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碳纖維布加固補強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)
近年來,人們對結(jié)構(gòu)的安全性,使用性和耐久性要求不斷增強,對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化,化學(xué)腐蝕,社會需求的變化,設(shè)計標準的提高等,這些出現(xiàn)問題的建筑物,當(dāng)實際情況不允許推倒重建時,則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對其進行加固補強處理。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,纖維材料于土木工程中的應(yīng)用成為國內(nèi)外研究的熱點,纖維材料中的碳纖維用于加固補強混凝土結(jié)構(gòu)有著其自身的技術(shù)優(yōu)勢：高效高強（可以充分的利用其高強度,高模量的特點來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善受力性能,達到高效加固的目的）,耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)）,不增加構(gòu)件的自重和體積（碳纖維質(zhì)輕而?。?使用面廣（碳纖維是一種柔性材料,且可以任意裁剪）,便于施工（無需大型的施工機械,占用場地少,無濕作業(yè)）。碳纖維布已廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板柱的加固補強,并由國家工業(yè)建筑診斷與改造工程研究中心主編,在總結(jié)近年來國內(nèi)各高校和科研單位的研究成果以及各設(shè)計,施工單位采用碳纖維布進行結(jié)構(gòu)加固的實踐經(jīng)驗,參考國外大量相關(guān)資料,并進行大量的試算和調(diào)研的基礎(chǔ)上,制定了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,其編號為CECS146：2003。以下將針對各種情況來進行說明其簡便的計算方法。

碳纖維補強加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力：

正截面承載力全過程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用*彈塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；受壓區(qū)混凝土采用E.建議的非線形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；混凝土受壓區(qū)沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元）,并設(shè)每條帶的應(yīng)力均勻分布。根據(jù)理論分析結(jié)合實驗數(shù)據(jù)提出了如下的簡化計算方法：偏于安全的假設(shè)碳纖維的拉應(yīng)變等于鋼筋的拉應(yīng)變,并

將碳纖維的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積：

式中 , , 和 分別表示碳纖維的面積,抗拉強度,等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。

碳纖維的面積取其凈面積即：

其中 為碳纖維的計算厚度, 為碳纖維布的幅寬, 為層數(shù)。

得到等效鋼筋面積之后,可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計公式進行計算。

對受壓區(qū)混凝土合力作用點取矩

其中 可有水平力平衡得到：

上式中 為混凝土棱柱體抗壓強度； 為鋼筋混凝土構(gòu)件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。

對于碳纖維布補強加固的鋼筋混凝土適筋梁,其適用條件為：受壓區(qū)高度 不宜大于 ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過40%；加固后在荷載效應(yīng)標準組合下受拉鋼筋的拉應(yīng)力不宜超過鋼筋的抗拉強度標準值。

操作要點：

（1）一般要求:

    1）、粘貼碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)由熟悉該技術(shù)施工工藝的專業(yè)施工隊伍完成，并應(yīng)有加固修復(fù)方案和施工技術(shù)措施。

    2）、碳纖維加固施工必須遵循下列工序進行：

    3）、施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進行，并應(yīng)符合配套膠粘劑的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，應(yīng)使用適用于低溫環(huán)境的配套膠粘劑或采用升溫處理措施。

    4）、施工時應(yīng)考慮環(huán)境濕度對膠粘劑固化的不利影響。

    5）、在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計部位放線定位。

    6）、膠粘劑配制時應(yīng)按產(chǎn)品使用說明中規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)及攪拌器上不得有油污及雜質(zhì)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境溫度決定膠粘劑的每次拌合量，并按使用要求嚴格控制使用時間。

（2）施工準備:

    1）、應(yīng)認真閱讀施工圖。

    2）、應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場和被加固構(gòu)件混凝土的實際狀況，擬定施工方案和施工計劃。

3）、應(yīng)對所使用的碳纖維片材、配套膠粘劑、機具等作好施工前的準備工作。

（3）混凝土表面處理：

1）將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈。

2)對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，進行修補、復(fù)原。

二、碳纖維加固結(jié)構(gòu)的作用

1.提高結(jié)構(gòu)抗剪切能力。碳纖維包覆柱或墩時，由于碳纖維的橫向約束作用使柱或墩的受力狀態(tài)發(fā)生變化，進一步提高了抗剪切能力。特別時發(fā)生地震時，能有效地防止柱或墩出現(xiàn)脆裂性破壞。

2.加強結(jié)構(gòu)抗彎曲能力。一般把碳纖維布粘在梁或板的底部后，當(dāng)梁或板出現(xiàn)彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內(nèi)部的聯(lián)合承受力，共同發(fā)揮作用，可有效地增強梁或板的抗彎曲能力。

3.增長結(jié)構(gòu)使用壽命。由于碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)提升了結(jié)構(gòu)的延伸性和承受力，同時又對建筑結(jié)構(gòu)有防護作用，因此可以增長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4.延遲裂縫出現(xiàn)，抑制裂縫擴散。當(dāng)碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)后，大大提高了混凝土抗裂能力，延遲了裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫時，碳纖維布可有效地抑制裂縫繼續(xù)擴散。

碳纖維維加固結(jié)構(gòu)的原理

二、碳纖維復(fù)合材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固改善混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維復(fù)合材料主要分為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復(fù)合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固、補強的目的。

三、碳纖維加固在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

1.  碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍

2.  碳纖維材料可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)部位；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以通過碳纖維材料進行加固。具體說來適用范圍如下：利用碳纖維材料加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓房增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板裂縫加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋改修加固和水塔加固等等。

施工溫度控制：環(huán)氧樹脂在低溫條件下固化比較緩慢，一般直選擇15℃—28℃的溫度條件下進行施工。如果遇到在氣溫較低時施工，必須采取加溫養(yǎng)護措施。3應(yīng)保持成型所需要的壓力，混凝土梁板加固時，大多數(shù)都是在梁的底面進行，由下而上進行粘貼。如果成型時施加的壓力不足，就會造成與混凝土之間粘合不夠緊密，導(dǎo)致補強層材料發(fā)生脫落，會影響加固的效果。4粘貼控制：涂膠要求涂抹均勻，為避免形成空洞或脫膠，要用力將產(chǎn)生的氣泡擠出刮平，否則將會影響到混凝土結(jié)構(gòu)的加固效果，導(dǎo)致某些部位粘結(jié)不好，造成在混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，引起混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。工藝流程：定位放線——結(jié)構(gòu)表面處理——涂刷底層樹脂——結(jié)構(gòu)面找平處理——浸漬樹脂的配制與涂刷——碳纖維片材粘貼——表面防護——養(yǎng)護、檢驗。三、施工要點：一定位放線：首先認真閱讀設(shè)計施工圖，結(jié)合現(xiàn)場，明確要加固的結(jié)構(gòu)范圍及部位。然后彈出要加固部位的纖維位置線，為便于混凝土基層處理，每邊位置線應(yīng)適當(dāng)放大2～3㎝。二混凝土表面處理1、對被加固構(gòu)件表面的浮渣、裝飾層及剝落、疏松、腐蝕等劣化混凝土予以清除；對于不平的地方，首先由人工剔鑿處理，然后用修復(fù)材料對其凹凸不平處進行修復(fù)；嚴重不平的地方，應(yīng)分多次修補。2、按設(shè)計要求，對存在的裂縫進行灌縫或封縫處理。3、用電動工具將被粘貼混凝土表面打磨平整，去除表面浮漿、油污等雜質(zhì)，打磨1～2㎜，直至*露出新的混凝土面。4、對轉(zhuǎn)角粘貼處進行倒角處理，并成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20㎜。5、將打磨過的構(gòu)件表面，用無油壓縮空氣吹除粉塵，并保持表面清凈。6、對于濕度較大的混凝土構(gòu)件，應(yīng)*行人工干燥處理，然后再進行打磨處理。三涂刷底層樹脂1、采用人工或機械攪拌方法，將樹脂各組份分別攪拌均勻，使各組份無沉淀現(xiàn)象。2、按照一定的比例，將兩種樹脂混合在一起并加以攪拌。為防止氣泡的產(chǎn)生，攪拌時請以同一方向攪拌，大約攪拌十幾分鐘后，使各組份能夠混合均勻即可。3、用滾筒將底層樹脂均勻抹于清潔的混凝土表面，不要漏刷，也不能太多。4、當(dāng)用量太大時，應(yīng)分批量攪拌，以免一次攪拌太多而不均勻，造成浪費。四找平處理1、在底層樹脂表面指觸干燥時，就可以對基層進行找平處理。2、按同樣的步驟，進行找平材料的配制。3、混凝土表面凹陷處用找平材料*平整，且不應(yīng)有棱角。4、轉(zhuǎn)角處應(yīng)用找平材料修復(fù)為光滑的圓弧，半徑不小于20㎜。5、待找平材料表面指觸干燥時即可進行下一步工序施工。五、浸漬樹脂的配制與碳纖維的粘貼 1、按以上步驟將浸漬樹脂配制好。2、根據(jù)設(shè)計要求，按設(shè)計尺寸裁剪好碳纖維布。3、將浸漬樹脂液均勻地涂抹于所要粘貼的部位。4、用滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，并使浸漬充分浸透碳纖維布。5、重上述步驟可以粘貼多層碳纖維布。6、在后一層碳纖維布表面均勻涂抹于一層浸漬樹脂。2.碳纖維片材可選用以下方式對建筑結(jié)構(gòu)進行加固

在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向*；選用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對梁、柱結(jié)構(gòu)進行受剪加固，纖維方向應(yīng)與結(jié)構(gòu)軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當(dāng)有可靠依據(jù)時，碳纖維片材也可選用其它形式或其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)進行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時，應(yīng)依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標準采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，依據(jù)檢測獲得的實際強度，依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標準確定其相應(yīng)的材料強度設(shè)計指標；碳纖維片材應(yīng)依據(jù)構(gòu)件達到極限狀態(tài)時的應(yīng)變，按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力；碳纖維片材應(yīng)選擇廠家提供的不低于95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當(dāng)使用粘貼碳纖維片材對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固時，應(yīng)考慮加固后對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能帶來的影響。如果不能在*卸載條件下進行加固，應(yīng)考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時，被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實際混凝土強度等級不應(yīng)小于Cl5.使用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應(yīng)小于C10.

三、結(jié)語、碳纖維復(fù)合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結(jié)構(gòu)的影響較小，施工方便，具有其他加固方式*的*性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入，該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景，也許在未來人類社會在材料應(yīng)用上會從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時代。本信息*有效。

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