碳纤维在某通信机房加固中的应用

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摘要：碳纤维增强聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer简称CFRP）是一种新兴的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领域。近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。较之传统的结构加固方法，碳纤维加固技术是一种新型高效的加固修复技术，它具有高强、高效、施工便捷、使用面广等优点。碳纤维加固技术是利用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从而达到结构补强及改善受力性能的目的。此项技术在美国、日本等发达国家已成熟运用，在20世纪90年代后期国内才开始碳纤维加固技术的研究与应用，虽取得了一定的成果，但至今尚未形成系统的理论。 

关键词：碳纤维 加固  1、工程概况 随着通信事业的迅速发展，各地通信公司相继增设了一批通信机房。因通信设备荷载较大，一般民用建筑达不到使用要求。为确保使用安全，需对原建筑进行结构验算、结构加固等工作。某通信公司传输机房位于一办公楼三层楼面上，机房使用活载（6.0KN/m2）超过原办公楼使用活载2.5 KN/m2。原楼面结构为主次梁现浇板体系（混凝土强度等级C40，板受力筋为Ⅰ级钢筋，梁受力筋为Ⅱ级钢筋）。结构验算表明，楼板无需加固，而主次梁正截面需进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，并征得业主的同意，决定采用碳纤维复合材料进行加固。 2、材料特性 ⑴本工程使用了日本进口的碳纤维布（ST200），其主要性能指标见表1。 表1 碳纤维布主要性能指标 型号 单位面积质量 （g•cm-2） 设计厚度 mm 设计抗拉强度 fcf / MPa 弹性模量 Ecf / MPa ST200 200 0.111 3400 2.3×105 ⑵粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶，其主要性能指标见表2 表2 JGN型建筑结构胶主要性能指标 种类 拉伸强度 MPa 压缩强度 MPa 剪切强度 MPa 适用温度 ℃ 可使用时间 min 基底树脂 （JGN-E） - - - 0～38 15～30 修补树脂 （JGN-F） ＞28 ＞50 ＞18 0～38 ＞40 粘结树脂 （JGN-D） ＞28 ＞50 ＞18 0～38 ＞60 3、加固设计 3.1基本假定 用碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算与普通混凝土梁有所不同，其基本假定为：（1）受拉区混凝土的作用忽略不计；（2）梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：σcf=Ecf×εcf。因本工程建成后未经装修使用，加固设计时忽略碳纤维二次受力的影响。 3.2设计方法 3.2.1实用公式 根据极限状态应力应变关系，由平衡条件可得： 当χ≥2a’时， fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (1) Mu≤ σcfAcf (h-χ/2)+ fyAs (h0-χ/2)- fy’As’ (χ/2-as’)  当χ%26lt;2a’时， fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (2) Mu≤ σcfAcf (h- as’)+ fyAs (h0- as’) 3.2.2规程公式 根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》的规定，当混凝土受压区高度x≤ξcfbh时，其极限弯矩： Mu≤fyAs (h0- 0.5gξcfbh)+Ecf[εcf ]•Acf（1-0.5ξcfb） (3) 其中，界限相对受压区高度： ξcfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]） 3.3次梁加固设计 次梁截面：b×h=400mm×500mm，As =As’=1018mm2 截面弯矩：Mu=242Kn•m 3.3.1按实用公式计算 首先估算混凝土受压区高度χ≈12mm%26lt;2as’ 根据公式(2),解得: Acf=53.1mm2 3.3.2按规程公式计算 界限相对高度： ξcfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985 χ≈12mm%26lt;ξcfbh=89.3mm 根据公式（3），解得： Acf=51.7mm2 3.3.3设计结论  两种计算结果相比较，其误差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程设计误差许可范围之内。 采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布两层（Acf=66.6mm2），可满足设计和使用要求。 3.4主梁加固设计 主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2 ，As’=1960mm2 极限弯矩: Mu=450Kn•m 3.4.1按实用公计算 首先估算混凝土受压区高度: χ≈29.5mm%26lt;2as’ 根据公式(2),解得: Acf=112.1mm2 3.4.2按规程公式计算 界限相对受压区高度: ξcfb=0.1985 χ≈29.5mm%26lt;ξcfbh=89.3mm 根据公式(3),解得: Acf=109.3mm2 3.4.3设计结论 两种计算结果相比较,其误差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程设计误差许可范围之内。 采取在梁底粘贴400mm宽碳纤维布3层（Acf=133.2mm2），可满足设计和使用要求。 3.5构造做法 为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴100mm宽U型箍3道,在主次梁相交处每侧粘贴100mm宽U型箍两道。 1－柱边3个U型箍，宽100mm，间距100mm；2－次梁每侧2个U型箍，宽100mm，间距100mm；3－碳纤维3层   4、加固施工 4.1施工准备 粘贴碳纤维加固工艺,施工质量至关重要,直接关系到加固效果的好坏。为确保工程质量，工程开工前对每个施工环节、环境因素、人员素质进行了细致周密的考虑，对施工现场进行了清理。 4.2施工步骤 ⑴清除加固梁底及U型箍处吊筋等障碍物。 ⑵用砂轮机将粘贴部位打磨平整，U型箍转角处打磨成R≥20mm的圆弧状，用吹风机清除浮尘并刷丙酮去脂。 ⑶涂刷基底树脂（JGN-E）使其渗透至混凝土内部，以提高混凝土与碳纤维之间的粘结力。 ⑷用整平材料补树脂（JGN-F）修复，填补不平整部位。 ⑸涂刷粘结树脂（JGN-D），随即开始粘贴碳纤维布，多层粘贴时重复步骤（5）。 ⑹粘贴完最后一层碳纤维布后再涂刷一道粘结树脂（JGN-D）。 4.3施工要点 因为通迅公司传输房属城市生命线工程中的重点部位，加之本工程加固工作量大，在施工中特别注意以下几点： ⑴混凝土与碳纤维布之间界面处理和好坏直接影响到混凝土梁的加固效果。因此梁底面及U型箍处必须反复打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷处用修补胶找平。 ⑵粘贴碳纤维布时必须两人密切配合，一人拉紧碳纤维布，一人用刮板从一侧边刮边贴，保证不留气泡，粘贴紧密。实践证明，刮板粘贴碳纤维布效果很好，碳纤维布空鼓率基本为零。 ⑶注意搭接区粘贴，做好标记，保证搭接长度≥150mm。 经现场锤测及邵氏硬度计测试，施工质量达到优良，取得了良好的加固效果。 5、结语 工程实践证明，CFRP加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等方面均达到了业主的要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广使用价值。