外粘碳纖維布法在冷卻塔加固中的應用

倪國慶

（江蘇華電揚州發電有限公司，江蘇揚州225000）

外粘碳纖維布法在冷卻塔加固中的應用

倪國慶

（江蘇華電揚州發電有限公司，江蘇揚州225000）

冷卻塔是電廠重要生產設備之一，隨著時間的推移，病害和相關缺陷日益增多，必須進行適當的加固與維護，才能確保整個電廠的安全生產。本文通過對某冷卻塔的計算分析與檢測鑒定結果采用外粘碳纖維布方式進行加固，有效解決了冷卻塔承載能力不足的問題。

冷卻塔；碳纖維布；承載能力

0　引言

我國冷卻塔市場起步晚，但發展穩定增長，市場發展空間十分廣闊。改革開放幾十年來，我國的工業生產獲得了極大的發展，技術水平也不斷成熟，冷卻塔生產需求不斷增加，國產化水平日益提高，然而隨著時間的推移，冷卻塔的病害和相關缺陷日益增多，為了提高冷卻塔質量的安全度，減少事故發生，消除事故隱患，有必要對冷卻塔定期進行檢測與維護加固，使冷卻塔更加安全、有效的運行。

碳纖維增強材料簡稱碳纖維，按照成品不同又分為碳纖維布、碳纖維板、碳纖維棒等，是近十幾年來興起的一種新型混凝土加固材料，它以其優異的力學性能在工程領域應用日益廣泛。碳纖維布有如下優點：

（1）強度高。碳纖維布的抗拉強度一般都在3500MPa以上，遠高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。

（2）施工簡便快捷。使用粘貼碳纖維布加固構件不需要大型施工機械，無需損傷原結構，且重量輕，厚度薄，易于操作，施工周期短，經濟性好。

（3）抗腐蝕性好。加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性，可以應用于各種工作環境的構件加固。也可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，延長結構的使用壽命。同時也易于保持結構原狀，基本不增加結構自重及截面尺寸。

1　實例分析

1.1工程背景

江蘇華電揚州發電有限公司位于全國歷史文化名城江蘇省揚州市東北郊，京杭大運河和古運河交匯處，南鄰寧通高速，北接寧啟鐵路。江蘇華電揚州發電有限公司生產區內4#和5#冷卻塔分別建成于1988年和1990年，其中冷卻塔塔體高100m，底部半徑38.989m，塔筒喉部高度79.774m，喉部半徑20.701m，頂部半徑22.989m。殼體最大厚度0.6m，最小厚度0.17m。上部結構為鋼筋混凝土薄壁環形筒體結構，下部結構為鋼筋混凝土人字柱、環形基礎。經過20年的運行及外部自然氣候的影響，結構部分已有一定程度的老化和破損。

可靠性已不能滿足國家現行規范要求，不能正常使用。

1.2檢測與計算

為了利用有效資源，已對4#、5#冷卻塔結構進行了全面檢測，主要問題如下：

（1）冷卻塔筒體存在因鋼筋銹脹等原因導致表面混凝土局部破損；（2）環梁底部鋼筋銹脹，混凝土剝落，現象較普遍；（3）人字柱箍筋銹脹，混凝土開裂、剝落，現象較普遍；

通過大型通用有限元軟件ABAQUS對冷卻塔進行計算分析：

圖2　冷卻塔人字柱缺陷

圖3　有限元模型計算簡圖

表1　材料參數

塔筒極限承載力與正常使用狀況下的裂縫寬度驗算所采用的控制內力分別見表2、表3，人字柱極限承載力驗算所采用的控制內力見表4。采用Morgain結構設計程序進行配筋計算。根據受力情況，采用偏心受拉或偏心受壓構件進行配筋計算，計算配筋量與實際配筋量、原設計配筋量的比較分別見表5、表6。由表可知，環向鋼筋計算中，除塔筒中部一定范圍內，筒壁環向配筋計算量大于實際配筋量外，其它部位環向配筋量均滿足承載力計算要求；子午向鋼筋計算中，除塔筒中部一定范圍內，筒壁外壁的子午向配筋計算量大于實際配筋量外，其它部位子午向配筋量均滿足承載力計算要求。人字柱縱向計算配筋量為2351mm2，縱向設計配筋量為7389mm2，滿足極限承載力使用要求。

1.3加固方法

1.3.1冷卻塔人字柱及環基

經檢測，人字柱混凝土抗壓強度滿足原設計要求，但柱普遍存在箍筋銹脹，混凝土剝落、防腐層大面積脫落等缺陷，此外，經過計算，人字柱配筋滿足原設計要求，人字柱軸壓比滿足規范要求，但柱上下端箍筋加密區的箍筋不滿足抗震規范構造要求，需要在人字柱上、下端1/6長度（1.3m）范圍內粘貼環向碳纖維布加固，粘貼標準為TB100@250（中距，螺旋粘貼）。對人字柱缺陷部位采用局部修復，裂縫灌漿并對缺陷嚴重部位粘貼碳纖維布加固TB100@250，人字柱表面全面防碳化處理。

表2　塔筒子午向控制內力

表3　塔筒環向控制內力

表4　人字柱控制內力

主要程序如下：

1）鑿除已疏松混凝土，清理至堅實基面，外露鋼筋除銹防銹處理；

2）用聚合物水泥復合砂漿修復；

3）對裂縫予以灌漿處理；

4）沿人字柱環向粘貼碳纖維布加固處理；

5）所有人字柱外表面刷混凝土防碳化材料。

1.3.2冷卻塔塔筒筒壁及環梁

塔筒筒壁及環梁普遍存在鋼筋外露銹脹的現象；筒體內壁防腐層大面積脫落。對鋼筋外露銹脹的部位采用局部修復和粘貼碳纖維布，筒外壁防碳化處理，塔壁內表面進行防腐（專用防腐涂料）。

加固方案如下：

按照30a使用期限的要求選取荷載標準，經過結構計算，塔筒中部一定高度范圍內（20～60）筒壁環向鋼筋不滿足設計要求，塔筒中部一定高度范圍內（20～74）筒外壁子午向鋼筋不滿足設計要求；由筒壁裂縫的驗算結果可知，子午向裂縫計算中，除筒壁頂部（95～100）外，其它范圍內均滿足最大裂縫寬度限制0.20mm的要求；環向裂縫計算中，除中間段筒壁（20～60）不滿足最大裂縫寬度限制0.20mm的要求外，其它范圍均滿足。

綜合以上結果，需對本段（20～74、95～100）筒壁的外側筒壁沿子午向進行加筋處理，筒外壁（20～74）沿環向進行加筋處理。

塔筒筒壁粘貼單向碳纖維布，主要程序如下：

1）鑿除已疏松混凝土，清理至堅實基面，外露鋼筋除銹防銹處理；

2）用聚合物水泥復合砂漿修復；

3）對裂縫予以灌漿處理；

4）充分利用碳纖維布抗拉性能好的特點，采用不對稱配筋，在筒壁外側不滿足要求的部位（10～85m段）粘貼碳纖維布，子午向碳纖維布貼內側，環向碳纖維布貼外側，筒壁內側只粘貼環向碳纖維布；

表5　塔筒環向配筋計算

表6　塔筒子午向配筋計算

圖1　人字柱加固大樣圖

5）筒壁內表面涂刷冷卻塔專用防護材料；筒壁外表面涂刷混凝土防碳化涂料，外筒做防碳化涂料前，應先做好樣板，待廠方同意后再進行施工。各高程需要粘貼的環向及子午向碳纖維布布置。為避免子午向搭接部位集中，在不同斷面上對碳纖維布進行搭接，且在搭接范圍區內，上下段碳纖維布各延伸200mm以上，并在此部位子午向碳纖維布端部，環向粘貼2道碳纖維布，碳纖維布寬度為80mm。在子午向碳纖維布加固范圍內，粘貼環向碳纖維布，布寬80mm，環向碳纖維布間距不得超過1000mm，且在原施工模板接縫處布設一道。所有環向碳纖維布的搭接均要錯開，同一截面內搭接率不應超過50%，對15m及80m端部處，環向碳纖維布局部加密，增加2道環向碳纖維布（80@200）。塔筒環梁底部多處鋼筋銹脹，混凝土剝落，現象較普遍，對環梁底部破損部位進行缺陷修復后，沿環梁長度方向粘貼碳纖維布2塊，每塊寬度200mm，垂直梁長方向粘貼TB150@500。

2　冷卻塔加固計算

筒壁、人支柱配筋不滿足要求的采用外粘碳纖維布的方式加固；加固量根據鋼筋差值等強換算成碳纖維布確定；

圖2　塔筒剖面

例如：原設計配筋量500mm2，計算需要800mm2，需要補強300mm2鋼筋面積，鋼筋為HRB335級；換算成I級碳纖維布需要一層100寬碳纖維布，面積約等于100mm2滿足要求。

換算按以下原則進行：

2.1碳纖維布特征

1）抗拉強度標準值：fcfk≥3400MPa

2）彈性模量：Ecf≥2.3×105

3）伸長率：εcu≥1.7%

4）單層厚度：tcf=0.167mm

2.2碳纖維布的允許拉應變

碳纖維布的允許拉應變|εcf|取以下三者中的較小值：（根據CECS146：2003《碳纖維材料加固修復混凝土結構技術規程》4.3.2條規定：

1）鋼筋的最大拉應變：0.01（根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010中6.2.1條）

2）|εcfu|×2/3，其中

300g/m2布，一層

300g/m2布，一層：εcf=kmεcfu=0.9×0.014=0.0126

由此可見：碳纖維布的允許拉應變εcf=2εcfu/3=2× 0.014/3=0.0093

2.3鋼筋特性

1）極限拉應變取值：εcu2）屈服應力和應變：

3）從屈服到極限應變的增量：

HRB400級：Δεs0=0.0093-0.0018=0.0075

HRB335級：Δεs0=0.0093-0.0015=0.0078

HPB235級：Δεs0=0.0093-0.0010=0.0083

HPB300級：Δεs0=0.0093-0.0013=0.008

4）碳纖維布折算成鋼筋面積

鋼筋取用屈服強度：Ecf×Δεs×bcf×tcf=fy×As

100寬碳纖維布折算成鋼筋面積：

折算成HRB400鋼筋面積：

折算成HRB335鋼筋面積：

折算成HPB235鋼筋面積：

折算成HPB300鋼筋面積：

3　結語

碳纖維加固技術在我國得到了快速發展，隨著原材料的國產化及工藝的不斷成熟，該技術必將越來越多的應用于各行各業。

本次加固處理后，冷卻塔可以滿足當前國家規范及標準要求，并能滿足安全運行30年的耐久性要求，后續使用期間還應定期檢查維護。

[1]趙彤，謝劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津：天津大學出版社，2001.

[2]蔣文勇，李碧雄.碳纖維在土木工程加固中的應用研究[J].四川建筑科學研究，2007，（12）：69272

Application of Carbon Fiber Cloth Method in Cooling Tower

NI Guo-qing
（Jiangsu Huadian Yangzhou Power Generation Co.，Ltd，Yangzhou 225000，China）

Cooling tower is one of the important production equipment of power plant，with the passage of time，disease and related defects increasing must be appropriate reinforcement and maintenance，in order to ensure the safety in production of the whole plant.In this paper，the calculation and analysis of a cooling tower and the results of the detection and identification of the results of the use of carbon fiber cloth to reinforce，effectively solve the problem of insufficient capacity of cooling tower.

cooling tower；carbon fiber cloth；bearing capacity

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.005

TM621

B

2095-3429（2015）05-0019-05

2015-07-10

2015-09-18