CFRP加固技术在工程中的应用

２００７年８月　第２４卷第８期　湖北教育学院学报　Ｊｏｎｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｌｕｂｅｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ａｕｇ．２００７　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．８　

ＣＦＲＰ加固技术在工程中的应用　

胡显燕　

（湖北第二师范学院建筑与材料工程系，武汉４３０ｚ０５）　

摘要：碳纤维加固法具有高强度、抗腐蚀、轻质高效特点，由于碳纤维加固后的混凝土板是碳纤维构成的复合受力新　体系，其各部分的受力分析、整体承载力、刚度的计算、结构的破坏模式及纤维的增强机理等又形成了混凝土板纤维　加固技术中理论难点。本文对某厂大尺度混凝土楼盖开裂情况进行检测，介绍了开裂楼盖的碳纤维补强加固技术，　分析了其可靠性和适用性。　关键词：裂缝；ＣＦＲＰ；加固；楼板　中图分类号：ＴＵ２７９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—１６８７（２００７）０８—００７７—０２　

１实例介绍　某电子工业厂房，用于电子产品生产与制造，主厂房平面　尺寸约为１３５ｍ×７７．８ｍ，１～１２轴部分单元采用人工挖孔桩独　立柱柱基（Ｃ２０），１３～１８轴部分单元采用天然地基基础；桩身　直径为１２００～１７００ｒａｍ，桩净长为６～１９ｍ左右，桩身进入强风　化基岩不小于３５００ｒａｍ，单桩容许承载力为２５００～６２９０ｋＮ。厂　房结构为全框架结构，共四层，底层层高５．５ｍ，其余各层层高　４ｍ；柱网大部分为９ｍ×９ｍ，基本均匀，框架柱截面基本相同，　尺寸为７００ｍｍ×６５０ｍｍ，连梁为３５０ｒａｍ×１０５０ｍｍ，现浇板厚　１００ｍｍ。负弯矩钢筋间距＠１３０ｍｍ，上下层钢筋间距４７ｒａｍ。　在后来使用过程中，发现四楼ＰＣＢ、ＳＭＴ、ＡＩＳ车间的楼板　及天花板、梁体出现宽度不等，长短不一，走向各异的裂缝，裂　缝分布图如图１所示。依据业主今、明年的生产发展规划要　求及新增设备荷载状况，需对建筑结构进行试验检测，对建筑　物进行加固补强处理提供可靠依据。　

图１四层楼板（局部）裂缝分布　２加固措施　继传统的粘钢板、外包混凝土等方法之后，纤维增强塑料　ＣＦＲＰ在加固工程中的应用已成为土木工程界研究的热点问　题。混凝土的碳纤维加固技术采用抗拉强度比钢材高出十几　倍，弹性模量相当于钢材的ｌ～２倍的碳纤维材料，用环氧树　脂将其粘贴于混凝土结构的表面、提高其刚度。与传统方法　相比，碳纤维加固法具有高强度、抗腐蚀、轻质高效的特点。　同时，由于碳纤维加固后的混凝土板是碳纤维构成的复合受　力新体系，其各部分的受力分析、整体承载力、刚度的计算、结　构的破坏模式及纤维的增强机理等又形成了混凝土板纤维加　固技术中理论难点。另外，碳纤维加固法还能对结构的不同　部位和不同环境下的结构进行施工，工期极短，结构外观和尺　寸不会出现明显的变化，施工对结构的使用几乎没有影响。　２．１　ＣＦＲＰ加固技术。ＣＦＲＰ加固后结构的破坏类型有四种：　受压区混凝土压坏；ＣＦＲＰ拉断破坏；粘结破坏（混凝土被拉　下），这类破坏是由于胶作用于混凝土表面的剪应力和正应力　的组合作用下引起水平裂缝的产生和扩展，导致混凝土被拉　下而引起的，有时甚至结构的整个混凝土保护层被拉下；混凝　土和胶界面发生剥离破坏（撕下的碳纤维上粘的混凝土很　少），这一般是由于胶的性能不理想或施土质量不过关而导致　破坏发生在混凝土一胶界面上。后两种破坏有明显的脆性，　应采取有效措施加以避免。为避免发生后两种破坏，应采用　性能可靠的胶粘贴ＣＦＲＰ，所加固的砼的强度不应小于Ｃ１５，　在实际工程中使锚固长度尽可能的大，尽量采用ｕ形粘贴，再　加上可靠的锚固措施。同时要严格控制施工质量，粘贴ＣＦＲＰ　的层数不宜过多，以降低剥离应力。　２．２　ＣＦＲＰ加固计算方法。用ＣＦＲＰ加固后的梁的极限承载　能力计算与普通混凝土梁有所不同，采用以下方法进行计算：　（１）基本假设：ａ．受拉混凝土的作用忽略不计；ｂ．梁受弯后，混　凝土、钢筋及碳纤维的应变符合平截面假定．ｃ＿混凝土、钢筋　的应力——应变关系按规范选取；ｄ．碳纤维材料采用线弹性　应力应变关系。（２）承载力公式：由极限状态水平力平衡条件　有：　

收稿日期：２ｏｏ７—０５—０３　作者简介：胡显燕（１９７７一），女，四１１ｌ达州人，助教。硕士，　研究方向为结构工程。　・７７・

　维普资讯 http://www.cqvip.com ｝　：ｌ　Ａ　ｌＡｆ　由极限状态弯矩平衡条件得　朋　＝叩ｌｒｈｆｆＡ／（ＪＩｌ—　）／　，（ｈｏ—ｘ／２）　（２）　式中１１　为碳纤维材料强度折减系数，取０．５—０．８，１１：为考虑　二次受力后碳纤维材料与原有钢筋得共同工作系数，取０．８一　１．０，在此两者合取０．６，即１１＝１１１１１２：０．６。　两者联立有：　ｇ：＝：　Ａ，（ｈ—ｘ／２）＋／　（ｈ０一ｘ／２）一肘　（３）　考虑混凝土的保护层厚度与截面高度相比为很小值，可　忽略ｈ与ｌｌ０的差别，近似取ｈ为ｌｌｏ，令＾ｒ＝１一ｘ／２ｈ。因此，抗　弯承载能力极限状态方程为：　ｇ＝ｎｆ，Ａｆ＾ｒ。ｌ１ｏ＋　Ａ。＾ｒ。ｈｏ—Ｍ　（４）　３某厂工程加固实例　３．１某厂检测概况。（１）从现场测试结果可知，四层混凝土　梁、板构件均出现有不同程度的裂缝，其中四层楼板在主、次　梁边、板角部及变形缝边角处及天面层东、西两侧跨段的主、　次梁开裂较为普遍严重。构件结构混凝土强度达到设计要　求，局部混凝土存有少量不密实、均匀ｉ性较差的疏松区域。　（２）根据厂方提供的生产车间规划要求，若考虑进一步增加生　产设备、材料和人员的布置安排，即新增荷载以后，当总的活　荷载不超过５ｋＮ／ｍ　时，可以只对局部梁板构件区域进行加固　补强处理；当总的活荷载不超过１０ｋＮ／ｍ　时，则需结构验算后　对板进行加固补强处理。　３．２加固计算。加固材料ＣＦＲＰ设计强度为ｆｆ＝３５５０Ｍｐａ，Ａｓ　＝４４．４ｍｍ２，原钢筋设计强度取‘：２１０Ｍｐａ，Ｃ２５混凝土ｆｃ＝　ｌ１Ｍｐａ。板承受的弯矩为６．５ＫＮ・ｉｎ，加固后承受的弯矩为７．　４ＫＮ・Ｉｌｌ，板底钢筋为嘶＠２００，Ａ。＝４７１ｍｍ２。　算得：　Ａｓｆｙ＋Ａｃｆｆｃｆ　４７１×２１０＋３５５０×４４．４…　—　——１　丽　一　ｊ・　～　Ｍ　＝－ｑＩ－ｑ２‘Ａｆ（ｈ—ｘ／２）＋‘Ａ。（｝１０一ｘ／２）　＝０．６×３５５０×４４．４×（１００—２３．３／２）＋２１０×４７１×　（８５—２３．３／２）　＝１５．６ＫＮ・Ｉｌｌ　加固后能满足受力要求。　３．３加固材料选用。粘贴碳纤维布法使用的材料是碳纤维布　和碳纤维配套粘结树脂（含底层树脂、找平材料和浸渍树脂），　性能指标要求列于表１。　表１碳纤维布的主要力学性能指标要求　性能　碳纤维布　试验方法　抗拉强度标准值　￣＞３０００Ｍｐａ　弹性模量　≥２．１×１０５Ｍｐａ　ＧＢ／Ｔ　３３５４　伸长率　≥１．５％　

・７８・　３．４　ＣＦＲＰ加固施工工艺。（１）基底打磨处理。首先应清除　加固构件表面的剥落、酥松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混　凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整，然后按设计要求　对裂缝进行灌缝或封闭处理，表面打磨平整，除去表面浮浆、　油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新鲜面，转角粘贴处要　进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径应不小于２０ｍｍ，同　时注意将混凝土表面清理干净并保持干燥。质量检验时要求　打磨至新鲜混凝土表面，不留劣化混凝土，且在下一工序进行　前必须保证表面干燥、干净。（２）涂刷底层树脂。按产品供　货商提供的工艺规定配置底层树脂，用专用滚刷将底层树脂　均匀涂抹于混凝土表面，质量检验时满足均匀性要求即可，在　底层树脂表面指触干燥后尽快进行下一步工序施工，树脂的　指触干燥是指树脂达到凝胶的感觉，但不会粘附树脂的状态。　（３）找平处理。按产品供货商提供的工艺规定配置找平材　料，对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，修复、填补　混凝土基表面上不平整及缺陷部位，质量检查时要求处理后　表面没有棱角或较大的凹凸不平，转角位置处应用找平材料　修补为光滑的圆弧，圆弧的半径不小于２０ｍｍ。在找平材料表　面指触干燥后尽快进行下一步工序。（４）涂刷浸渍树脂，粘　贴碳纤维布。按设计要求裁减碳纤维布，浸渍树脂，均匀涂刷　于所要粘贴的部位，将碳纤维布均匀铺贴于设计部位。用专　用滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透　碳纤维布。滚压碳纤维布时可以向一个方向，也可以从中间　向两个方向滚动，但不允许来回反复滚动，以免损伤碳纤维　布，影响粘结质量。多层粘贴重复上述步骤，宜在纤维表面浸　渍树脂指触干燥后尽快进行下一步的粘贴。在最后一层碳纤　维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。（５）表面防护。粘贴完最后　一层碳纤维布后，再涂刷一道防护树脂，然后按设计要求做表　面防护。碳纤维片材为导电材料，施工时应远离电器设备及　电源或采取可靠保护措施；各种粘贴剂应在规定的环境温度　中密封存储，远离火源，避免１３光直射；粘贴剂应在室内配置，　配置环境及施工现场应保持良好通风。　由于碳纤维加固后的混凝土板是碳纤维构成的复合受力　新体系，其各部分的受力分析、整体承载力、刚度的计算、结构　的破坏模式及纤维的增强机理等又形成了混凝土板纤维加固　技术中理论难点。碳纤维加固法具有高强度、抗腐蚀、轻质高　效的特点。对某工程受损楼面采用碳纤维加固技术进行补强　加固处理，并验算其强度。

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