜保存资料，由于使用功能的变化，按照荷载规范，楼面活荷载由3.0kN/m2增加为12 kN/m2，原先设计的梁板配筋均远远不足，增加幅度过大，为减少加固费用，经过与甲方沟通，确认按甲方订的密集柜的数量、体积及摆放位置，实测其荷载，最终确认按8 kN/m2进行加固设计。3层结构平面如图1所示，由于荷载增加，必须对结构梁板进行加固。

图13层结构平面示意

2加固方案的确定

由于工期、资金和建筑功能的要求，对加固方案提出了很多限制，传统的加固方案难以实施。在此基础上，通过制定各种合理方案，比较各方案的优缺点，从而确定最佳方案。

各方案比较见表1。粘钢加固方是目前国内应用较普遍的传统的加固方法，但由于在粘结胶和钢板的交接面处容易发生锈蚀，从而削弱粘钢强度，因而影响加固效果。本工程由于对加固技术的要求较高，而碳纤维加固由于具有需要的设备、机具较少，不会产生明火，不改变原有结构的尺寸，不增加原有结构的荷载，施工影响较小等特点，比较适合。

表1碳纤维加固方法与粘钢钢加固方法比较

工作 传统加固法（加大截面、粘钢加固等） 粘贴碳纤维加固法

对原结构自重、断面等的影响 影响较大，结构自重增大、截面尺寸

增大，净空减小 几乎不增加结构自重和截面尺寸

施工工艺 施工工序较繁琐，有湿作业，需要相关的机械设备，需占用较大场地、空间 工艺简单，技术可靠，固化好，施工中不会扰动原结构，保持其完好状态

耐久性 外加钢结构易发生锈蚀，需定维护 耐酸碱盐及大气环境的腐蚀，基本不需后期维护

工期 较长 较短

工程造价 综合造价略高于CFRP工法 综合造价略低于粘钢工法

施工机械 使用重型机械吉各类模具 无需重型机械及模具

加固后外观 外观改变较大 外观无改变，且各种涂料

强度安全储备 小于CFRP工法加固 大于粘钢工法加固

疲劳性能 较好 极好

表2 碳纤维布主要性能指标

抗拉强度设计值（MPa） 弹性模量（MPa） 延伸率（%） 设计厚度（mm） 密度（kg/m3） 耐腐蚀性 浸透性 均匀度

3550 2.3X105 2.0 0.167 1790 优 良好 良好

表3 粘贴CFRP用长江牌（YZJ）建筑结构胶力学性质

抗拉强度（MPa） 抗剪强度（MPa） 与混凝土粘贴强度（MPa） 适用温度（度） 弹性模量（GPa）

30~35 24~30 2.2 -40~+70 5~6

3架构加固设计

3.1材料特性

本工程使用了日本进口的碳纤维布，其主要性能指标见表2.粘贴CFRP用长江牌（YZJ）建筑结构胶，其力学性能见表3。

3.2加固设计

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）梁受完后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定。按《混凝土结构加固设计规范》（GB50367―2006）进行正截面抗弯和斜截面抗剪加固计算。

2设计计算

（1）梁正截面抗弯计算

梁截面为300X600，腹板高度为480mm，采用C30混凝土，HRB335钢筋，设计弯矩值为488kN.m，初设弯矩为100kN.m，考虑二次受力影响，采用高强I级碳纤维布，其设计强度为2300N/mm2。试算结果需3层碳纤维片材，碳纤维拉应变设计值为0.01。

混凝土有效受拉截面的纵向受拉钢筋配筋率按照下式计算[2] ；

式中为有效受拉混凝土面积。计算得出=0.016。

纤维复合材的滞后应变按照下式计算[2]：

式中为综合考虑受弯构件裂缝截面内力臂变化、钢筋拉应变不均匀以及钢筋排列影响等的计算系数，查文[2]表9.2.8得。最后计算得出。

根据文[2]式9.2.3―1解出混凝土受压区高度，代入式9.2.3―3得纤维计算折减系数，按9.2.4―2计算纤维复合材厚度折减系数。最终计算得出受拉面粘贴的纤维复合材的总宽度mm。选用3层厚0.167mm宽893mm的高墙I级碳布，满足计算要求。

（2）梁斜截面抗剪计算[2]

梁箍筋采用，楼板厚度为120mm。梁的设计剪力值为318kN，采用高强级碳布，其设计强度为2300N/mm2,试算碳纤维片材层数为1层，纤维侧面粘贴高度为，纤维条宽度。加锚方式采用加织物压条的一般U型箍，剪跨比。查GB50367表9.3.3计算抗剪强度折减系数，纤维复合材料抗拉强度调整系数为0.56，原梁抵抗剪力值综合下列各式求解[2] ：

当时，

当时，

原梁抵抗剪力值kN，先选用1层0.167mm宽150mm高强级碳布，按照下式计算：

得出纤维复合材带的间距为，选用1层0.167mm宽150mm高强级碳布加固，满足计算要求。

（3）加固方法

具体做法如图2,3所示。图2为板加固平面图，中间支座处板顶加两层碳纤维布，板底通长加两层碳纤维布。图3为梁加固图，中间支座处梁顶加三层碳纤维布，梁底通长加三层碳纤维布，支座附近加U型箍碳纤维布以满足梁抗剪承载力。

图2 板加固平面图

图3板梁加固详图

4束语

工程的主体结构加固改造已完工并投入使用多年，虽然碳纤维加固的费用较贵（结构费用为1000元/m2，若用粘钢加固，其结构费用为800元/m2），但考虑到土建工程的建设费用，不仅包括其建成的一次性投资，而且应包括使用期间的维护费用，尤其是碳纤维加固后不改变结构外形，不显露补强痕迹，在施工中期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了业主的要求，具有很高的综合效益。所以从综合的角度考虑，碳纤维加固的性能价格比要高于传统的外粘加固加固技术，科技含量更高，具有较大的推广使用价值。

参考文献：

[1] 张柯，肖国平等.碳纤维材料在某公共建筑抗震加固中的运用[J].工业建筑，2001,31（9）.

[2]混凝土结构加固设计规范（GB50367―2006）[s].北京：中国建筑工业出版社，2006.