碳纖維加固技術在改造工程中的應用

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碳纖維布加固修補結構技術是一種新型的結構加固技術，它是利用樹脂類粘結材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達到對結構及構件加固補強的目的。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達國家，我國起步很晚，近年來發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。
    采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點：1、抗拉強度高，是普通鋼材的10倍；2、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不增加結構自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡便（不需大型施工機構及周轉材料），沒有濕作業(yè)，易于操作，經濟性好；5、適用范圍廣，施工工期短。
    1、工程概況
    四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結構結構，底部2層框架，上部4層住宅。原設計1，2層為餐廳（活荷載為2.5KN/ m2）,廚房（活荷載為4.0KN/ m2）設在一層?，F計劃重新裝修開設肯德雞連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設售餐臺。由于功能改變導致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設計要求，需要加固。經過方案論證和經濟技術可行性比較，決定采用碳纖維復合材料進行加固。
    2、材料特性
    ⑴本工程使用德國進口的碳纖維布（C200），其主要性能指標見表1：
    表1：碳纖維布主要性能指標
型號       單位面積質量 （g/cm-2）  設計厚度mm   抗拉強度 fcf (Mpa)  彈性模量 Ecf (Mpa)
 
UDO200            200                          0.111              4900                 2.3×105
 
    ⑵粘貼用樹脂采用國產JGN型建筑結構膠，其主要性能指標見表2：

表2：配套膠主要性能指標

種類                   拉伸強度MPa  壓縮強度MPa  剪切強度Mpa  適用溫度℃   可使用時間min
基底樹脂（JGN-E）        -                    -                -                0～38        15～30
 
修補樹脂 （LGN-F）  ＞28               ＞50             ＞18           0～38            ＞40
 
粘結樹脂（JGN-D）   ＞28               ＞50              ＞18           0～38           ＞60
 
    3、加固設計
    3.1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：
    受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；
    梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；
    （3）碳纖維材料采用線彈性應力-應變關系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。
    3.2加固設計
    根據《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 146:2003）［1］的規(guī)定，采用以概率理論為基礎的極限設計法進行計算。考慮到作用在加固結構上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。
    取A軸梁跨中為例
    梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2  As0＇=980mm2
    設計彎矩：Mu=510Kn·m   按原設計計算最大彎矩設計值：
    x=( fyAs－fy＇As＇)/ fcb=115mm
    Mu= fcbx (h0－x/2)+ fy＇As＇ (h0－a’)
    = 14.3x350x115x(585-57.5)+300x980(585-40)=463.6 kN·m
    本設計采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層（Acf=99.9mm2）, 按規(guī)程公式計算
    碳纖維片材厚度折減系數：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818
    [εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
    界限相對高度：      ξcfb=0.8Xεcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985
    混凝土受壓區(qū)高度x和受拉面上碳纖維片材的拉應變εcf應按下列公式進行計算：
    1）、fcbx=fyAs－fy＇As＇+Ecfεcf Acf
    2）、x＝0.8εcu/εcu+εcf
          解得：ξcfbh＝0.1985x650＝129<χ≈137mm<ξbh0=329m; εcf =0.0051
    根據規(guī)范公式4.3.2-1,
    M=fcbx (h0－x/2)+fy＇As＇ (h0－a’)+ Ecf εcfAcf (h－h(huán)0)
    =14.3x350x137x(585-68.5)+300x980(585-40)+2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN·m     
    由計算結果可知經過加固，此梁的最大彎矩設計值比原來提高了13％。
    3.3構造做法
    為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側粘貼160mm寬U型箍1道,在主次梁相交處每側粘貼160mm寬U型箍1道。
    U型粘貼的粘貼高度宜取構件截面高度。對于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片材壓條。［2］
    考慮到碳纖維布多層粘貼時受施工現場影響的因素較大，建議受彎構件粘貼碳纖維布的層數不應超過3層。
    4、施工工藝
    一般工藝流程為卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護。
    考慮本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應進行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。
    本工程加固施工中，應先鑿開保護層直至結構層基面，方可進行下一步處理。
    基本施工步驟：
    ⑴基底處理：
    ①混凝土表面出現剝落、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(huán)氧砂漿進行修復。
    ②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）。
    ③風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。
    ⑵涂底膠
    ①按配合比主劑∶固化劑＝3:1配置底膠。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20—50mim內用完。
    ②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6—24h。
    ⑶找平
    ①混凝土表面凹陷部位應用修補劑填平，模板接頭等出現高度差的部位應用修補劑填補，盡量減小高度差。
    ②轉角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。
    ⑷粘貼
    ①按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。
    ②調配、攪拌粘貼材料粘結劑（使用方法與底膠相同），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。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴禁出現漏刷現象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。
    ③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制工具反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使粘結膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。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粘結膠。用工具反復沿纖維方向滾壓，并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。
    ⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。
    ⑸保護
    加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。
    ⑹質量要求
    ①每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢查，并做好相關的驗收記錄，如出現質量問題，應立即返工。
    ②施工結束后的現場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結效果。如出現空鼓等粘貼不密實的現象，應采用針管注粘結膠的方法進行補救。粘結面積若少于90%則判定粘結無效，需重新施工。
    ③嚴格控制施工現場的溫度和濕度。施工溫度在5－35℃范圍內，相對濕度不大于70%。
    5、施工效果
    本工程從設計到竣工投入使用只有不到兩個月的時間，采用碳纖維加固的方式施工，從準備到竣工只用了10天，沒有出現任何質量問題，施工效果良好，得到了設計單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的好評。
    因此，粘貼碳纖維復合材料新技術是加固鋼筋砼結構行之有效的方法，值得推廣應用。