碳纖維布在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固施工中的應(yīng)用

1前言

碳纖維布具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、較強(qiáng)的抗老化能力等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)加固方面得到了廣泛的應(yīng)用。將其用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方面，施工較為便利，只需通過(guò)樹(shù)脂類材料將碳纖維布粘貼到結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面就會(huì)形成復(fù)合材料體CFRP，且會(huì)和相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件充分結(jié)合、形成一體，能夠有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能，對(duì)其進(jìn)行加固。

2碳纖維布在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固施工內(nèi)容2.1碳纖維布加固技術(shù)應(yīng)用前提

碳纖維布加固技術(shù)主要適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中承載力不足或出現(xiàn)裂縫的情況。但并非所有的構(gòu)件破壞都能使用該技術(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C15時(shí)不能使用碳纖維布加固技術(shù)。如果構(gòu)件破壞嚴(yán)重，如出現(xiàn)大面積混凝土剝落、鋼筋嚴(yán)重銹蝕等情況，僅使用碳纖維布加固可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，需要綜合考慮其他加固方法或進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建。

2.2碳纖維布加固鋼筋混凝土梁構(gòu)件

2.2.1適用情況及加固方法

對(duì)于底部出現(xiàn)裂縫的梁，若裂縫寬度較小，可先對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，然后在梁底部受拉區(qū)域粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。粘貼寬度應(yīng)根據(jù)梁的跨度、裂縫寬度等因素確定，一般為 100mm-300mm 。碳纖維布從梁的一端粘貼至另一端，粘貼層數(shù)通常為1-3層，具體層數(shù)需根據(jù)梁的承載力需求進(jìn)行計(jì)算確定。

當(dāng)梁出現(xiàn)通縫時(shí)，應(yīng)先對(duì)裂縫進(jìn)行高壓注漿等方式進(jìn)行處理，確保裂縫內(nèi)部填充密實(shí)。然后在梁底部及側(cè)面受拉區(qū)域大面積粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，粘貼寬度可適當(dāng)增加至 300mm-500mm ，粘貼層數(shù)也相應(yīng)增加，一般為3-5層。碳纖維布從梁的兩端向中間粘貼，在梁的轉(zhuǎn)角處應(yīng)進(jìn)行收口處理，可采用專用的收口膠或附加一層碳纖維布進(jìn)行加強(qiáng)[2]。

2.2.2施工流程

（1）施工準(zhǔn)備：清理梁表面，去除油污、浮漿等雜質(zhì)，露出堅(jiān)實(shí)的混凝土層，同時(shí)對(duì)梁的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，確保表面平整無(wú)缺陷。

（2）表面處理：對(duì)梁表面進(jìn)行打磨處理，以提高碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)力。涂抹底層膠或界面劑，以增強(qiáng)碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)效果。

（3）碳纖維布粘貼：將碳纖維布裁剪成適當(dāng)尺寸，并用浸漬膠或?qū)Ｓ媚z水均勻涂抹在其表面。對(duì)于底部裂縫的梁，將碳纖維布粘貼在梁底部受拉區(qū)域；對(duì)于通縫的梁，將碳纖維布粘貼在梁底部及側(cè)面受拉區(qū)域。確保粘貼牢固、無(wú)氣泡和褶皺。對(duì)于多層粘貼的情況，應(yīng)確保每層之間的粘結(jié)效果，并逐層進(jìn)行滾壓處理。

（4）固化養(yǎng)護(hù)：粘貼完成后，應(yīng)對(duì)碳纖維布進(jìn)行固化養(yǎng)護(hù)處理，以確保其粘結(jié)效果和性能穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)避免對(duì)梁進(jìn)行外力作用或振動(dòng)干擾。

2.3碳纖維布加固鋼筋混凝土柱構(gòu)件

2.3.1適用情況及加固方法

當(dāng)鋼筋混凝土柱構(gòu)件承載力不足或需要提高抗震性能時(shí)，可采用碳纖維布橫向包裹的方式進(jìn)行加固。對(duì)于不同的柱截面尺寸和承載力需求，碳纖維布的包裹層數(shù)和寬度有所不同。一般來(lái)說(shuō)，柱截面較小、承載力需求較低時(shí)，可采用2-3層碳纖維布，包裹寬度為 200mm- 300mm ；柱截面較大、承載力需求較高時(shí)，可采用3-5層碳纖維布，包裹寬度為 300mm-500mm 。碳纖維布從柱底部開(kāi)始包裹，向上連續(xù)粘貼至柱頂部，在柱的轉(zhuǎn)角處應(yīng)進(jìn)行收口處理，可采用專用的收口膠或附加一層碳纖維布進(jìn)行加強(qiáng)。

2.3.2加固原理

通過(guò)碳纖維布的作用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)部混凝土的限制，混凝土柱在較強(qiáng)軸向壓力的作用下會(huì)發(fā)生一定程度的橫向膨脹，這就會(huì)使得外包碳纖維布在環(huán)向產(chǎn)生一定的伸長(zhǎng)量，也就會(huì)提升側(cè)向的約束能力。在利用碳纖維布進(jìn)行混凝土限制過(guò)程中會(huì)在不同時(shí)期形成不同的受力形式，在初期混凝土還處在線彈性階段，并不會(huì)產(chǎn)生較大的橫向變形，所以也不會(huì)造成碳纖維較大的橫向變形，會(huì)在混凝土峰值應(yīng)力周邊形成分界點(diǎn)。隨著混凝土構(gòu)件負(fù)載的增加，其變形逐漸增大，在達(dá)到極限值后就會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的橫向膨脹變形，環(huán)向約束力有所增加，也提升了混凝土的極限壓應(yīng)變，使得鋼筋所具備的塑性變形能力充分發(fā)揮出來(lái)，能夠大幅提升構(gòu)件的延性。

2.4碳纖維布加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)

2.4.1適用情況及加固方法

在較為強(qiáng)烈的地震影響下，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一定程度的破損甚至坍塌，其主要原因在于節(jié)點(diǎn)受到了破壞，所以對(duì)鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)采取措施進(jìn)行抗震加固是非常必要的。利用碳纖維布加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先需要評(píng)估節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)狀及所需達(dá)到的性能目標(biāo)，然后根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)加固方案，包括選擇合適的碳纖維布類型、確定鋪設(shè)層數(shù)和方向等。

對(duì)于輕微損壞的節(jié)點(diǎn)，可在節(jié)點(diǎn)表面粘貼一層或兩層碳纖維布進(jìn)行加固，粘貼寬度為 100mm-200mm ，從節(jié)點(diǎn)核心區(qū)向外粘貼至梁、柱表面一定距離。

對(duì)于嚴(yán)重?fù)p壞的節(jié)點(diǎn)，可在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及周邊梁、柱表面粘貼多層碳纖維布進(jìn)行加固，粘貼寬度為 -500mm ，碳纖維布從節(jié)點(diǎn)核心區(qū)向四周粘貼，在轉(zhuǎn)角處進(jìn)行收口處理。

2.4.2施工流程

（1）評(píng)估與設(shè)計(jì)：評(píng)估節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)狀及所需達(dá)到的性能目標(biāo)，根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)加固方案。（2）卸荷處理：加固前應(yīng)對(duì)所加固的構(gòu)件盡可能卸荷。（3）表面清理：對(duì)框架節(jié)點(diǎn)表面進(jìn)行清理和處理，去除表面的油污、浮漿等雜質(zhì)，露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。（4）涂布底膠：在節(jié)點(diǎn)表面涂布底膠，以提高碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)力。（5）碳纖維布粘貼：按照設(shè)計(jì)要求裁剪碳纖維布，并涂抹粘貼樹(shù)脂后粘貼在節(jié)點(diǎn)表面。粘貼過(guò)程中要確保碳纖維布平整無(wú)褶皺，并充分浸潤(rùn)粘貼樹(shù)脂。（6）固化養(yǎng)護(hù)：粘貼完成后進(jìn)行固化養(yǎng)護(hù)，確保碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

碳纖維布加固后，節(jié)點(diǎn)的承載能力顯著提高，能夠有效抵抗外部荷載的作用，并且碳纖維布加固能夠增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗震承載力、延性和剛度，提高框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。另外，碳纖維布對(duì)混凝土裂縫的擴(kuò)展具有顯著的約束作用，能夠延緩節(jié)點(diǎn)的破壞過(guò)程。通過(guò)碳纖維布加固，可以延長(zhǎng)鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的使用壽命，減少維修和加固的頻率。

3碳纖維布在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固施工中的案例分析

3.1工程概況

某綜合性辦公樓采取的是框架混凝土結(jié)構(gòu)形式，獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)施，共包括4層，其中1層高度 4.5m，2-4 層高度 3.3m ，整體建筑面積約 。此辦公樓是在原有辦公樓周邊新建項(xiàng)目，建筑的原有外立面主要采取的是真石漆，之后按照實(shí)際需要變更為干掛石材的形式。為了確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要通過(guò)計(jì)算分析判定建筑所需加固區(qū)域，采取針對(duì)性措施對(duì)其進(jìn)行加固處理。

3.2建筑加固設(shè)計(jì)分析

第一，計(jì)算分析。因?yàn)榇私ㄖ儆谛陆?xiàng)目，所以并沒(méi)有對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施相關(guān)檢測(cè)鑒定。但是此建筑外立面進(jìn)行了相應(yīng)變更則會(huì)對(duì)整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)載荷產(chǎn)生影響，為了能夠最大程度保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性，有必要對(duì)外墻面載荷開(kāi)展復(fù)核驗(yàn)證。通過(guò)計(jì)算分析、軟件仿真分析可知原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)所具備的承載性能、框架混凝土梁柱所具備的承載性能都可以滿足變更需求，無(wú)需對(duì)其實(shí)施加固處理。但是某些樓層的邊框梁底配筋則無(wú)法滿足變更的需求，需要采取必要的措施進(jìn)行加固處理，否則容易引發(fā)此建筑結(jié)構(gòu)的安全隱患[3]。

第二，加固方案設(shè)計(jì)。通過(guò)分析可知，該建筑結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土梁底配筋有所不足，針對(duì)此問(wèn)題初期設(shè)定增大梁底截面積、梁粘貼碳纖維布加固的方案進(jìn)行處理。① 梁底增大截面加固措施。該措施需要經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的流程，包括鑿除保護(hù)層一植筋一進(jìn)行鋼筋綁扎一進(jìn)行模板支設(shè)一進(jìn)行灌漿料的澆筑一混凝土的養(yǎng)護(hù)，內(nèi)容較多、施工周期較長(zhǎng)。

② 梁粘貼碳纖維布加固措施。此種加固方案只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的操作流程就可完成，首先對(duì)于梁底和側(cè)部混凝土表面進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行碳纖維布的粘貼，最后對(duì)于碳纖維布表面進(jìn)行防護(hù)即可，施工周期相對(duì)較短。

通過(guò)兩種方案的對(duì)比可知，粘貼碳纖維布的方案施工周期相對(duì)較短且成本較低，所以該工程確定采用粘貼碳纖維布的方式進(jìn)行鋼筋混凝土的加固。在確定碳纖維布粘貼方案時(shí)要計(jì)算相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)，具體情況如表1所示。

遵照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2013）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照如上參數(shù)指標(biāo)，最終確定鋼筋混凝土梁底部粘貼碳纖維布加固采取2道（每層厚度 0.167mm ）I級(jí)碳纖維布，可以有效滿足該工程梁承載性能需要。

第三，碳纖維布加固施工的具體方式。

① 進(jìn)行準(zhǔn)確的施工選材。按照該工程的具體參數(shù)指標(biāo)，確定選取高強(qiáng)I級(jí)的碳纖維布，單層厚度約0.167mm ，其單位面積質(zhì)量約 。施工所用的粘結(jié)用膠主要為A級(jí)結(jié)構(gòu)膠，嚴(yán)格控制其性能指標(biāo)，保證其滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》（GB50728-2011）的相關(guān)要求[4]。

② 具體施工內(nèi)容。為了保證碳纖維布的粘貼質(zhì)量，一定要確保其施工遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，包括：《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50550-2010）《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2013）等。在具體施工時(shí)要特別注意如下幾個(gè)方面：

一方面，為了確保良好的施工質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制施工環(huán)境溫度，一般情況下施工要在 5% 以上情況下進(jìn)行，同時(shí)要確保施工環(huán)境滿足所用樹(shù)脂的溫度要求。一旦環(huán)境溫度低于 5% ，需要挑選滿足低溫環(huán)境的相應(yīng)樹(shù)脂，或者采取對(duì)應(yīng)的升溫措施來(lái)控制環(huán)境溫度。

另一方面，利用硬質(zhì)毛刷來(lái)對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行清理，通過(guò)高效洗滌劑清理掉構(gòu)件表面的油污雜物，之后用冷水將其沖洗干凈，之后再對(duì)粘接面實(shí)施打磨處理，一般情況下要打磨掉 2-3mm 厚度，確保全新的表面顯露出來(lái)，之后要通過(guò)無(wú)油壓縮空氣來(lái)將表面徹底吹掃干凈，在保證表面徹底干燥之后就可以通過(guò)脫脂棉沾丙酮將其擦拭干凈。需要注意的是，為了確保碳纖維布的粘貼充分性，若是存在轉(zhuǎn)角區(qū)域，需要將其打磨成半徑≥25mm 的圓弧。

然后，進(jìn)行粘浸膠的配置。主要采取雙組份的粘浸膠進(jìn)行纖維布的粘貼，要利用不同的器具對(duì)兩個(gè)組份分別進(jìn)行攪拌，之后嚴(yán)格遵照說(shuō)明書(shū)的規(guī)定對(duì)兩種組份進(jìn)行混合配制，通過(guò)攪拌器將其充分?jǐn)嚢?，保證均勻性。需要注意的是，膠進(jìn)行攪拌時(shí)要沿著同個(gè)方向來(lái)進(jìn)行，防止空氣的進(jìn)入而產(chǎn)生氣泡，一般情況下每次的配置量 lt;3kg 為適宜。

之后要對(duì)碳纖維布進(jìn)行裁剪和粘貼。要根據(jù)構(gòu)件加固現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定碳纖維布的裁剪尺寸，裁剪之后要將配置好的粘浸膠均勻的涂抹到混凝土粘貼面以及碳纖維布上，特別是對(duì)于拐角等特殊位置可以適度增加膠量。然后將適宜尺寸的碳纖維布拉緊對(duì)齊之后輕壓到粘貼位置，之后通過(guò)專門的器具（包括：刮板、滾筒等）順著同個(gè)方向多次輥壓，完全將內(nèi)部氣體排出，一直到有膠料滲出即可。在手指觸碰纖維布感覺(jué)干燥之后就可以進(jìn)行下層的粘貼，同時(shí)要在最后一層的碳纖維布表層涂抹粘浸膠來(lái)進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于某些特殊位置來(lái)說(shuō)，如果纖維布長(zhǎng)度不足則可以采取搭接的方式，但是要確保搭接長(zhǎng)度 ？200mm 。

3.3碳纖維布加固效果評(píng)估

3.3.1加固前后梁受力變化分析

（1）加固前梁的受力狀況

已知設(shè)計(jì)截面彎矩值為 324kN.m ，這是加固前梁在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系下的受力表現(xiàn)，表明梁底配筋不足，無(wú)法滿足外立面變更后的荷載需求。

（2）加固后梁的受力提升估算

1）碳纖維布的力學(xué)貢獻(xiàn)計(jì)算

采用2道I級(jí)碳纖維布，每層厚度 0.167mm ，纖維抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ，纖維 $0.007＼$ O

2）假設(shè)碳纖維布寬度 b=200mm ，碳纖維布的體積密度

3）碳纖維彈性模量取 230GPa（230000MPa） ，則碳纖維布每層的拉力

（3）2道碳纖維布總拉力

假設(shè)碳纖維布到梁中性軸距離 h=300mm ，則碳纖維

布提供的額外彎矩。

（4）加固后梁的總彎矩承載能力

加固后梁的總彎矩承載能力 （2號(hào)

3.3.2與增加重量要求的對(duì)比

（1）外立面變更增加的荷載及對(duì)梁的影響

假設(shè)干掛石材單位面積重量 ，外立面面積 ，則增加的總重量

假設(shè)某樓層邊框梁承擔(dān)的增加荷載為均布荷載q=50kN/m ，梁跨度 L=6m ，則增加的彎矩：

（2）加固效果評(píng)估

加固后梁的總彎矩承載能力 大于增加的荷載彎矩 Mg=225kN.m ，說(shuō)明碳纖維布加固后能夠滿足外立面變更增加重量的要求

4結(jié)語(yǔ)

因此，碳纖維加固技術(shù)具有廣泛的推廣價(jià)值，是建筑結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段?？梢栽诟黝惤ㄖY(jié)構(gòu)加固工程中積極應(yīng)用這一技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，以更好地服務(wù)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

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