碳纖維加固技術(shù)在改造工程中的應(yīng)用

摘要：碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。文章通過某商場的加固改造工程實(shí)例，介紹了碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用，展示了本項(xiàng)技術(shù)良好的使用效果和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碳纖維加固技術(shù)；碳纖維增強(qiáng)材料；加固改造工程

中圖分類號：TU375文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0033-02

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，利用樹脂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)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的目的。該技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，與傳統(tǒng)的加固方法相比其具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、適用性廣等優(yōu)越性。

碳纖維加固技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，在日本、韓國、美國和歐洲等國家及地區(qū)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，自90年代中期進(jìn)入我國之后迅速發(fā)展起來，國內(nèi)外很多科研單位和高校就碳纖維（CFRP）加固混凝土構(gòu)件這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。隨著試驗(yàn)研究的深入，該加固技術(shù)的適用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用技術(shù)不斷改進(jìn)。本文將結(jié)合某商場的加固改造，闡述碳纖維片材加固技術(shù)與原則，展現(xiàn)本項(xiàng)技術(shù)良好的使用效果和應(yīng)用前景。

一、工程改造設(shè)計(jì)與分析

（一）工程概況

中泰廣場位于廣州天河火車站西側(cè)，基地成南北狹長的梯形，總占地面積14369平方米，由三層地下室、七層裙樓、兩幢四十二層對稱弧形塔樓及一幢二十三層附樓組成，是集辦公、酒店、商業(yè)、娛樂等多種功能于一體，規(guī)模宏大、設(shè)施齊全的綜合建筑群。廣場一至七層為商業(yè)裙樓，業(yè)主為了更合理地組織裙樓內(nèi)大型購物城的交通路線，要求改變一至五層自動(dòng)扶梯的位置及走向，經(jīng)驗(yàn)算需對原結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行加固?，F(xiàn)將首層結(jié)構(gòu)具體改變表示如圖1、圖2：

（二）結(jié)構(gòu)加固分析

原設(shè)計(jì)中首層扶梯支承于DKLX14-1上，改變自動(dòng)扶梯的走向后，梁DLX26將承受自動(dòng)扶梯工作時(shí)產(chǎn)生的荷載，經(jīng)驗(yàn)算梁DLX26需要進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。分析梁DLX26的傳力路徑，如圖3所示：

考慮到中泰廣場裙樓層超過4層，柱截面設(shè)計(jì)時(shí)由軸壓比確定，截面偏大，有一定的強(qiáng)度儲備，經(jīng)驗(yàn)算無須加固，因此首層僅對DLX26、DLY42、DKLX14-1、KLX13-2、DKLY11進(jìn)行加固。由于第2至4層的自動(dòng)扶梯支承梁上的荷載與原設(shè)計(jì)相比變動(dòng)不大，因此不考慮加固。第5層自動(dòng)扶梯的支承梁由原來的LX4改為YKLX5-1， 與首層同理需進(jìn)行加固。另外原結(jié)構(gòu)自動(dòng)扶梯預(yù)留有洞口，在加固前首先要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)洞處理。加固材料選用C20混凝土，Ι級鋼筋，采用植筋法將Φ10@200的Ι鋼筋植入原結(jié)構(gòu)中，并與原結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆成整體。

二、加固方案選定及注意事項(xiàng)

（一）加固方案選擇

工程上常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的方法主要有增大截面法（即在原結(jié)構(gòu)上再澆筑一定厚度的鋼筋混凝土）、體外預(yù)應(yīng)力加固法（即增設(shè)支點(diǎn)和托架改變受力體系）、隔震消能加固法（即在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上外加或內(nèi)加隔震層和附加隔震部件及震動(dòng)控制裝置）以及片材加固法（包括外包和粘貼加固）等?，F(xiàn)列表1比較以上各方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

注：對于片材加固因碳纖維用量最大，本文只列出碳纖維加固，其他內(nèi)容可以查閱相關(guān)資料。

與其他加固方法相比，采用碳纖維布加固具有抗拉強(qiáng)度高（是普通鋼材的10倍）、重量輕、耐蝕性和耐久性強(qiáng)、施工簡便、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，加固完成后，厚度僅為2mm左右，基本上不增加構(gòu)件截面，能保證碳素纖維布與原構(gòu)件共同工作?？紤]碳纖維加固具有以上優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合本工程的特點(diǎn)，決定采用碳纖維布進(jìn)行改造后的加固補(bǔ)強(qiáng)。

（二）加固注意事項(xiàng)

CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的整體復(fù)合效果主要依賴于CFRP和混凝土之間良好的黏結(jié)。因此任何引起黏結(jié)區(qū)破壞的因素將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞而影響加固的預(yù)期效果。即使界面黏結(jié)沒有破壞，但由于黏結(jié)界面裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，對加固強(qiáng)度、剛度和變形能力也會(huì)產(chǎn)生直接的影響。加固時(shí)應(yīng)注意做到以下幾點(diǎn)：

1．首先應(yīng)將損壞部位復(fù)原，消除構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出原結(jié)構(gòu)層；損壞的表面以樹脂砂漿或不收縮水泥填補(bǔ)磨平；裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。施工物表面應(yīng)處理整修，將表面多余的附屬物去除。

2．涂底膠要直橫均勻涂抹，如底膠被水泥吸收需再涂一遍，直到表面全部充滿為止。

3．用碳纖維片材對梁、板、柱構(gòu)件進(jìn)行正截面受彎加固時(shí)，纖維方向應(yīng)與加固的受力方向一致，進(jìn)行受剪加固時(shí)，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直，并應(yīng)有可靠的錨固措施。

三、加固設(shè)計(jì)

本文根據(jù)現(xiàn)行的《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱規(guī)程）進(jìn)行設(shè)計(jì)，加固材料選用寬度為300mm的碳纖維布，產(chǎn)品型號為Hex-230c，黏結(jié)劑選用JGN-C型黏浸膠及JGN-P底膠?，F(xiàn)僅以首層梁DLX26為例介紹相關(guān)的計(jì)算。

（一）內(nèi)力計(jì)算

本工程選用自動(dòng)扶梯是200EX-EN型，梯口支承梁荷載R下=88.3×1.5=132.45kN/m，1.5為動(dòng)力系數(shù)。計(jì)算得出梁DLX26的Mmax=262.5kN·m，Vmax=351kN。

（二）正截面加固計(jì)算

由原設(shè)計(jì)圖可知，梁DLX26混凝土強(qiáng)度等級為C40，縱向鋼筋采用Ⅱ鋼，箍筋采用級Ⅰ鋼，截面為350×700。梁上部配4Φ28通常筋，下部配4Φ32，縱筋保護(hù)層厚度為30mm；加密區(qū)配2Φ8@100。碳纖維布的設(shè)計(jì)參數(shù)為tcf=0.13mm，Acf=33.3mm²，Ecf=234500N/mm²，εcfu=0.0015。正截面采用300mm寬Hex-230c單層碳纖維布加固，由《規(guī)程》計(jì)算得M＝287kN·m＞Mmax=262.5kN·m可知梁DLX26滿足正截面承載力要求。

（三）斜截面加固計(jì)算

在本次改造加固中，受剪加固采用U型粘結(jié)加固，即沿梁身全長設(shè)置U形箍，寬度為300mm，凈距為200mm。由《規(guī)程》計(jì)算得碳纖維片材加固后可承擔(dān)的剪力Vb，cf＝373.9kN＞Vmax=351kN，梁DLX26斜截面承載力滿足要求。

（四）構(gòu)造做法

為了加強(qiáng)梁頂碳纖維布的錨固，可在梁端設(shè)角鋼或鋼板加強(qiáng)錨固，如圖4、圖5所示：

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，本工程于梁上端粘結(jié)縱向壓條150mm寬以加強(qiáng)錨固。加固完后噴射20mm厚C30細(xì)石混凝土保護(hù)層。

考慮到碳纖維布多層粘貼時(shí)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。

四、結(jié)語

該工程施工時(shí)，在確保安全的前提下，僅使用了簡單的腳手架，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。現(xiàn)該商場已投入運(yùn)營多年，運(yùn)行良好。工程實(shí)踐證明，CFRP加固技術(shù)對于混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)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，該技術(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達(dá)到了業(yè)主的要求，其綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益良好，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力推廣。

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作者簡介：陶建強(qiáng)（1977－），男，廣東中輕工程設(shè)計(jì)院一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，一級注冊建造師，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。