碳纖維技術在工程加固的運用探索

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摘要：用CFRP材料加固混凝土結構中的應用，提高構件承載力，施工工藝簡單及其優越性。介紹碳纖維加固的優點，設計方法，實際加固應用。

關鍵詞：碳纖維布；設計方法；施工工藝

1碳纖維加固結構構件技術原理

外貼纖維增強復合材料加固混凝土技術是通過在混凝土結構外部粘貼纖維增強復合材料片材，通過二者協同受力，達到加固目的。碳纖維材料具有高強度、高彈性摸量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強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。加固修復混凝土結構所有碳纖維材料主要為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當，某些（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材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結質量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復合性整體，并且共同工作，提高結構構件的抗彎、抗剪承載力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

2受彎構件正截面加固設計計算

2.1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：①受拉區混凝土的作用忽略不計；②梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合截面假定；③碳纖維材料采用線彈性應力—應變關系：δcf=EcfXεcf，且ε<0.01。④當考慮二次受力影響時，應按構件加固前的初始受力情況，確定纖維復合材料的滯后應變；⑤由于外貼的碳纖維布很薄，近似認為CFRP布中心離梁頂的距離與梁高相等；⑥在到達抗彎承載力極限狀態前，加固材料與混凝土之間不致出現黏結剝落破壞。

2.2加固設計方法在矩形截面受彎構件的受拉邊混凝土表面上粘貼纖維復合材料進行加固時，其正截面承載力應符合下列規定，即

當X≥2a’時

M≤a1fcobx（h-X/2）+f’yoA’so（h-a’）-fyoAso（h-ho）

a1fco=fyoAso+фfffAfe-f’yoAso

фf={（0.8εCUh/x）-εCU-εfo}/εf

3碳纖維材料的加固工程

某汽車配件廠建于2001年，五層框架結構，廠房跨度7m，由于生產需要，將原來的五層增加至六層，經過結構檢測和計算，局部原來的框架梁承載力達不到新增的使用要求，故局部框架梁須做加固設計。

計算書：根據PKPM結構計算軟件計算浙江月華汽配有限公司生產車間部分梁缺筋，缺筋量130~359mm2。正彎矩缺筋量最大為222mm2，負彎矩缺筋量最大為359mm2。

梁粘碳布加固：

M≤a1fcbx（h-x/2）+f|yA|s（h-a|）-fyAs（h-ho）

a1fcbx=fyAs+ψfffAse-f|yA|s

ψf=（（0.8εcuh/x）-εcu-εfo）/εf

x≥2a|

由上式中可知缺筋量As等于ψfffAse/fy。

設粘碳纖維布同梁寬250mm按一層計算，碳纖維布計算厚度為0.167mm，抗拉強度為2000MPa。

即

As=ψfffAse/fy

=0.85*2000*250*0.167*1/300

=236.6mm2

同理按二層計算

As=ψfffAse/fy

=0.85*2000*250*0.167*2/300

=473.2mm2

從以上二種計算結果得：

梁正彎矩缺筋量在236.6mm2內粘一層碳纖維布，大于236.6mm2而小于473.2mm2粘二層碳纖維布，滿足加固要求。

4碳纖維材料的加固施工工藝

施工工藝：卸荷→基底處理→涂底膠→找平→粘貼→保護。

4.1卸荷加固前應對所加固的構件盡可能卸荷。

4.2基底處理①混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除，對于較大面積的劣質層在鑿除后應用環氧砂漿進行修復。②裂縫部位應首先進行封閉處理。③用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，構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，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。④用吹風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

4.3涂底膠（FP膠）①按主劑∶固化劑=2∶1的比例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，根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。一般情況下1h內用完。②用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

4.4找平①混凝土表面凹陷部位應用FE膠填平，模板接頭等出現高度差的部位應用FE膠填補，盡量減小高度差。②轉角處也應用FE膠修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。

4.5粘貼①按設計要求的尺寸及層數裁剪碳纖維布。②調配、攪拌粘貼材料FR膠（使用方法與底膠FP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。③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應重復上述步驟，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FR膠。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm，碳纖維端部固定用橫向碳纖維或粘鋼固定（壓條）。

4.6保護加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

5結語

粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型加固技術，已經得到較廣泛的應用，并已產生較大的經濟效益；在混凝土結構的加固中，碳纖維布主要分擔鋼筋受力，即碳纖維主要提高結構構件的抗拉強度，在其他結構中，碳纖維布也起到比較良好的抗拉強度作用。

參考文獻：

[1]王全風.結構加固設計及實用計算[M].北京：中國電力出版社.