碳纖維布加固框架梁原理與施工技術探討

摘要：碳纖維材料加固混凝土結構是一種新型結構加固方法。某110kV變電所戶內電容器爆炸引起火災，導致電容器室框架梁受到一定程度的損傷，危及結構安全，影響設備的安全運行，經分析比較多種加固方案，最終采用粘貼碳纖維布對該框架梁進行加固。

關鍵詞：碳纖維布；加固

1、碳纖維加固結構構件技術簡介

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic）加固修復混凝土結構技術是近年來興起的一項新型加固技術，該項技術是將碳素纖維這種高性能纖維應用于土木工程，利用樹指類材料把碳纖維粘貼于結構或構件表面，形成復合材料體（CFRP），通過其與結構或構件的協同工作，達到對結構構件補強加固及改善受力性能的目的。

2、碳纖維加固結構構件技術原理

碳纖維材料具有高強度、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。加固修復混凝土結構所用碳纖維材料主要為二種：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，某些種類（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材料；配套樹指則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結質量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復合性整體，并且共同工作，提高結構構件的抗彎、抗剪承載能力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

3、加固工程概況

某110kV變電所建于2000年，因電容器室爆炸燃燒，第二榀框架梁遭到破壞，保護層混凝土開裂、酥松、剝落，下弦鋼筋變形較嚴重，鋼筋受力截面削弱，危及結構安全，影響電力的安全生產。經基建部門、設計部門、加固公司等單位專家一起進行分析比較，選擇粘貼碳纖維布進行加固，防止大梁的過度變形，延長梁的使用壽命。

4、碳纖維布加固框架梁設計

4.1碳纖維布加固的前提

首先，利用回彈法對框架梁混凝土進行檢測，以供加固參考。經檢測，混凝土的實際強度為C30。根據設計圖紙，及現場混凝土、鋼筋的受損情況，考慮提高框架梁的抗拉強度等級，為此，將610mm寬的碳纖維布裁成兩半，分兩層粘貼在框架梁的底面及兩側，加固后，增加了原受拉鋼筋面積，彌補了由于原鋼筋變形而造成的截面削減，構件的承載力得到加強，而且，總體配筋率ρmin≤ρ≤ρmax ，可以滿足使用要求。

4.2碳纖維布的設計

在受彎加固時，應使碳纖維片材的纖維方向與受拉區的拉應力方向一致。因梁底寬度為350mm，而碳纖維布的寬度為610mm，兼顧加固時碳纖維布的幅寬效應及框架梁下的受拉范圍，考慮將碳纖維布裁為兩半，一層為300mm寬，一層為310mm寬，分兩層粘貼在梁的下側；再粘貼100mm寬的碳纖維布“U”形箍；框架梁兩側面上邊緣各粘貼四根100mm寬的碳纖維布條固定碳纖維布“U”形箍。

[碳纖維布的主要力學指標 抗拉強（Mpa）彈性模（Mpa）延伸率（%）技術規程指標≥3000≥2.1×105≥1.4]

4.3配套樹脂粘結材料的設計

配套樹脂分別由主劑和固化劑配制而成，分為適合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主劑和固化劑分別包裝，在現場使用時，應按工藝要求、按照規定的比例混合均勻，以形成所需要的底層樹脂、找平樹脂、粘結樹脂。

①底層樹脂 底層樹脂作用是增強表面混凝土與找平材料或粘結樹脂界面粘結強度；

②找平樹脂 找平樹脂是使表面平整度符合規定要求，并與底層樹脂及粘浸樹脂具有可靠的粘結強度；

③粘結樹脂 粘結樹脂是粘貼碳纖維布的主要粘結材料，其作用是使碳纖維布與混凝土得到充分的粘結，使其共同承受結構的作用。

配套樹脂粘結材料的主要力學性能指標：

5、施工準備

（1）、主要材料：底膠、粘著膠、碳纖維布。

（2）、輔助材料：低速攪拌器、專用滾筒、角向磨光機、剪刀、鑿子、刮板、吹風機、榔頭、量具等。

（3）、搭設腳手架：

按安全規程要求搭設好腳手架，高度以滿足施工要求和施工方便。

6、施工程序

表面處理→修補找平→定位、下料→膠料配制→粘貼碳纖維布→表面防護→檢驗、驗收。

7、施工方法

（1）、表面處理：清理粘貼部位混凝土表層，打磨平整，并用MA砂漿修補，平整度應達到5mm/m；框架梁、柱節點轉角粘貼處須打磨成圓弧狀，圓弧半徑不小于20mm。表面打磨后用吹風機吹凈，并用PT劑清洗干凈。

（2）、修補找平：被加固的框架梁混凝土保護層部分疏松，應清除直至露出結構層；局部裂紋、蜂窩用MA砂漿修補表層修復平整。

（3）、膠料配制：按稱量比例調制粘結膠，調制前對A、B兩組按規定比例分別攪拌，混入后再充分攪拌。

（4）、粘貼碳纖維布：按設計要求的尺寸裁剪碳纖維布，將配制好的粘結膠均勻涂抹在粘貼部份的混凝土面層上；鋪貼碳纖維布，并用滾筒沿碳纖維布纖維方向多次滾壓，使粘結膠充分浸透纖維中。

（5）、表面防護：在粘貼好的碳纖維布最后一層均勻涂抹一道粘結膠。

（6）、檢驗：粘貼完工后，按規程進行檢驗。

8、 施工要求

（1）、表面處理：混凝土表面應露出結構，本體潔凈。構件轉角應成圓弧狀，半徑不小于20mm。

（2）、修補找平：經表面處理后的粘貼面平整度應達到5mm/m，有段差轉角部位、凹凸部位應用MA砂漿找平，抹成平滑曲面。

（3）、膠料配制：膠料應嚴格按比例配制，調膠使用的工具應為低速攪拌器，攪拌應充分均勻，配制攪拌后的膠料應無沉淀、色差氣泡，并應防止灰塵雜質混入膠料。

（4）、粘貼碳纖維布：應按設計要求裁剪碳纖維布，不得損傷橫向織物面，涂抹粘結膠應均勻，鋪貼應平整無氣泡。

（5）、表面防護：在粘貼好的碳纖維布上應涂抹粘結膠一道，進行防護，涂抹應均勻充分，不應漏涂。

（6）、檢驗：粘貼完工經固化后，進行檢驗。密實度可用小錘敲擊構件粘貼表面，通過不同聲音判別密實情況。密實度應達到相關規定，否則應重新修補后再檢驗。

9、 質量檢驗及驗收標準

（1）、纖維產品應按設計圖紙要求選用，技術指標必須符合有關規定，所用纖維產品應有產品質保書。

（2）、粘結膠料應按設計要求選用，符合基本性能要求，所用膠料產品應有產品質保書。

（3）、施工質量檢驗及驗收標準。

10、結論

根據加固原理可知，在施工前必須選擇合適的粘結劑，認真查看材料的質保書及使用說明，掌握材料的各有關參數，以確保它有足夠的強度，能保證碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結構共同工作；在施工過程中，參照使用說明，每道膠都必須處理好，特別是粘貼碳纖維布的膠，應盡可能讓膠充分地滲入到碳纖維絲之間（細部空鼓處，可用針筒注射膠），確保相互共同工作。通過對某110kV變電所工程實例的施工操作，深深體會到碳纖維結構加固技術簡介中介紹的各項優點，該工程施工時，在確保安全的前提下，僅使用了簡單的腳手架，而且，碳纖維布裁剪非常方便，可以根據形狀及尺寸隨意裁剪，在各種支架的遮擋處可以隨意穿過，施工非常方便；另外，從2005年4月28日加固后到現在，一切使用良好；該工程從開工到結束僅7天（包括搭、拆腳手），工程總費用僅為16772.00元。

由此可見，碳纖維材料加固結構技術的優點很明顯，應用前景很光明。

11、探討

粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術，已經得到較為廣泛的應用，并已產生較大的經濟效益；在混凝土結構的加固中，碳纖維布主要是分擔鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結構構件的抗拉強度和抗變形能力，減少裂縫的開展，那么在正常使用狀態中，碳纖維布與鋼筋混凝土一起各發揮了多少作用呢？它們的應力狀態如何呢？在其它結構構中，碳纖維布能否也起到加強抗拉強度的作用呢？這些問題有待工程技術人員進一步研究、開發。

參考文獻：

[1]《混凝土結構加固技術規范》 CECS25：90

[2]《建筑抗震加固技術規程》 JGJ116-98

[3]《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》 CECS146：2003

[4]《纖維片材加固修復結構用粘結樹脂》 JG/T166-2004

[5]《結構加固修復用碳纖維片材》 JG/T167-2004