碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用

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碳纖維布加固修補結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達到對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補強的目的。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達國家，我國起步很晚，近年來發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
    采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點：1、抗拉強度高，是普通鋼材的10倍；2、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡便（不需大型施工機構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），沒有濕作業(yè)，易于操作，經(jīng)濟性好；5、適用范圍廣，施工工期短。
    1、工程概況
    四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，底部2層框架，上部4層住宅。原設(shè)計1，2層為餐廳（活荷載為2.5KN/ m2）,廚房（活荷載為4.0KN/ m2）設(shè)在一層。現(xiàn)計劃重新裝修開設(shè)肯德雞連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設(shè)售餐臺。由于功能改變導(dǎo)致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設(shè)計要求，需要加固。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟技術(shù)可行性比較，決定采用碳纖維復(fù)合材料進行加固。
    2、材料特性
    ⑴本工程使用德國進口的碳纖維布（C200），其主要性能指標(biāo)見表1：
    表1：碳纖維布主要性能指標(biāo)
型號       單位面積質(zhì)量 （g/cm-2）  設(shè)計厚度mm   抗拉強度 fcf (Mpa)  彈性模量 Ecf (Mpa)
 
UDO200            200                          0.111              4900                 2.3×105
 
    ⑵粘貼用樹脂采用國產(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見表2：

表2：配套膠主要性能指標(biāo)

種類                   拉伸強度MPa  壓縮強度MPa  剪切強度Mpa  適用溫度℃   可使用時間min
基底樹脂（JGN-E）        -                    -                -                0～38        15～30
 
修補樹脂 （LGN-F）  ＞28               ＞50             ＞18           0～38            ＞40
 
粘結(jié)樹脂（JGN-D）   ＞28               ＞50              ＞18           0～38           ＞60
 
    3、加固設(shè)計
    3.1基本假定
    碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計算采用如下基本假定：
    受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；
    梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；
    （3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。
    3.2加固設(shè)計
    根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 146:2003）［1］的規(guī)定，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計法進行計算?？紤]到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。
    取A軸梁跨中為例
    梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2  As0＇=980mm2
    設(shè)計彎矩：Mu=510Kn·m   按原設(shè)計計算最大彎矩設(shè)計值：
    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
    本設(shè)計采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層（Acf=99.9mm2）, 按規(guī)程公式計算
    碳纖維片材厚度折減系數(shù)：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818
    [εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
    界限相對高度：      ξcfb=0.8Xεcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985
    混凝土受壓區(qū)高度x和受拉面上碳纖維片材的拉應(yīng)變εcf應(yīng)按下列公式進行計算：
    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
    根據(jù)規(guī)范公式4.3.2-1,
    M=fcbx (h0－x/2)+fy＇As＇ (h0－a’)+ Ecf εcfAcf (h－h(huán)0)
    =14.3x350x137x(585-68.5)+300x980(585-40)+2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN·m     
    由計算結(jié)果可知經(jīng)過加固，此梁的最大彎矩設(shè)計值比原來提高了13％。
    3.3構(gòu)造做法
    為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道,在主次梁相交處每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道。
    U型粘貼的粘貼高度宜取構(gòu)件截面高度。對于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片材壓條。［2］
    考慮到碳纖維布多層粘貼時受施工現(xiàn)場影響的因素較大，建議受彎構(gòu)件粘貼碳纖維布的層數(shù)不應(yīng)超過3層。
    4、施工工藝
    一般工藝流程為卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護。
    考慮本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應(yīng)進行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。
    本工程加固施工中，應(yīng)先鑿開保護層直至結(jié)構(gòu)層基面，方可進行下一步處理。
    基本施工步驟：
    ⑴基底處理：
    ①混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除，對于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進行修復(fù)。
    ②混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)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，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。
    ③風(fēng)機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。
    ⑵涂底膠
    ①按配合比主劑∶固化劑＝3:1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時間，一般情況下20—50mim內(nèi)用完。
    ②將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn)）再進行下一工序施工。一般固化時間為6—24h。
    ⑶找平
    ①混凝土表面凹陷部位應(yīng)用修補劑填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用修補劑填補，盡量減小高度差。
    ②轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用修補劑修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。
    ⑷粘貼
    ①按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布。
    ②調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑（使用方法與底膠相同），然后均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴(yán)禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。
    ③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。
    ④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。
    ⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。
    ⑸保護
    加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。
    ⑹質(zhì)量要求
    ①每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進行檢查，并做好相關(guān)的驗收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問題，應(yīng)立即返工。
    ②施工結(jié)束后的現(xiàn)場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結(jié)效果。如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實的現(xiàn)象，應(yīng)采用針管注粘結(jié)膠的方法進行補救。粘結(jié)面積若少于90%則判定粘結(jié)無效，需重新施工。
    ③嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場的溫度和濕度。施工溫度在5－35℃范圍內(nèi)，相對濕度不大于70%。
    5、施工效果
    本工程從設(shè)計到竣工投入使用只有不到兩個月的時間，采用碳纖維加固的方式施工，從準(zhǔn)備到竣工只用了10天，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題，施工效果良好，得到了設(shè)計單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的好評。
    因此，粘貼碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)行之有效的方法，值得推廣應(yīng)用。