某工程碳纖維片材加固設計應用實例

■張碧玉 ■廣西壯族自治區建筑科學研究設計院，廣西 南寧 530011

1 碳纖維加固技術的概述

1.1 碳纖維加固技術的原理及適用范圍

碳纖維加固技術是利用樹脂類粘結材料，將碳纖維布、碳纖維板等粘結在結構構件受力位置，從而對結構構件進行加固、補強。由于碳纖維加固技術是采用無機高分子纖維，該材料的強度比普通的板材高，具有良好的強效性，此外其耐化學腐蝕性強，同時具有良好的耐水能力，材料的耐候性使得其可在復雜的建筑環境中廣泛的適用。

1.2 碳纖維加固技術的優點

在實際施工過程中，碳纖維加固技術操作簡單，不需要大型的施工機械設備，也不需要占用很大的施工場地，能極大的提高施工效率;碳纖維材料的柔性比較好，在粘結構件過程中，即使表面不夠平整，也能確保粘結質量，可以有效地縮短施工周期。

2 某工程碳纖維片材加固設計實例

2.1 工程概況

某改造項目工程抗震設防烈度為:6 度;框架抗震等級為四級，建筑層數為地上三層;地下一層;建筑高度14.07m，原建筑設計功能為普通聯排別墅，主體完工后在正式投入使用前，業主根據市場需求，改變其使用功能將其改為度假酒店。這一更改需要將原聯排別墅分戶墻打通，增設建筑隔墻，樓電梯間等。建筑物空間使用功能、平面布置和荷載發生了較大的變化。根據新的建筑平面布置應用PKPM 軟件在原有結構模型上加載新荷載，對原結構設計重新計算，計算結果表明，建筑使用功能發生改變后，原結構構件柱基本滿足要求，原設計的各層均出現在新增荷載作用下，部分梁端支座及梁底跨中抗彎承載力不足，部分梁抗剪承載力不足，局部板塊原配筋不滿足現計算要求。為確保建筑滿足新的使用要求，須對承載力不足的梁板構件進行加固處理。

2.2 加固方案分析及確定

對承載力不足的梁板采用進行計算分析，結果表明，若使用碳纖維加固法，大部分梁加固后正截面承載力提高幅度均不超過40%，斜截面承載力和板受彎加固后均可滿足承載力要求。因業主要求加固施工處理時間盡量短，使建筑盡快投入使用，以收到最大經濟效益;因此此項目采用以碳纖維片材加固梁板為主、部分正截面承載力提高幅度超過40%的梁采用增大截面法為輔的加固方案。

2.3 加固設計簡介

根據《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2007 第4.3.2 條:矩形截面受彎構件的受拉面，采用粘貼碳纖維片材受彎加固時，正截面受彎承載力的計算公式;第4.3.3 條，翼緣位于受壓區的T形受彎構件，在其受拉面粘貼碳纖維片材，進行受彎加固設計時，按前一條的原則以及現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB50010 -2010關于T 形構件受彎承載力的計算方法來進行計算和驗算;第4.3.4 條:當考慮二次受力影響時，加固之前在初始彎矩Mi作用下，截面受拉邊緣的混凝土的初始應變εi計算公式;以及第4.4.1 條:鋼筋混凝土梁在受剪加固時，斜截面受剪承載力計算公式;為此項工程，對照永固加固計算程序，編制了碳纖維片材梁正截面抗彎及斜截面抗剪加固計算excel 表格，用于驗算片材加固后梁正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力是否滿足要求。在正截面受彎承載力加固計算中，對受壓區高度x 不宜大于0.8ξbh0(ξb為界限相對受壓區高度)、加固后構件的受彎承載力的提高幅度不超過40%，以及加固后，在荷載效應標準組合下，受拉鋼筋的拉應力不超過鋼筋抗拉強度標準值進行了判斷，當不滿足以上要求時，改用增大截面法對梁進行加固。

計算結果表明，大多數梁板承載力不足處，粘貼單層高強度II 級碳纖維布即可滿足承載力要求。高強度II 級碳纖維布彈性模量不小于210GPa，抗拉強度標準值不小于3000MPa，抗拉強度設計值不小于2000MPa，伸縮率不小于1.5%，厚度為0.167mm。

在構造措施上，對梁，在碳纖維片材長度范圍內采用碳纖維片材U型箍錨固。在長度范圍內要求均勻布置U 型箍，并且要求在端部處必須設置一道U 型箍。同時要求U 型箍粘貼高度延伸到樓板底面，且每一道U 型箍的寬度都大于或等于受彎加固碳纖維布厚度的1/2。對板，采取在碳纖維片材長度范圍內設置垂直受力碳纖維方向壓條的措施。要求在錨固長度范圍內均需均勻布置壓條，并且要求在端部必須設置一道壓條。同時要求每一道壓條的寬度大于或等于受彎加固碳纖維布條帶寬度1/2，且壓條的厚度大于或等于受彎加固碳纖維布厚度1/2。

2.4 加固施工要求

在粘貼碳纖維片材加固技術主要施工工藝上，要求如下:(1)構件表面的粉刷層或者墊層到混凝土基層間須鑿除;并應按要求對混凝土缺損部位進行相應的修復及處理。其次必須對混凝土表面油污和浮漿進行清除以后再打磨至堅實基層;要求對不平整的部位應該進行打磨或者修復處理。轉角粘貼處應該按要求打磨成圓弧狀的倒角，圓弧的半徑不應小于20mm。表面的粉塵必須清除并且清洗干凈，基面保持干燥。(2)必須按選用產品的要求來進行底涂;并采用找平材料修補平整基面的凹陷部位，要求做到表面沒有棱角。(3)碳纖維下料以及粘結期間要保持碳纖維材料的干凈和整潔，嚴防褶皺、受損。嚴格地按產品說明來進行拌膠的配比和操作，使之攪拌充分和均勻。(4)粘結時要保證碳纖維膠密實沒有氣泡，厚度適合并且均勻;碳纖維布膠應該充分浸透碳纖維。應該分層進行碳纖維布的多層粘結;最后一層碳纖維布得表面應該均勻得面涂一層。(5)碳纖維布的搭接同時要滿足構造要求。(6)固化期間應嚴禁干擾碳纖維膠。(7)表面的防護處理應按要求進行。如果要進行粉刷防護，必須在面涂層進行拍砂處理，拍砂的施工不能影響已粘貼的碳纖維。

在加固表面防護技術上，要求如下:(1)采用25mm 厚1 比3 的水泥砂漿來防護碳纖維加固表面?？梢酝克⒔缑鎰┗蛘卟扇∑渌拇胧┻M行處理來增加粉刷層的粘結力。(2)應該采用50mm 厚的新增混凝土保護層來對處于二a 類環境下的碳纖維加固構件進行防護。(3)加固部分的防護必須要達到相關的耐火等級的要求。(4)在粘貼膠完全固化以后才可以施工加固表面的防護。

對加固施工要求如下:(1)必須由有特種施工資質(結構補強)的專業公司來進行加固工程的施工。(2)應該優先考慮將原設計結構除其自重外的荷載先卸載，再進行構件加固，如果沒有辦法卸載，應該及時地向設計人員匯報，得到設計的允許后才可進一步施工。(3)在加固施工工程中，應該留意原來的結構構件是否存在開裂、腐蝕、銹蝕、老化以及和圖紙不一樣的情況，施工單位應進行記錄檢查結構損壞的程度，向設計人員報告，得到設計人員同意以后才可以繼續做相關的加固修復工作。(4)施工隊在加固工程施工之前，必須完全的理解整體加固的原則和整體加固的需要，如果有部分結構的拆除工作在加固工作之后進行，必須要保證加固工作完成，并且加固的構件達到了設計強度，再進行相關拆除工作。(5)施工單位在加固施工中，必須要做好對新舊混凝土的澆筑界面的處理，鑿毛需充分，濕潤、接漿(或使用其他截面劑)，并且確保連接面的質量和可靠性。(6)加固施工時，必須要滿足加固材料對施工的環境溫度和濕度方面的特殊要求。(7)加固施工時，要保證加固材料在存儲和使用過程中的安全，并按產品說明的要求來采取有效的安全保障措施。(8)加固施工過程應采用沒有振動或者少振動的設備，以減少對原有結構的破壞。

3 總結

隨著建筑市場競爭的日益熱化，建筑物建成后更改使用功能的概率也在增加。在面對改造加固設計時，選擇合適的加固方案滿足業主的要求越來越受到重視。碳纖維加固技術具有操作簡單、綜合性能高、加固質量高、節能環保等特點，適當將其應用在工程加固中，能極大的提高工程的綜合質量，保證改造工程的使用壽命，尤其對施工場地及工期時間有較高要求時，可以收到較好的綜合效益。

［1］《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2007.

［2］《混凝土結構加固設計規范》GB50367 -2013.

［3］《既有建筑結構加固改造設計與施工技術指南》徐福泉，趙基達，李東彬;中國物資出版社.

［4］《混凝土結構粘結加固設計與算例》左成平，左明漢編著;中國建筑工業出版社.