碳纤维布加固框架梁的原理与施工技术探讨

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1、碳纤维加固结构构件技术简介
    碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固修复混凝土结构技术是近年来兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树指类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体（CFRP），通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。
   2、碳纤维加固结构构件技术原理
    碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为二种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料；配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。
    3、加固工程概况
   某110kV变电所建于2000年，因电容器室爆炸燃烧，第二榀框架梁遭到破坏，保护层混凝土开裂、酥松、剥落，下弦钢筋变形较严重，钢筋受力截面削弱，危及结构安全，影响电力的安全生产。经基建部门、设计部门、加固公司等单位专家一起进行分析比较，选择粘贴碳纤维布进行加固，防止大梁的过度变形，延长梁的使用寿命。
    4、碳纤维布加固框架梁设计
    4．1碳纤维布加固的前提
    首先，利用回弹法对框架梁混凝土进行检测，以供加固参考。经检测，混凝土的实际强度为C30。根据设计图纸，及现场混凝土、钢筋的受损情况，考虑提高框架梁的抗拉强度等级，为此，将610mm宽的碳纤维布裁成两半，分两层粘贴在框架梁的底面及两侧，加固后，增加了原受拉钢筋面积，弥补了由于原钢筋变形而造成的截面削减，构件的承载力得到加强，而且，总体配筋率ρmin≤ρ≤ρmax ，可以满足使用要求。
    4．2碳纤维布的设计
    在受弯加固时，应使碳纤维片材的纤维方向与受拉区的拉应力方向一致。因梁底宽度为350mm，而碳纤维布的宽度为610mm，兼顾加固时碳纤维布的幅宽效应及框架梁下的受拉范围，考虑将碳纤维布裁为两半，一层为300mm宽，一层为310mm宽，分两层粘贴在梁的下侧；再粘贴100mm宽的碳纤维布“U”形箍；框架梁两侧面上边缘各粘贴四根100mm宽的碳纤维布条固定碳纤维布“U”形箍。

碳纤维布的主要力学指标

 

抗拉强（Mpa）

弹性模（Mpa）

延伸率（%）

技术规程指标

≥3000

≥2.1×105

≥1.4

    4．3配套树脂粘结材料的设计
    配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成，分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装，在现场使用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以形成所需要的底层树脂、找平树脂、粘结树脂。
    ①底层树脂  底层树脂作用是增强表面混凝土与找平材料或粘结树脂界面粘结强度；
    ②找平树脂  找平树脂是使表面平整度符合规定要求，并与底层树脂及粘浸树脂具有可靠的粘结强度；
    ③粘结树脂  粘结树脂是粘贴碳纤维布的主要粘结材料，其作用是使碳纤维布与混凝土得到充分的粘结，使其共同承受结构的作用。
    配套树脂粘结材料的主要力学性能指标：

   

正拉粘结强度（Mpa）

剪切强度
（Mpa）

拉伸强度
（Mpa）

弯曲强度
（Mpa）

底层树脂

找平树脂

技术规程指标

≥2.5，且大于混凝土抗拉强度的1.2倍

/

/

/

粘结树脂

技术规程指标

同底层树脂

≥10

≥30

≥40

    4、  施工准备
    （1）主要材料：底胶、粘着胶、碳纤维布。
    （2）辅助材料：低速搅拌器、专用滚筒、角向磨光机、剪刀、凿子、刮板、吹风机、榔头、量具等。
    （3）搭设脚手架：
    按安全规程要求搭设好脚手架，高度以满足施工要求和施工方便。
    5、施工程序
    表面处理→修补找平→定位、下料→胶料配制→粘贴碳纤维布→表面防护→检验、验收。
    6、  施工方法
    （1）表面处理：清理粘贴部位混凝土表层，打磨平整，并用MA砂浆修补，平整度应达到5mm/m；框架梁、柱节点转角粘贴处须打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm。表面打磨后用吹风机吹净，并用PT剂清洗干净。
    （2）修补找平：被加固的框架梁混凝土保护层部分疏松，应清除直至露出结构层；局部裂纹、蜂窝用MA砂浆修补表层修复平整。
    （3）胶料配制：按称量比例调制粘结胶，调制前对A、B两组按规定比例分别搅拌，混入后再充分搅拌。
    （4）粘贴碳纤维布：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，将配制好的粘结胶均匀涂抹在粘贴部份的混凝土面层上；铺贴碳纤维布，并用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次滚压，使粘结胶充分浸透纤维中。
    （5）表面防护：在粘贴好的碳纤维布最后一层均匀涂抹一道粘结胶。
    （6）检验：粘贴完工后，按规程进行检验。
    7、施工要求
    （1）表面处理：混凝土表面应露出结构，本体洁净。构件转角应成圆弧状，半径不小于20mm。
    （2）修补找平：经表面处理后的粘贴面平整度应达到5mm/m，有段差转角部位、凹凸部位应用MA砂浆找平，抹成平滑曲面。
    （3）胶料配制：胶料应严格按比例配制，调胶使用的工具应为低速搅拌器，搅拌应充分均匀，配制搅拌后的胶料应无沉淀、色差气泡，并应防止灰尘杂质混入胶料。
    （4）粘贴碳纤维布：应按设计要求裁剪碳纤维布，不得损伤横向织物面，涂抹粘结胶应均匀，铺贴应平整无气泡。
    （5）表面防护：在粘贴好的碳纤维布上应涂抹粘结胶一道，进行防护，涂抹应均匀充分，不应漏涂。
    （6）检验：粘贴完工经固化后，进行检验。密实度可用小锤敲击构件粘贴表面，通过不同声音判别密实情况。密实度应达到相关规定，否则应重新修补后再检验。
    8、质量检验及验收标准
    （1）纤维产品应按设计图纸要求选用，技术指标必须符合有关规定，所用纤维产品应有产品质保书。
    （2）粘结胶料应按设计要求选用，符合基本性能要求，所用胶料产品应有产品质保书。
    （3）施工质量检验及验收标准。

 

序号

检验项目

合格标准

检验方法

频数

1

粘贴位置

与设计要求位置比较，中心偏差≤10mm。

钢尺测量

全部

2

粘贴量

≥设计数量

实测计算

全部

3

粘贴质量

（1）       单个空鼓面积<100mm²割除修补。

（2）       空鼓面积站总粘贴面积<5％。

锤击法或其它方法

全部或抽样

 

    7、结论
    根据加固原理可知，在施工前必须选择合适的粘结剂，认真查看材料的质保书及使用说明，掌握材料的各有关参数，以确保它有足够的强度，能保证碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作；在施工过程中，参照使用说明，每道胶都必须处理好，特别是粘贴碳纤维布的胶，应尽可能让胶充分地渗入到碳纤维丝之间（细部空鼓处，可用针筒注射胶），确保相互共同工作。通过对某110kV变电所工程实例的施工操作，深深体会到碳纤维结构加固技术简介中介绍的各项优点，该工程施工时，在确保安全的前提下，仅使用了简单的脚手架，而且，碳纤维布裁剪非常方便，可以根据形状及尺寸随意裁剪，在各种支架的遮挡处可以随意穿过，施工非常方便；另外，从2005年4月28日加固后到现在，一切使用良好；该工程从开工到结束仅7天（包括搭、拆脚手），工程总费用仅为16772.00元。
    由此可见，碳纤维材料加固结构技术的优点很明显，应用前景很光明。
    8、探讨
    粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用，并已产生较大的经济效益；在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度和抗变形能力，减少裂缝的开展，那么在正常使用状态中，碳纤维布与钢筋混凝土一起各发挥了多少作用呢？它们的应力状态如何呢？在其它结构构中，碳纤维布能否也起到加强抗拉强度的作用呢？这些问题有待工程技术人员进一步研究、开发。