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碳纖維布加固補強混凝土結構技術
近年來,人們對結構的安全性,使用性和耐久性要求不斷增強,對現(xiàn)有結構的維護和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結構的使用壽命如物理老化,化學腐蝕,社會需求的變化,設計標準的提高等,這些出現(xiàn)問題的建筑物,當實際情況不允許推倒重建時,則只能采取適當?shù)募夹g措施對其進行加固補強處理。

隨著材料科學的發(fā)展,纖維材料于土木工程中的應用成為國內外研究的熱點,纖維材料中的碳纖維用于加固補強混凝土結構有著其自身的技術優(yōu)勢：高效高強（可以充分的利用其高強度,高模量的特點來提高結構及構件的承載力和延性,改善受力性能,達到高效加固的目的）,耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學性質穩(wěn)定,不與酸堿鹽等化學物質反應）,不增加構件的自重和體積（碳纖維質輕而?。?使用面廣（碳纖維是一種柔性材料,且可以任意裁剪）,便于施工（無需大型的施工機械,占用場地少,無濕作業(yè)）。碳纖維布已廣泛應用于鋼筋混凝土結構的梁板柱的加固補強,并由國家工業(yè)建筑診斷與改造工程研究中心主編,在總結近年來國內各高校和科研單位的研究成果以及各設計,施工單位采用碳纖維布進行結構加固的實踐經(jīng)驗,參考國外大量相關資料,并進行大量的試算和調研的基礎上,制定了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》,其編號為CECS146：2003。以下將針對各種情況來進行說明其簡便的計算方法。

碳纖維補強加固鋼筋混凝土受彎構件的正截面承載力：

正截面承載力全過程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用*彈塑性的應力-應變關系；受壓區(qū)混凝土采用E.建議的非線形應力-應變關系；混凝土受壓區(qū)沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元）,并設每條帶的應力均勻分布。根據(jù)理論分析結合實驗數(shù)據(jù)提出了如下的簡化計算方法：偏于安全的假設碳纖維的拉應變等于鋼筋的拉應變,并

將碳纖維的面積轉化為等效鋼筋面積：

式中 , , 和 分別表示碳纖維的面積,抗拉強度,等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。

碳纖維的面積取其凈面積即：

其中 為碳纖維的計算厚度, 為碳纖維布的幅寬, 為層數(shù)。

得到等效鋼筋面積之后,可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構件的正截面設計公式進行計算。

對受壓區(qū)混凝土合力作用點取矩

其中 可有水平力平衡得到：

上式中 為混凝土棱柱體抗壓強度； 為鋼筋混凝土構件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。

對于碳纖維布補強加固的鋼筋混凝土適筋梁,其適用條件為：受壓區(qū)高度 不宜大于 ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過40%；加固后在荷載效應標準組合下受拉鋼筋的拉應力不宜超過鋼筋的抗拉強度標準值。

操作要點：

（1）一般要求:

    1）、粘貼碳纖維片材加固修復混凝土結構應由熟悉該技術施工工藝的專業(yè)施工隊伍完成，并應有加固修復方案和施工技術措施。

    2）、碳纖維加固施工必須遵循下列工序進行：

    3）、施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進行，并應符合配套膠粘劑的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫環(huán)境的配套膠粘劑或采用升溫處理措施。

    4）、施工時應考慮環(huán)境濕度對膠粘劑固化的不利影響。

    5）、在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。

    6）、膠粘劑配制時應按產(chǎn)品使用說明中規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內及攪拌器上不得有油污及雜質。應根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境溫度決定膠粘劑的每次拌合量，并按使用要求嚴格控制使用時間。

（2）施工準備:

    1）、應認真閱讀施工圖。

    2）、應根據(jù)施工現(xiàn)場和被加固構件混凝土的實際狀況，擬定施工方案和施工計劃。

3）、應對所使用的碳纖維片材、配套膠粘劑、機具等作好施工前的準備工作。

（3）混凝土表面處理：

1）將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈。

2)對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，進行修補、復原。

二、碳纖維加固結構的作用

1.提高結構抗剪切能力。碳纖維包覆柱或墩時，由于碳纖維的橫向約束作用使柱或墩的受力狀態(tài)發(fā)生變化，進一步提高了抗剪切能力。特別時發(fā)生地震時，能有效地防止柱或墩出現(xiàn)脆裂性破壞。

2.加強結構抗彎曲能力。一般把碳纖維布粘在梁或板的底部后，當梁或板出現(xiàn)彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內部的聯(lián)合承受力，共同發(fā)揮作用，可有效地增強梁或板的抗彎曲能力。

3.增長結構使用壽命。由于碳纖維布包覆混凝土結構提升了結構的延伸性和承受力，同時又對建筑結構有防護作用，因此可以增長結構的使用壽命。

4.延遲裂縫出現(xiàn)，抑制裂縫擴散。當碳纖維布包覆混凝土結構后，大大提高了混凝土抗裂能力，延遲了裂縫的出現(xiàn)。當結構產(chǎn)生裂縫時，碳纖維布可有效地抑制裂縫繼續(xù)擴散。

碳纖維維加固結構的原理

二、碳纖維復合材料具有高強度、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。加固改善混凝土結構所用碳纖維復合材料主要分為兩種：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（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；配套樹脂則包括底層樹脂、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、抗剪承載力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

三、碳纖維加固在建筑結構加固中的應用

1.  碳纖維材料結構加固適用范圍

2.  碳纖維材料可應用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結構部位；另外，磚砌體的某些力學性能也可以通過碳纖維材料進行加固。具體說來適用范圍如下：利用碳纖維材料加固公路橋敦結構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、梁柱構件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓房增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板裂縫加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋改修加固和水塔加固等等。

施工溫度控制：環(huán)氧樹脂在低溫條件下固化比較緩慢，一般直選擇15℃—28℃的溫度條件下進行施工。如果遇到在氣溫較低時施工，必須采取加溫養(yǎng)護措施。3應保持成型所需要的壓力，混凝土梁板加固時，大多數(shù)都是在梁的底面進行，由下而上進行粘貼。如果成型時施加的壓力不足，就會造成與混凝土之間粘合不夠緊密，導致補強層材料發(fā)生脫落，會影響加固的效果。4粘貼控制：涂膠要求涂抹均勻，為避免形成空洞或脫膠，要用力將產(chǎn)生的氣泡擠出刮平，否則將會影響到混凝土結構的加固效果，導致某些部位粘結不好，造成在混凝土結構使用過程中這些部位出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，引起混凝土結構的破壞。工藝流程：定位放線——結構表面處理——涂刷底層樹脂——結構面找平處理——浸漬樹脂的配制與涂刷——碳纖維片材粘貼——表面防護——養(yǎng)護、檢驗。三、施工要點：一定位放線：首先認真閱讀設計施工圖，結合現(xiàn)場，明確要加固的結構范圍及部位。然后彈出要加固部位的纖維位置線，為便于混凝土基層處理，每邊位置線應適當放大2～3㎝。二混凝土表面處理1、對被加固構件表面的浮渣、裝飾層及剝落、疏松、腐蝕等劣化混凝土予以清除；對于不平的地方，首先由人工剔鑿處理，然后用修復材料對其凹凸不平處進行修復；嚴重不平的地方，應分多次修補。2、按設計要求，對存在的裂縫進行灌縫或封縫處理。3、用電動工具將被粘貼混凝土表面打磨平整，去除表面浮漿、油污等雜質，打磨1～2㎜，直至*露出新的混凝土面。4、對轉角粘貼處進行倒角處理，并成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20㎜。5、將打磨過的構件表面，用無油壓縮空氣吹除粉塵，并保持表面清凈。6、對于濕度較大的混凝土構件，應*行人工干燥處理，然后再進行打磨處理。三涂刷底層樹脂1、采用人工或機械攪拌方法，將樹脂各組份分別攪拌均勻，使各組份無沉淀現(xiàn)象。2、按照一定的比例，將兩種樹脂混合在一起并加以攪拌。為防止氣泡的產(chǎn)生，攪拌時請以同一方向攪拌，大約攪拌十幾分鐘后，使各組份能夠混合均勻即可。3、用滾筒將底層樹脂均勻抹于清潔的混凝土表面，不要漏刷，也不能太多。4、當用量太大時，應分批量攪拌，以免一次攪拌太多而不均勻，造成浪費。四找平處理1、在底層樹脂表面指觸干燥時，就可以對基層進行找平處理。2、按同樣的步驟，進行找平材料的配制。3、混凝土表面凹陷處用找平材料*平整，且不應有棱角。4、轉角處應用找平材料修復為光滑的圓弧，半徑不小于20㎜。5、待找平材料表面指觸干燥時即可進行下一步工序施工。五、浸漬樹脂的配制與碳纖維的粘貼 1、按以上步驟將浸漬樹脂配制好。2、根據(jù)設計要求，按設計尺寸裁剪好碳纖維布。3、將浸漬樹脂液均勻地涂抹于所要粘貼的部位。4、用滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，并使浸漬充分浸透碳纖維布。5、重上述步驟可以粘貼多層碳纖維布。6、在后一層碳纖維布表面均勻涂抹于一層浸漬樹脂。2.碳纖維片材可選用以下方式對建筑結構進行加固

在梁、板構件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向*；選用封閉式粘貼、U形粘貼或側面粘貼對梁、柱結構進行受剪加固，纖維方向應與結構軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當有可靠依據(jù)時，碳纖維片材也可選用其它形式或其它受力狀況的混凝土結構進行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應依據(jù)國家現(xiàn)行有關標準采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計法進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，依據(jù)檢測獲得的實際強度，依據(jù)國家現(xiàn)行有關標準確定其相應的材料強度設計指標；碳纖維片材應依據(jù)構件達到極限狀態(tài)時的應變，按線彈性應力應變關系確定其相應的應力；碳纖維片材應選擇廠家提供的不低于95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當使用粘貼碳纖維片材對結構或構件進行加固時，應考慮加固后對結構中其它構件或構件的其它性能可能帶來的影響。如果不能在*卸載條件下進行加固，應考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時，被加固混凝土結構和構件的實際混凝土強度等級不應小于Cl5.使用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應小于C10.

三、結語、碳纖維復合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結構的影響較小，施工方便，具有其他加固方式*的*性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內外研究的不斷深入，該項技術在混凝土結構加固領域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景，也許在未來人類社會在材料應用上會從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應用的時代。本信息*有效。

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