碳纤维在某厂房加固中的应用

　　一、工程概况
　　由于事业发展的需要，某厂房需要增加一台设备。因该设备荷载较大，一般民用建筑达不到使用要求。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。某厂房为三层混凝土框架结构，现需在二层楼面上增加一台设备，使用活载（6.0KN/m2）超过原楼面使用活载2.5KN/m2。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）。结构验算表明，楼板和主次梁正截面需进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，并征得业主的同意，决定采用碳纤维复合材料进行加固。
　　二、材料特性
　　1、本工程使用了进口的HEROMAN碳纤维，其主要性能指标见表1。
　　（1）、产品说明
　　HEROMAN碳纤维是将高强碳纤维编织成布，再用专用胶粘剂粘贴在混凝土表面上，达到加固补强的目的。
　　（2）、产品优点
　　a高强度、重量轻、厚度薄；
　　b施工便捷，施工质量易保证；
　　c耐久性和耐腐蚀性俱佳；
　　d抗疲劳性能好，适合被加固结构的各种形状。
　　表1碳纤维布主要性能指标

　　2、粘贴用树脂采用HEROMAN碳纤维配套建筑结构胶，其主要性能指标见表2
　　（1）、产品说明
　　HEROMAN碳纤维胶系A、B双组分改性环氧类胶粘剂，是碳纤维加固的专用胶种。
　　（2）、产品优点
　　a底涂胶具有粘度低、渗透力强，能很好渗入混凝土表面缝隙，与混凝土结合力强
　　b固化后的胶层物理机械性能和强韧性能优异
　　c触变性强、施工流淌少
　　d抗老化、耐介质（酸、碱、水）性能好
　　e室温固化、不含挥发性溶剂、粘结强度高
　　
　　三、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。
　　2设计方法
　　（1）实用公式
　　根据极限状态应力应变关系，由平衡条件可得：
　　当χ≥2a’时，
　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf(1)
　　Mu≤σcfAcf(h-χ/2)+fyAs(h0-χ/2)-fy’As’(χ/2-as’)
　　当χ<2a’时，
　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf(2)
　　Mu≤σcfAcf(h-as’)+fyAs(h0-as’)
　　（2）规程公式
　　根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》的规定，当混凝土受压区高度x≤ξcfbh时，其极限弯矩：
　　Mu≤fyAs(h0-0.5gξcfbh)+Ecf[εcf]•Acf（1-0.5ξcfb）(3)
　　其中，界限相对受压区高度：
　　ξcfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）
　　3次梁加固设计
　　次梁截面：b×h=400mm×500mm，As=As’=1018mm2
　　截面弯矩：Mu=242Kn•m
　　（1）按实用公式计算
　　首先估算混凝土受压区高度χ≈12mm<2as’
　　根据公式(2),解得:
　　Acf=53.1mm2
　　（2）按规程公式计算
　　界限相对高度：
　　ξcfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985
　　χ≈12mm<ξcfbh=89.3mm
　　根据公式（3），解得：
　　Acf=51.7mm2
　　（3）设计结论
　　两种计算结果相比较，其误差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程设计误差许可范围之内。
　　采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布两层（Acf=66.6mm2），可满足设计和使用要求。
　　4主梁加固设计
　　主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2，As’=1960mm2
　　极限弯矩:Mu=450Kn•m
　　（1）按实用公计算
　　首先估算混凝土受压区高度:χ≈29.5mm<2as’
　　根据公式(2),解得:
　　Acf=112.1mm2
　　（2）按规程公式计算
　　界限相对受压区高度:
　　ξcfb=0.1985
　　χ≈29.5mm<ξcfbh=89.3mm
　　根据公式(3),解得:
　　Acf=109.3mm2
　　（3）设计结论
　　两种计算结果相比较,其误差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程设计误差许可范围之内。
　　采取在梁底粘贴400mm宽碳纤维布3层（Acf=133.2mm2），可满足设计和使用要求。
　　5构造做法
　　为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴100mm宽U型箍3道,在主次梁相交处每侧粘贴100mm宽U型箍两道。
　　1－柱边3个U型箍，宽100mm，间距100mm；
　　2－次梁每侧2个U型箍，宽100mm，间距100mm；
　　3－碳纤维3层
　　四、碳纤维加固补强的施工工艺
　　1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理
　　（1）将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。检查外露钢筋是否有锈蚀，并进行必要的处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分进行修补复原；
　　（2）裂缝修补。缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝；
　　（3）将构件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修复后的段差尽量平顺。用磨光机把棱角磨成半径大于30mm的圆角；
　　（4）清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
　　2、底层涂刷（底层涂料具有较强的渗透性，可渗入砼表面内）
　　（1）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌均匀，一次调和量应在可使用时间内用完为准；
　　（2）用滚筒刷均匀的涂刷底层涂料；
　　（3）底层涂料固化后，表面有凸起部分时要用砂纸磨光；
　　（4）注意在气温小于5C，相对湿度大于85，砼表面含水率在8以上，有结露可能而无可靠保证措施时，均不得施工。
　　3、环氧腻子对构件表面残缺的修补
　　（1）构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整；
　　（2）内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补使之平顺。
　　4、贴碳纤维片
　　（1）为了防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受弯折。贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断纤维片，每段长度一般不超过6rn；。
　　（2）碳纤维接头必须搭接10cm以上，横向不需搭接；
　　（3）按规定比例掺配树脂主剂和固化剂，用滚筒刷均匀地涂刷黏结树脂，称为下涂；
　　（4）贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉沿着纤维方向在碳纤维片上对此滚压，使树脂渗入碳纤维中。
　　5、养护
　　粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
　　6、涂装
　　根据需要可在树脂固化后加固补强构件表面，涂刷耐火涂层和色彩。
　　五、碳纤维（片材）加固处理要点
　　在进行结构加固处理前，先对梁板采取有效地卸载和支顶措施，然后按以下施工工序进行加固施工。
　　1、破损面混凝土表面处理：清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层。
　　2、按设计要求对破损面钢筋处理后用M45的环氧树脂砂浆进行灌缝或封闭处理，并保证钢筋保护层厚度不小于15mm.利用打磨机将其表面打磨平整，并用钢刷将其表面的粉尘、油污等不洁物清除干净，使构件加固表面平整、干燥无粉尘。另外，如碳纤维需沿基纤维方向绕构件转角处粘贴时，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm.
　　3、涂刷底层树脂：用专用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待树脂表面指触干燥时即进行下一道工序施工。
　　4、找平处理：表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应有菱角。
　　5、粘贴碳纤维片材：将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于所要粘贴的部位，并用橡胶滚筒沿纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布。多层粘贴重复上述步骤，待纤维表面接触干燥时即可进行下一层的粘贴。如超过60min，则应等12h后，再行涂刷粘结剂粘贴下一层。
　　6、在最后一层的碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
　　7、必要时进行表面防护及外观处理。
　　六、注意事项
　　1、碳纤维片材选择注意事项
　　碳纤维片材的编织均匀性，将直接影响加固质量。碳纤维束只有分布排列均匀，加工成复合材料后才能起到整体均匀受力的作用，若材质的均匀性不好，则构件受力后到之纤维片拒不受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，选择均匀性较好的碳纤维片材，是加固质量的关键。
　　2、碳纤维（片材）粘贴注意事项
　　①在表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。
　　②按设计要求的尺寸裁剪碳纤维片材，裁剪后的织物宽度不宜小于150mm且不应小于100mm.
　　③将碳纤维片材表面擦拭干净至无粉尘。如需粘贴两层时，对底层碳纤维片材两面均应擦拭干净。
　　④擦拭干净的碳纤维片材应立即涂刷粘结树脂，胶层应呈凸起状，平均厚度不小于2mm.
　　⑤将涂有粘结树脂的碳纤维片材用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡胶滚筒顺纤维片材方向均匀平稳压实，使树脂从两边溢出，保证密实无空洞。当平行粘贴碳纤维时，两片之间孔隙应不小于5mm.
　　⑥需粘贴两层碳纤维片材时，可连续粘贴。如不能连续粘贴，则再开始前应对底层碳纤维片材重新做好清洁工作。
　　⑦施工宜在5℃以上环境温度条件下进行，并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
　　⑧施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响，其粘贴部位混凝土的含水率不应大于4％。
　　⑨树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。
　　⑩为了保证粘贴的质量，不同季节、不同温度条件下，应使用不同型号的粘贴树脂，这样才能对树脂施工的可操作时间和固化时间进行有效控制。
　　七、对碳纤维加固补强技术的展望
　　碳纤维用于砼结构的修复补强虽然时间不长，但发展很快，其主要原因在于碳纤维片加固存在较多优点：
　　1、施工简便迅速，无需模板、夹具、支撑等；
　　2、不增加结构重量，碳纤维片重量200g/m.～300g/m，设计厚度0.1l1mm～0.167mm，加上环氧树脂的重量也很轻，对结构自重影响可忽略不计；
　　3、能适应各种结构外形的补强；d）可以多层粘贴。可根据设计要求，在一个部位重叠粘贴。
　　八、结语
　　工程实践证明，碳纤维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。