碳纖維片材結構加固計算與施工方法

呂修峰

摘 要：碳纖維復合材料加固修復技術是一項新型加固技術，該項技術是將碳素纖維這種高性能材料應用于結構工程加固，利用樹脂類物質使碳纖維與需要加固構件貼合，使之成為復合體，通過其與構件的共同作用，實現對結構構件補強加固，提高受力性能的目標。

關鍵詞：碳纖維；補強；復合體；加固

前言

碳纖維片材用于混凝土結構加固始于發達國家，目前在國內發展迅速，該復合體加固技術的研究與應用已達到一定的水平，具有成本低，施工方便的特點，廣泛應用于房屋、橋梁構件的維修、加固、補強。

1 材料特點及性能

碳纖維片材具有很高的抗拉強度，約10倍于普通鋼材，比普通鋼筋彈性模量高；材質本身柔性好，便于裁剪，易于加固操作，加固施工無需任何夾具、模板，能適應各種結構外形的補強而不改變構件外形尺寸，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；基本不增加結構自重及截面尺寸；相對其它加固方法比較，碳纖維加固施工簡便，不需大型施工機械及周轉材料，可操作性好，施工周期短。

2 適用范圍

碳纖維片材結構加固技術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件的加固補強。

3 加固技術原理

碳纖維補強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件表面，膠體固化后與需加固構件組合成復合整體共同受力，達到構件加固目的。

結構加固采用的碳纖維片材，其性能指標要求具有較高的抗拉強度、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、找平樹脂及粘結樹脂，底層樹脂、找平樹脂的作用是為了提高碳纖維的粘結效果，粘結樹脂的使用是為了使加固片材和加固構件能夠復合為一個整體，共同作用，起到增強構件的抗彎、抗剪承載力，使結構構件得到加固、補強。

4 計算方法

4.1 基本假設

假設碳纖維加固截面應力-應變關系符合平截面及線彈性；碳纖維片材較薄，認為其中心距梁頂的距離與梁高相等。

4.2 設計計算方法

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

4.2.1 判斷加固后構件的破壞形式

構件壓區混凝土和碳纖維同時破壞的狀態為界限破壞，此時的

截面應力應變關系為 ，在界限破壞時所需的

最大鋼筋面積為 ，設截面已有的縱向鋼筋面積為As，

如果Asmax

利用換算截面原理，計算界限破壞時所需碳纖維布的面積 ，計算此時的截面承載力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混凝土被壓碎。

4.2.2 加固所需的碳纖維布面積

當破壞形式為壓區混凝土被壓碎時，εs>εy，εc=εcu，εcf<εcfu，

εcf=h-xb1， 。

由力的平衡條件 和彎矩平衡條

件 ，聯立解出Acf，從而確定加固所需要的碳纖維布面積。

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

考慮到界限破壞時受壓區高度相對受壓區高度

。

碳纖維拉斷時，相對受壓區高度xb2小于xb，而且0.198h相對很小，因此偏于安全地可取混凝土受壓區合力作用點在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

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

施工流程為：構件基層處置→刷底層涂料→環氧膩子修補殘缺→片材分層粘貼→養護→涂裝。

5.2 混凝土殘缺修補與基底處理

徹底清理混凝土構件表面的殘損，直到密實位置，并使用角磨機打磨達到光滑平整。對剔鑿、清理后露筋的殘損位置，采取環氧樹脂砂漿實施修補復原，對表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨，修復至表面平整、順滑。構件表面凸起部分需要處理平順，對邊角位置，需磨成圓角，半徑須大于3cm，寬度不大于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂抹封閉；超過0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫。

加固構件經過打磨后，將表層雜質及浮灰處理掉，最好用酒精進行清洗，并充分干燥加固構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底層涂料的主劑和固化劑攪拌均勻，需準確稱量按規定比例放入，估算凝固前單次使用量，使其在可用時間內用完，避免浪費。將底層涂料均勻地涂刷于構件表面，確定干燥后才能進行下層工序的操作。

5.4 粘貼碳纖維片材

粘貼樹脂經攪拌用滾筒刷均勻地涂抹在貼片上，貼片時，在纖維片和樹脂之間避免有氣體，片材順長方向的接頭搭接應不小于100mm。可用專用滾壓工具沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹脂滲浸進片材中。上層片材粘貼半小時后，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以上步驟。最上面一層片材粘貼應涂刷均勻、周邊整齊。

5.5 養護

加固完成后，加載荷使用前應養護，一般在7～14天內。必要時應采取封閉遮擋養護。對表面有裝飾要求的結構或構件，可在粘貼后的碳纖維表面直接噴涂與其無化學反應的環氧類型涂料或抹灰后涂刷常規涂料。

6 施工質量要求及缺陷處理

每道工序完畢后均應按技術要求進行復查，做好相關的質量記錄，如發現質量問題，應鏟除返工整改。

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%。

敲擊碳纖維片材表面，以聲音判斷粘結效果，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采取注入耐久樹脂膠處理。粘結面積若少于90%則判定粘結無效，需重新施工。

綜上所述，碳纖維片材加固、補強結構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強方法，越是復雜結構其優點越明顯。由于該技術的施工簡便迅速、施工周期短、占用空間小，對周圍的影響可降低到最低限度，因此具有很大的社會、經濟效益與巨大的優越性，擁有廣泛的應用前景。