谈复合纤维材料在加固工程中的应用

陈莉

【摘 要】碳纤维，简称 CFRP，是近十年来在发达国家新兴的一种加固混凝土结构的新材料，以其优异的力学性能在工程领域日渐受宠，具有高强质轻，耐久耐腐蚀性好等特点。 我国于上个世纪 90 年代展开了对该项技术的研究，并于 2003 年颁布了行业标准，目前碳纤维已广泛应用到各种结构构件的加固工程中。本文对由于功能调整引起的构件加固进行了计算和介绍，进一步说明了这项技术应用的广泛性和有效性。通过实例对框架结构建筑功能调整中主、次梁构件进行了粘碳纤维加固结构计算，对碳纤维加固施工工艺和施工要点进行了介绍。

【关键词】框架结构；碳纤维；加固工程

前言：

纤维增强复合材料（简称：FRP）加固技术近年来发展十分迅速。FRP材料主要是指碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（CFRP）及芳纶纤维（AFRP）等树脂类复合材料，与传统的建筑加固材料相比，它们具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好、易于施工等突出优点。

近年来，国际国内对与碳纤维复合材料用于各种材料的加固进行了大量的试验与研究，尤其是在混凝土材料的结构的加固试验研究上的研究取得了可喜的成果，并且已经形成了部分纤维复合材料加固行业标准和规范、技术较为成熟的施工技术。

一、工程概况

某矿山企业主井大楼，框架结构60m高。现六层部分房间改为机房，受到冲击力荷载增加，为保证结构安全，需对机房处五层顶梁板进行加固施工。经过方案论证和经济技术可行性分析，决定采用碳纤维复合材料进行加固。

二、材料特性

本工程使用了日本进口的碳纤维布（ST300），其主要性能指标见表1。

表1碳纤维布主要性能指标

三、加固设计

1基本假定

（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

2设计方法

根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）的规定，在矩形

截面受弯构件的受拉边混凝土表面上粘贴碳纤维进行加固时，其正截面受弯承载力应按下列公式确定：

M≤α1fcobxh0-x2+f′y0A′s0（h-a′）-fy0As0（h-h0）（1）

α1fcobx=fy0As0+ΨfffAfe-f′y0-A′s0（2）

Af=Afe/km（3）

式中

fy0、f′y0———原截面受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值。

As0、A′s0———原截面受拉钢筋和受压钢筋的截面面积。

Afe———碳纤维的有效截面面积。

Ψf———考虑碳纤维实际抗拉应变达不到设计值而引用的强度利

用系数。

Af———实际应粘贴的碳纤维截面面积。

km———碳纤维厚度折减系数。

3次梁加固设计

次梁截面：b×h=250mm×600mm；原截面钢筋：As0=911mm2，A′s0=402mm2；功能调整前截面弯矩：M0=150kN·m，功能调整后截面弯矩：M=200kN·m；功能调整前截面最大剪力：Vmax0=190kN，功能调整后截面最大剪力：Vmax=260kN。

（1）正截面加固计算

混凝土受压区高度：x=52mm≥2α′，根据公式（2）、（3）解得：Af=46.2mm2。

采用在梁底粘贴250mm宽碳纤维布两层（Af=83.5mm2），可满足设计和使用要求。

（2）斜截面加固计算

验算截面尺寸：0.25βcfc0bh0=686kN>Vmax，截面满足要求。

原次梁斜截面承载力：Vu=0.7βhft0bh0+1.25fyv0Asv0sh0=330kN>Vmax，满足要求。

经验算截面满足抗剪承载力验算，故仅需对构件做构造处理增加

环形箍或“U”形箍。

4主梁加固设计

主梁截面：b×h=300mm×600mm，原截面钢筋As0=1520mm2，A′s0=760mm2。功能调整前截面弯矩M0=260kN·m，功能调整后截面弯矩M=350kN·m；功能调整前截面最大剪力Vmax0=360kN，功能调整后截面最大剪力Vmax=500kN。

（1）正截面加固计算

混凝土受压区高度：x=75mm≥2α′，根据公式（2）、（3）解得：Af=140.2mm2。

采用在梁底粘贴300mm宽碳纤维布四层（Af=150.3mm2），可满足设计和使用要求。经验算截面满足抗剪验算。

（2）斜截面加固计算

验算截面尺寸：0.25βcfc0bh0=823kN>Vmax，截面满足要求。

原次梁斜截面承载力：Vu=0.7βhft0bh0+1.25fyv0Asv0sh0=443kN>Vmax，满足要求。

经验算截面满足抗剪承载力验算，故仅需对构件做构造处理增加“环”形箍或“U”形箍。

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“U”形箍。

柱边3个U形箍；2.次梁每侧2个U形箍

四、粘贴碳纤维布施工工艺及要点

1施工工藝流程

混凝土表面处理→涂底胶→修补找平→粘贴碳纤维布。

2表面处理

（1）被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮渣、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。

（2）用压缩空气机吹去混凝土表面粉尘并清理干净，保持混凝土表面干燥。

3粘贴碳纤维

粘贴碳纤维布应符合下列要求：

（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。

（2）按照工艺规定配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位。

（3）用专用的滚筒沿着碳纤维方向多次滚压，挤出气泡，使浸渍树

脂充分浸透碳纤维布。滚压时不得损伤碳纤维布。

（4）最后在碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。

（5）待碳纤维完全干燥后，外面抹防护水泥砂浆并与原抹灰层找平。

五、实施效果

1加固后的碳纤维与原混凝土之间能共同工作，使加固体系与原构件形成一个良好的整体，提高了结构整体承载力。

2碳纤维片材加固混凝土结构的施工周期很短，效率高，材料由人工在现场加工；没有大中型设备的损耗；检测方便、快捷，在较小的空间即可进行施工，基本不影响结构的正常使用。施工便捷，对各种结构构件的外形大都可以使用该方法加固。由于材料自重较轻，加固后基本不增加结构自重，不改变结构外观尺寸和形状，与其他加固方法相比，节省了大量的机械台班费、人工费和检测费。

3运用该技术施工时对环境的干扰影响很小，符合现代工程建设对施工技术的要求，有利于环境保护，从长远看，该技术将在结构加固领域占据主导地位。

六、结束语

工程实践证明，CFRP加固技术对于建筑功能调整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。

参考文献：

[1]赵志高.有限元法在基础不均匀沉降引起的结构受损分析中的应用[J].南通职业大学学报，2010，（04）：114-116.

[2]王宗年，李志刚.某教学楼裂缝原因分析和安全性检测鉴定[J].兰州工业高等专科学校学报，2010，（04）：27-30.

[3]马卫华，康洪震.FRP加固在役混凝土柱轴压试验方法[J].实验技术与管理，2011，（02）：34-36，41.