碳纖維片材結(jié)構(gòu)加固計(jì)算與施工方法

呂修峰

摘 要：碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)技術(shù)是一項(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材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程加固，利用樹脂類物質(zhì)使碳纖維與需要加固構(gòu)件貼合，使之成為復(fù)合體，通過其與構(gòu)件的共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固，提高受力性能的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：碳纖維；補(bǔ)強(qiáng)；復(fù)合體；加固

前言

碳纖維片材用于混凝土結(jié)構(gòu)加固始于發(fā)達(dá)國(guó)家，目前在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，該復(fù)合體加固技術(shù)的研究與應(yīng)用已達(dá)到一定的水平，具有成本低，施工方便的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁構(gòu)件的維修、加固、補(bǔ)強(qiáng)。

1 材料特點(diǎn)及性能

碳纖維片材具有很高的抗拉強(qiáng)度，約10倍于普通鋼材，比普通鋼筋彈性模量高；材質(zhì)本身柔性好，便于裁剪，易于加固操作，加固施工無需任何夾具、模板，能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)而不改變構(gòu)件外形尺寸，可多層粘貼，并能有效地封閉混凝土的裂縫；耐腐蝕及耐久性能好；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；相對(duì)其它加固方法比較，碳纖維加固施工簡(jiǎn)便，不需大型施工機(jī)械及周轉(zhuǎn)材料，可操作性好，施工周期短。

2 適用范圍

碳纖維片材結(jié)構(gòu)加固技術(shù)廣泛適用于各種形式的鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、大偏心受壓及受拉構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)。

3 加固技術(shù)原理

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固原理是采用碳纖維片材，配制專用的粘貼樹脂膠將其粘貼在處理后的加固構(gòu)件表面，膠體固化后與需加固構(gòu)件組合成復(fù)合整體共同受力，達(dá)到構(gòu)件加固目的。

結(jié)構(gòu)加固采用的碳纖維片材，其性能指標(biāo)要求具有較高的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面要求有較好的密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性等；專用樹脂包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，底層樹脂、找平樹脂的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)效果，粘結(jié)樹脂的使用是為了使加固片材和加固構(gòu)件能夠復(fù)合為一個(gè)整體，共同作用，起到增強(qiáng)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件得到加固、補(bǔ)強(qiáng)。

4 計(jì)算方法

4.1 基本假設(shè)

假設(shè)碳纖維加固截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合平截面及線彈性；碳纖維片材較薄，認(rèn)為其中心距梁頂?shù)木嚯x與梁高相等。

4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

首先判斷加固后構(gòu)件的破壞形式，再計(jì)算構(gòu)件的抗彎極限承載力，最后利用抗彎極限承載力滿足設(shè)計(jì)承載力要求的條件，求得粘貼面積。

4.2.1 判斷加固后構(gòu)件的破壞形式

構(gòu)件壓區(qū)混凝土和碳纖維同時(shí)破壞的狀態(tài)為界限破壞，此時(shí)的

截面應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為 ，在界限破壞時(shí)所需的

最大鋼筋面積為 ，設(shè)截面已有的縱向鋼筋面積為As，

如果Asmax

利用換算截面原理，計(jì)算界限破壞時(shí)所需碳纖維布的面積 ，計(jì)算此時(shí)的截面承載力Mb=fyAs（h0-0.4xb0）+Acf，bfcf（h-0.4xb0），若Mb>Mu，則說明破壞形式為碳纖維布斷裂，反之破壞形式為壓區(qū)混凝土被壓碎。

4.2.2 加固所需的碳纖維布面積

當(dāng)破壞形式為壓區(qū)混凝土被壓碎時(shí)，εs>εy，εc=εcu，εcf<εcfu，

εcf=h-xb1， 。

由力的平衡條件 和彎矩平衡條

件 ，聯(lián)立解出Acf，從而確定加固所需要的碳纖維布面積。

當(dāng)破壞形式為碳纖維布斷裂時(shí)，此時(shí)εs>εy，εo<εc<εcu，εcf=εcfu。

考慮到界限破壞時(shí)受壓區(qū)高度相對(duì)受壓區(qū)高度

。

碳纖維拉斷時(shí)，相對(duì)受壓區(qū)高度xb2小于xb，而且0.198h相對(duì)很小，因此偏于安全地可取混凝土受壓區(qū)合力作用點(diǎn)在0.1h處。

因此極限彎矩Mu=fyAs（h0-0.1h）+0.9EcfεcfuAcfh。由此求出Acf。

5 施工工藝

5.1 基本施工步驟

在實(shí)施加固前，應(yīng)提前采取措施使構(gòu)件承受荷載盡可能卸除，片材粘貼后加固構(gòu)件最大程度恢復(fù)原貌，提高構(gòu)件加固完成后再次受力變形富余量。

施工流程為：構(gòu)件基層處置→刷底層涂料→環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)殘缺→片材分層粘貼→養(yǎng)護(hù)→涂裝。

5.2 混凝土殘缺修補(bǔ)與基底處理

徹底清理混凝土構(gòu)件表面的殘損，直到密實(shí)位置，并使用角磨機(jī)打磨達(dá)到光滑平整。對(duì)剔鑿、清理后露筋的殘損位置，采取環(huán)氧樹脂砂漿實(shí)施修補(bǔ)復(fù)原，對(duì)表面仍存在的凹凸糙紋，應(yīng)再用砂紙打磨，修復(fù)至表面平整、順滑。構(gòu)件表面凸起部分需要處理平順，對(duì)邊角位置，需磨成圓角，半徑須大于3cm，寬度不大于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂抹封閉；超過0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫。

加固構(gòu)件經(jīng)過打磨后，將表層雜質(zhì)及浮灰處理掉，最好用酒精進(jìn)行清洗，并充分干燥加固構(gòu)件表面等待下步操作。

5.3 涂底層涂料

均勻攪拌放入容器內(nèi)底層涂料的主劑和固化劑攪拌均勻，需準(zhǔn)確稱量按規(guī)定比例放入，估算凝固前單次使用量，使其在可用時(shí)間內(nèi)用完，避免浪費(fèi)。將底層涂料均勻地涂刷于構(gòu)件表面，確定干燥后才能進(jìn)行下層工序的操作。

5.4 粘貼碳纖維片材

粘貼樹脂經(jīng)攪拌用滾筒刷均勻地涂抹在貼片上，貼片時(shí)，在纖維片和樹脂之間避免有氣體，片材順長(zhǎng)方向的接頭搭接應(yīng)不小于100mm?？捎脤Ｓ脻L壓工具沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹脂滲浸進(jìn)片材中。上層片材粘貼半小時(shí)后，并保證底層粘貼的碳纖維片上涂已干燥，才能粘貼下一層，如需多層粘貼則重復(fù)以上步驟。最上面一層片材粘貼應(yīng)涂刷均勻、周邊整齊。

5.5 養(yǎng)護(hù)

加固完成后，加載荷使用前應(yīng)養(yǎng)護(hù)，一般在7～14天內(nèi)。必要時(shí)應(yīng)采取封閉遮擋養(yǎng)護(hù)。對(duì)表面有裝飾要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，可在粘貼后的碳纖維表面直接噴涂與其無化學(xué)反應(yīng)的環(huán)氧類型涂料或抹灰后涂刷常規(guī)涂料。

6 施工質(zhì)量要求及缺陷處理

每道工序完畢后均應(yīng)按技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)查，做好相關(guān)的質(zhì)量記錄，如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，應(yīng)鏟除返工整改。

嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度。施工溫度在5～35℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度不大于70%。

敲擊碳纖維片材表面，以聲音判斷粘結(jié)效果，檢查有無空鼓，無空鼓或小于30mm的小空鼓即為合格；大的空鼓或較多的小空鼓應(yīng)采取注入耐久樹脂膠處理。粘結(jié)面積若少于90%則判定粘結(jié)無效，需重新施工。

綜上所述，碳纖維片材加固、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的成本低于加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法等其他補(bǔ)強(qiáng)方法，越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)越明顯。由于該技術(shù)的施工簡(jiǎn)便迅速、施工周期短、占用空間小，對(duì)周圍的影響可降低到最低限度，因此具有很大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益與巨大的優(yōu)越性，擁有廣泛的應(yīng)用前景。