碳纤维加固技术在改造工程中的应用

摘要：碳纤维增强材料（CFRP）具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。文章通过某商场的加固改造工程实例，介绍了碳纤维加固技术的应用，展示了本项技术良好的使用效果和应用前景。

关键词：碳纤维加固技术；碳纤维增强材料；加固改造工程

中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0033-02

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，利用树脂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。该技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，与传统的加固方法相比其具有高强、高效、施工便捷、适用性广等优越性。

碳纤维加固技术兴起于20世纪80年代，在日本、韩国、美国和欧洲等国家及地区得到迅速发展和应用，自90年代中期进入我国之后迅速发展起来，国内外很多科研单位和高校就碳纤维（CFRP）加固混凝土构件这项新技术进行了大量的研究。随着试验研究的深入，该加固技术的适用范围不断扩大，应用技术不断改进。本文将结合某商场的加固改造，阐述碳纤维片材加固技术与原则，展现本项技术良好的使用效果和应用前景。

一、工程改造设计与分析

（一）工程概况

中泰广场位于广州天河火车站西侧，基地成南北狭长的梯形，总占地面积14369平方米，由三层地下室、七层裙楼、两幢四十二层对称弧形塔楼及一幢二十三层附楼组成，是集办公、酒店、商业、娱乐等多种功能于一体，规模宏大、设施齐全的综合建筑群。广场一至七层为商业裙楼，业主为了更合理地组织裙楼内大型购物城的交通路线，要求改变一至五层自动扶梯的位置及走向，经验算需对原结构梁进行加固。现将首层结构具体改变表示如图1、图2：

（二）结构加固分析

原设计中首层扶梯支承于DKLX14-1上，改变自动扶梯的走向后，梁DLX26将承受自动扶梯工作时产生的荷载，经验算梁DLX26需要进行加固补强。分析梁DLX26的传力路径，如图3所示：

考虑到中泰广场裙楼层超过4层，柱截面设计时由轴压比确定，截面偏大，有一定的强度储备，经验算无须加固，因此首层仅对DLX26、DLY42、DKLX14-1、KLX13-2、DKLY11进行加固。由于第2至4层的自动扶梯支承梁上的荷载与原设计相比变动不大，因此不考虑加固。第5层自动扶梯的支承梁由原来的LX4改为YKLX5-1， 与首层同理需进行加固。另外原结构自动扶梯预留有洞口，在加固前首先要对原结构进行补洞处理。加固材料选用C20混凝土，Ι级钢筋，采用植筋法将Φ10@200的Ι钢筋植入原结构中，并与原结构现浇成整体。

二、加固方案选定及注意事项

（一）加固方案选择

工程上常用的钢筋混凝土结构加固补强的方法主要有增大截面法（即在原结构上再浇筑一定厚度的钢筋混凝土）、体外预应力加固法（即增设支点和托架改变受力体系）、隔震消能加固法（即在原结构的基础上外加或内加隔震层和附加隔震部件及震动控制装置）以及片材加固法（包括外包和粘贴加固）等。现列表1比较以上各方法的优缺点：

注：对于片材加固因碳纤维用量最大，本文只列出碳纤维加固，其他内容可以查阅相关资料。

与其他加固方法相比，采用碳纤维布加固具有抗拉强度高（是普通钢材的10倍）、重量轻、耐蚀性和耐久性强、施工简便、施工工期短等优点，加固完成后，厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。考虑碳纤维加固具有以上优点，并结合本工程的特点，决定采用碳纤维布进行改造后的加固补强。

（二）加固注意事项

CFRP加固混凝土结构的整体复合效果主要依赖于CFRP和混凝土之间良好的黏结。因此任何引起黏结区破坏的因素将导致结构发生脆性破坏而影响加固的预期效果。即使界面黏结没有破坏，但由于黏结界面裂缝的产生和扩展，对加固强度、刚度和变形能力也会产生直接的影响。加固时应注意做到以下几点：

1．首先应将损坏部位复原，消除构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出原结构层；损坏的表面以树脂砂浆或不收缩水泥填补磨平；裂缝进行灌缝或封闭处理。施工物表面应处理整修，将表面多余的附属物去除。

2．涂底胶要直横均匀涂抹，如底胶被水泥吸收需再涂一遍，直到表面全部充满为止。

3．用碳纤维片材对梁、板、柱构件进行正截面受弯加固时，纤维方向应与加固的受力方向一致，进行受剪加固时，纤维方向宜与构件轴向垂直，并应有可靠的锚固措施。

三、加固设计

本文根据现行的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（以下简称规程）进行设计，加固材料选用宽度为300mm的碳纤维布，产品型号为Hex-230c，黏结剂选用JGN-C型黏浸胶及JGN-P底胶。现仅以首层梁DLX26为例介绍相关的计算。

（一）内力计算

本工程选用自动扶梯是200EX-EN型，梯口支承梁荷载R下=88.3×1.5=132.45kN/m，1.5为动力系数。计算得出梁DLX26的Mmax=262.5kN·m，Vmax=351kN。

（二）正截面加固计算

由原设计图可知，梁DLX26混凝土强度等级为C40，纵向钢筋采用Ⅱ钢，箍筋采用级Ⅰ钢，截面为350×700。梁上部配4Φ28通常筋，下部配4Φ32，纵筋保护层厚度为30mm；加密区配2Φ8@100。碳纤维布的设计参数为tcf=0.13mm，Acf=33.3mm²，Ecf=234500N/mm²，εcfu=0.0015。正截面采用300mm宽Hex-230c单层碳纤维布加固，由《规程》计算得M＝287kN·m＞Mmax=262.5kN·m可知梁DLX26满足正截面承载力要求。

（三）斜截面加固计算

在本次改造加固中，受剪加固采用U型粘结加固，即沿梁身全长设置U形箍，宽度为300mm，净距为200mm。由《规程》计算得碳纤维片材加固后可承担的剪力Vb，cf＝373.9kN＞Vmax=351kN，梁DLX26斜截面承载力满足要求。

（四）构造做法

为了加强梁顶碳纤维布的锚固，可在梁端设角钢或钢板加强锚固，如图4、图5所示：

U型粘贴的粘贴高度宜取构件截面高度。对于U型粘贴形式，宜在上端粘贴纵向碳纤维片材压条，本工程于梁上端粘结纵向压条150mm宽以加强锚固。加固完后喷射20mm厚C30细石混凝土保护层。

考虑到碳纤维布多层粘贴时受施工现场影响的因素较大，建议受弯构件粘贴碳纤维布的层数不应超过3层。

四、结语

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。现该商场已投入运营多年，运行良好。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，具有广阔的应用前景，值得大力推广。

参考文献

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作者简介：陶建强（1977－），男，广东中轻工程设计院一级注册结构工程师，一级注册建造师，研究方向：防灾减灾工程及防护工程。