【精品】碳纖維加固技術在磚混結構加固中的應用

1、碳纖維加固技術在磚混結構加固中的應用鄭祿華（廈門興普華工程技術）摘要：以一個工程應用為例介紹了碳纖維復合材料（CFRP）在磚混結構加固中的計算方法和施工工藝。關鍵詞：碳纖維復合材料 磚混結構 加固技術APPLICATION OF CFPR TO STRENGTHEN BRICKWORK STRUCTURESZheng Luhua Ding RuifengAbstract：The method and technics of CFRP strengthening for brickwork structures is introduced based on an application exam

2、ple of reconstruction engineering.Keywords：CFRP, brickwork structures, strengthen technology碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer簡稱CFRP）是一種新興的高強材料，最早應用于航空航天等高科技領域，近年來在土木工程領域中的研究與應用得到了迅速發(fā)展。碳纖維增強聚合物（也稱碳纖維增強塑料）由改性環(huán)氧樹脂粘聚高抗拉強度的碳纖維束組成。采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點：a、抗拉強度高（抗拉強度約為二級鋼的十幾倍），效果好；b、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性；c、

3、自重輕（約200g/m2），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；d、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；e、施工工期短。1、工程概況某市公安局干警接待站建造于80年代，屬于磚混結構，共六層，每隔兩層布置一層圈梁，即2、4、6層設有圈梁，設計時未進行抗震設防。1995年曾對2、4、6層周邊圈梁采用加大截面法對其進行抗震加固，并在轉角增設抗震柱。2000年5月，建筑物內部改造，部分圈梁下承重墻需拆除，需對相應圈梁進行加固。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。加固平面如圖1所示。圖1 加固平面（2

4、、4、6層圈梁）2、材料特性本工程使用德國進口的碳纖維布（UDO200），其主要性能指標見表1：表1型號單位面積質量（g·cm-2）設計厚度mm設計抗拉強度fcf / MPa彈性模量Ecf / MPaUDO2002003534×105粘貼用樹脂采用國產JGN型建筑結構膠，其主要性能指示見表2：表2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）-0381530修補樹脂（LGN-F）28501803840粘結樹脂（JGN-D）285018038603、加固設計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：（1）受

5、拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；（2）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：cf=Ecf×cf且cf<0.01。設計方法實用公式根據極限狀態(tài)應力應變關系（圖2），由平衡條件可得：當2a時，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcf （1）MucfAcf(h-/2)+fyAs(h0-/2)-fyAs(/2-as) 當<2a時，fcmbx+fyAs=fyAs+cfAcf （2）MucfAcf (h-as)+fyAs(h0-as)圖2 截面極限狀態(tài)應力示意圖式中 Mu包含初始彎矩的總彎矩設計值Acf受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積;

6、cf碳纖維片材抗拉強度設計值;AS、AS受拉鋼筋、受壓鋼筋截面面積;fy、fy受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值;規(guī)程公式根據碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程（報批稿）的規(guī)定，當混凝土受壓區(qū)高度xcfbh時，其極限彎矩：M= fyAs x (h0x/2)+ fyAs (h0a)+ Ecf cfAcf (hh0) （3）當混凝土受壓區(qū)高度2axcfbh時，其極限彎矩：MfyAs (h0cfbh)+Ecfcf ·Acfcfb） （4）當混凝土受壓區(qū)高度x2a時，其極限彎矩： M= fyAs(h0-a)+Ecf cfAcf(h0-a) （5）其中，界限相對受壓區(qū)高度：cfbcu/

7、（cu+cf） （6）cf= kmcfu 其中km=1-ncfEcftcf/42000 （7）式中 M包含初始彎矩的總彎矩設計值Acf受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積;cf碳纖維片材抗拉強度設計值;AS、AS受拉鋼筋、受壓鋼筋截面面積;fy、fy受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值;Ecf碳纖維片材彈性模量;cfb碳纖維片材達到其允許拉應變與混凝土壓壞同時發(fā)生時的界限相對受壓區(qū)高度;cf碳纖維片材的允許拉應變;km碳纖維片材厚度折減系數;ncf碳纖維片材的層數;tcf單層碳纖維片材的厚度;cu;梁加固設計梁截面：b×h=240mm×300mm，原梁配有As0 = 226m

8、m2 As0=226mm2設計彎矩：Mu=28Kn·m 設計配筋As = 402mm2 As=226mm2按實用公式計算（因為圈梁原配筋截斷位置不明，加固計算中不考慮原配筋作用）首先估算混凝土受壓區(qū)高度45.6mm<2a=70mm根據公式(2),解得:Acf2按規(guī)程公式計算（因為圈梁原配筋截斷位置不明，加固計算中不考慮原配筋作用）km=1-ncfEcftcfcf= kmcfu=0.011 取cf界限相對高度：cfb×52.268mm<2a=70mm根據公式（4），解得：取Acf2 設計結論兩種計算公式（2）與（5）相比較，在x2a時，計算公式是一致的。在2a，規(guī)

9、程公式還區(qū)分<cfbh和cfbh的情況，本設計采取在梁底粘貼240mm寬碳纖維布兩層（Acf2），可滿足設計和使用要求。 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,具體做法如圖3所示。4、加固施工一般工藝流程為卸荷基底處理涂底膠找平粘貼保護?？紤]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。圖3 廈門市公安局接待站-粘貼碳纖維加固圖基本施工步驟：基底處理混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化

10、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?；炷两悄C、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（R20mm）。風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。涂底膠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2050mim內用完。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624h。找平混凝土表面凹陷

11、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。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。粘貼按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布。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。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。在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。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。碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。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。質量要求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。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