碳纖維布加固框架梁的原理與施工技術(shù)探討

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1、碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)簡(jiǎn)介
    碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)新型加固技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)是將碳素纖維這種高性能纖維應(yīng)用于土木工程，利用樹指類材料把碳纖維粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體（CFRP），通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。
   2、碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)原理
    碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維材料主要為二種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強(qiáng)度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些種類(如高彈性)碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹指則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。
    3、加固工程概況
   某110kV變電所建于2000年，因電容器室爆炸燃燒，第二榀框架梁遭到破壞，保護(hù)層混凝土開裂、酥松、剝落，下弦鋼筋變形較嚴(yán)重，鋼筋受力截面削弱，危及結(jié)構(gòu)安全，影響電力的安全生產(chǎn)。經(jīng)基建部門、設(shè)計(jì)部門、加固公司等單位專家一起進(jìn)行分析比較，選擇粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，防止大梁的過度變形，延長(zhǎng)梁的使用壽命。
    4、碳纖維布加固框架梁設(shè)計(jì)
    4．1碳纖維布加固的前提
    首先，利用回彈法對(duì)框架梁混凝土進(jìn)行檢測(cè)，以供加固參考。經(jīng)檢測(cè)，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度為C30。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，及現(xiàn)場(chǎng)混凝土、鋼筋的受損情況，考慮提高框架梁的抗拉強(qiáng)度等級(jí)，為此，將610mm寬的碳纖維布裁成兩半，分兩層粘貼在框架梁的底面及兩側(cè)，加固后，增加了原受拉鋼筋面積，彌補(bǔ)了由于原鋼筋變形而造成的截面削減，構(gòu)件的承載力得到加強(qiáng)，而且，總體配筋率ρmin≤ρ≤ρmax ，可以滿足使用要求。
    4．2碳纖維布的設(shè)計(jì)
    在受彎加固時(shí)，應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與受拉區(qū)的拉應(yīng)力方向一致。因梁底寬度為350mm，而碳纖維布的寬度為610mm，兼顧加固時(shí)碳纖維布的幅寬效應(yīng)及框架梁下的受拉范圍，考慮將碳纖維布裁為兩半，一層為300mm寬，一層為310mm寬，分兩層粘貼在梁的下側(cè)；再粘貼100mm寬的碳纖維布“U”形箍；框架梁兩側(cè)面上邊緣各粘貼四根100mm寬的碳纖維布條固定碳纖維布“U”形箍。

碳纖維布的主要力學(xué)指標(biāo)

 

抗拉強(qiáng)（Mpa）

彈性模（Mpa）

延伸率（%）

技術(shù)規(guī)程指標(biāo)

≥3000

≥2.1×105

≥1.4

    4．3配套樹脂粘結(jié)材料的設(shè)計(jì)
    配套樹脂分別由主劑和固化劑配制而成，分為適合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主劑和固化劑分別包裝，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，應(yīng)按工藝要求、按照規(guī)定的比例混合均勻，以形成所需要的底層樹脂、找平樹脂、粘結(jié)樹脂。
    ①底層樹脂  底層樹脂作用是增強(qiáng)表面混凝土與找平材料或粘結(jié)樹脂界面粘結(jié)強(qiáng)度；
    ②找平樹脂  找平樹脂是使表面平整度符合規(guī)定要求，并與底層樹脂及粘浸樹脂具有可靠的粘結(jié)強(qiáng)度；
    ③粘結(jié)樹脂  粘結(jié)樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結(jié)材料，其作用是使碳纖維布與混凝土得到充分的粘結(jié)，使其共同承受結(jié)構(gòu)的作用。
    配套樹脂粘結(jié)材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)：

   

正拉粘結(jié)強(qiáng)度（Mpa）

剪切強(qiáng)度
（Mpa）

拉伸強(qiáng)度
（Mpa）

彎曲強(qiáng)度
（Mpa）

底層樹脂

找平樹脂

技術(shù)規(guī)程指標(biāo)

≥2.5，且大于混凝土抗拉強(qiáng)度的1.2倍

/

/

/

粘結(jié)樹脂

技術(shù)規(guī)程指標(biāo)

同底層樹脂

≥10

≥30

≥40

    4、  施工準(zhǔn)備
    （1）主要材料：底膠、粘著膠、碳纖維布。
    （2）輔助材料：低速攪拌器、專用滾筒、角向磨光機(jī)、剪刀、鑿子、刮板、吹風(fēng)機(jī)、榔頭、量具等。
    （3）搭設(shè)腳手架：
    按安全規(guī)程要求搭設(shè)好腳手架，高度以滿足施工要求和施工方便。
    5、施工程序
    表面處理→修補(bǔ)找平→定位、下料→膠料配制→粘貼碳纖維布→表面防護(hù)→檢驗(yàn)、驗(yàn)收。
    6、  施工方法
    （1）表面處理：清理粘貼部位混凝土表層，打磨平整，并用MA砂漿修補(bǔ)，平整度應(yīng)達(dá)到5mm/m；框架梁、柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角粘貼處須打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。表面打磨后用吹風(fēng)機(jī)吹凈，并用PT劑清洗干凈。
    （2）修補(bǔ)找平：被加固的框架梁混凝土保護(hù)層部分疏松，應(yīng)清除直至露出結(jié)構(gòu)層；局部裂紋、蜂窩用MA砂漿修補(bǔ)表層修復(fù)平整。
    （3）膠料配制：按稱量比例調(diào)制粘結(jié)膠，調(diào)制前對(duì)A、B兩組按規(guī)定比例分別攪拌，混入后再充分?jǐn)嚢琛?br />     （4）粘貼碳纖維布：按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布，將配制好的粘結(jié)膠均勻涂抹在粘貼部份的混凝土面層上；鋪貼碳纖維布，并用滾筒沿碳纖維布纖維方向多次滾壓，使粘結(jié)膠充分浸透纖維中。
    （5）表面防護(hù)：在粘貼好的碳纖維布最后一層均勻涂抹一道粘結(jié)膠。
    （6）檢驗(yàn)：粘貼完工后，按規(guī)程進(jìn)行檢驗(yàn)。
    7、施工要求
    （1）表面處理：混凝土表面應(yīng)露出結(jié)構(gòu)，本體潔凈。構(gòu)件轉(zhuǎn)角應(yīng)成圓弧狀，半徑不小于20mm。
    （2）修補(bǔ)找平：經(jīng)表面處理后的粘貼面平整度應(yīng)達(dá)到5mm/m，有段差轉(zhuǎn)角部位、凹凸部位應(yīng)用MA砂漿找平，抹成平滑曲面。
    （3）膠料配制：膠料應(yīng)嚴(yán)格按比例配制，調(diào)膠使用的工具應(yīng)為低速攪拌器，攪拌應(yīng)充分均勻，配制攪拌后的膠料應(yīng)無沉淀、色差氣泡，并應(yīng)防止灰塵雜質(zhì)混入膠料。
    （4）粘貼碳纖維布：應(yīng)按設(shè)計(jì)要求裁剪碳纖維布，不得損傷橫向織物面，涂抹粘結(jié)膠應(yīng)均勻，鋪貼應(yīng)平整無氣泡。
    （5）表面防護(hù)：在粘貼好的碳纖維布上應(yīng)涂抹粘結(jié)膠一道，進(jìn)行防護(hù)，涂抹應(yīng)均勻充分，不應(yīng)漏涂。
    （6）檢驗(yàn)：粘貼完工經(jīng)固化后，進(jìn)行檢驗(yàn)。密實(shí)度可用小錘敲擊構(gòu)件粘貼表面，通過不同聲音判別密實(shí)情況。密實(shí)度應(yīng)達(dá)到相關(guān)規(guī)定，否則應(yīng)重新修補(bǔ)后再檢驗(yàn)。
    8、質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
    （1）纖維產(chǎn)品應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求選用，技術(shù)指標(biāo)必須符合有關(guān)規(guī)定，所用纖維產(chǎn)品應(yīng)有產(chǎn)品質(zhì)保書。
    （2）粘結(jié)膠料應(yīng)按設(shè)計(jì)要求選用，符合基本性能要求，所用膠料產(chǎn)品應(yīng)有產(chǎn)品質(zhì)保書。
    （3）施工質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

 

序號(hào)

檢驗(yàn)項(xiàng)目

合格標(biāo)準(zhǔn)

檢驗(yàn)方法

頻數(shù)

1

粘貼位置

與設(shè)計(jì)要求位置比較，中心偏差≤10mm。

鋼尺測(cè)量

全部

2

粘貼量

≥設(shè)計(jì)數(shù)量

實(shí)測(cè)計(jì)算

全部

3

粘貼質(zhì)量

（1）       單個(gè)空鼓面積<100mm²割除修補(bǔ)。

（2）       空鼓面積站總粘貼面積<5％。

錘擊法或其它方法

全部或抽樣

 

    7、結(jié)論
    根據(jù)加固原理可知，在施工前必須選擇合適的粘結(jié)劑，認(rèn)真查看材料的質(zhì)保書及使用說明，掌握材料的各有關(guān)參數(shù)，以確保它有足夠的強(qiáng)度，能保證碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作；在施工過程中，參照使用說明，每道膠都必須處理好，特別是粘貼碳纖維布的膠，應(yīng)盡可能讓膠充分地滲入到碳纖維絲之間（細(xì)部空鼓處，可用針筒注射膠），確保相互共同工作。通過對(duì)某110kV變電所工程實(shí)例的施工操作，深深體會(huì)到碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介中介紹的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，該工程施工時(shí)，在確保安全的前提下，僅使用了簡(jiǎn)單的腳手架，而且，碳纖維布裁剪非常方便，可以根據(jù)形狀及尺寸隨意裁剪，在各種支架的遮擋處可以隨意穿過，施工非常方便；另外，從2005年4月28日加固后到現(xiàn)在，一切使用良好；該工程從開工到結(jié)束僅7天（包括搭、拆腳手），工程總費(fèi)用僅為16772.00元。
    由此可見，碳纖維材料加固結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，應(yīng)用前景很光明。
    8、探討
    粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益；在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，碳纖維布主要是分擔(dān)鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力，減少裂縫的開展，那么在正常使用狀態(tài)中，碳纖維布與鋼筋混凝土一起各發(fā)揮了多少作用呢？它們的應(yīng)力狀態(tài)如何呢？在其它結(jié)構(gòu)構(gòu)中，碳纖維布能否也起到加強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的作用呢？這些問題有待工程技術(shù)人員進(jìn)一步研究、開發(fā)。