某工程碳纤维片材加固设计应用实例

■张碧玉 ■广西壮族自治区建筑科学研究设计院，广西 南宁 530011

1 碳纤维加固技术的概述

1.1 碳纤维加固技术的原理及适用范围

碳纤维加固技术是利用树脂类粘结材料，将碳纤维布、碳纤维板等粘结在结构构件受力位置，从而对结构构件进行加固、补强。由于碳纤维加固技术是采用无机高分子纤维，该材料的强度比普通的板材高，具有良好的强效性，此外其耐化学腐蚀性强，同时具有良好的耐水能力，材料的耐候性使得其可在复杂的建筑环境中广泛的适用。

1.2 碳纤维加固技术的优点

在实际施工过程中，碳纤维加固技术操作简单，不需要大型的施工机械设备，也不需要占用很大的施工场地，能极大的提高施工效率;碳纤维材料的柔性比较好，在粘结构件过程中，即使表面不够平整，也能确保粘结质量，可以有效地缩短施工周期。

2 某工程碳纤维片材加固设计实例

2.1 工程概况

某改造项目工程抗震设防烈度为:6 度;框架抗震等级为四级，建筑层数为地上三层;地下一层;建筑高度14.07m，原建筑设计功能为普通联排别墅，主体完工后在正式投入使用前，业主根据市场需求，改变其使用功能将其改为度假酒店。这一更改需要将原联排别墅分户墙打通，增设建筑隔墙，楼电梯间等。建筑物空间使用功能、平面布置和荷载发生了较大的变化。根据新的建筑平面布置应用PKPM 软件在原有结构模型上加载新荷载，对原结构设计重新计算，计算结果表明，建筑使用功能发生改变后，原结构构件柱基本满足要求，原设计的各层均出现在新增荷载作用下，部分梁端支座及梁底跨中抗弯承载力不足，部分梁抗剪承载力不足，局部板块原配筋不满足现计算要求。为确保建筑满足新的使用要求，须对承载力不足的梁板构件进行加固处理。

2.2 加固方案分析及确定

对承载力不足的梁板采用进行计算分析，结果表明，若使用碳纤维加固法，大部分梁加固后正截面承载力提高幅度均不超过40%，斜截面承载力和板受弯加固后均可满足承载力要求。因业主要求加固施工处理时间尽量短，使建筑尽快投入使用，以收到最大经济效益;因此此项目采用以碳纤维片材加固梁板为主、部分正截面承载力提高幅度超过40%的梁采用增大截面法为辅的加固方案。

2.3 加固设计简介

根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2007 第4.3.2 条:矩形截面受弯构件的受拉面，采用粘贴碳纤维片材受弯加固时，正截面受弯承载力的计算公式;第4.3.3 条，翼缘位于受压区的T形受弯构件，在其受拉面粘贴碳纤维片材，进行受弯加固设计时，按前一条的原则以及现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010 -2010关于T 形构件受弯承载力的计算方法来进行计算和验算;第4.3.4 条:当考虑二次受力影响时，加固之前在初始弯矩Mi作用下，截面受拉边缘的混凝土的初始应变εi计算公式;以及第4.4.1 条:钢筋混凝土梁在受剪加固时，斜截面受剪承载力计算公式;为此项工程，对照永固加固计算程序，编制了碳纤维片材梁正截面抗弯及斜截面抗剪加固计算excel 表格，用于验算片材加固后梁正截面受弯承载力及斜截面受剪承载力是否满足要求。在正截面受弯承载力加固计算中，对受压区高度x 不宜大于0.8ξbh0(ξb为界限相对受压区高度)、加固后构件的受弯承载力的提高幅度不超过40%，以及加固后，在荷载效应标准组合下，受拉钢筋的拉应力不超过钢筋抗拉强度标准值进行了判断，当不满足以上要求时，改用增大截面法对梁进行加固。

计算结果表明，大多数梁板承载力不足处，粘贴单层高强度II 级碳纤维布即可满足承载力要求。高强度II 级碳纤维布弹性模量不小于210GPa，抗拉强度标准值不小于3000MPa，抗拉强度设计值不小于2000MPa，伸缩率不小于1.5%，厚度为0.167mm。

在构造措施上，对梁，在碳纤维片材长度范围内采用碳纤维片材U型箍锚固。在长度范围内要求均匀布置U 型箍，并且要求在端部处必须设置一道U 型箍。同时要求U 型箍粘贴高度延伸到楼板底面，且每一道U 型箍的宽度都大于或等于受弯加固碳纤维布厚度的1/2。对板，采取在碳纤维片材长度范围内设置垂直受力碳纤维方向压条的措施。要求在锚固长度范围内均需均匀布置压条，并且要求在端部必须设置一道压条。同时要求每一道压条的宽度大于或等于受弯加固碳纤维布条带宽度1/2，且压条的厚度大于或等于受弯加固碳纤维布厚度1/2。

2.4 加固施工要求

在粘贴碳纤维片材加固技术主要施工工艺上，要求如下:(1)构件表面的粉刷层或者垫层到混凝土基层间须凿除;并应按要求对混凝土缺损部位进行相应的修复及处理。其次必须对混凝土表面油污和浮浆进行清除以后再打磨至坚实基层;要求对不平整的部位应该进行打磨或者修复处理。转角粘贴处应该按要求打磨成圆弧状的倒角，圆弧的半径不应小于20mm。表面的粉尘必须清除并且清洗干净，基面保持干燥。(2)必须按选用产品的要求来进行底涂;并采用找平材料修补平整基面的凹陷部位，要求做到表面没有棱角。(3)碳纤维下料以及粘结期间要保持碳纤维材料的干净和整洁，严防褶皱、受损。严格地按产品说明来进行拌胶的配比和操作，使之搅拌充分和均匀。(4)粘结时要保证碳纤维胶密实没有气泡，厚度适合并且均匀;碳纤维布胶应该充分浸透碳纤维。应该分层进行碳纤维布的多层粘结;最后一层碳纤维布得表面应该均匀得面涂一层。(5)碳纤维布的搭接同时要满足构造要求。(6)固化期间应严禁干扰碳纤维胶。(7)表面的防护处理应按要求进行。如果要进行粉刷防护，必须在面涂层进行拍砂处理，拍砂的施工不能影响已粘贴的碳纤维。

在加固表面防护技术上，要求如下:(1)采用25mm 厚1 比3 的水泥砂浆来防护碳纤维加固表面。可以涂刷界面剂或者采取其他的措施进行处理来增加粉刷层的粘结力。(2)应该采用50mm 厚的新增混凝土保护层来对处于二a 类环境下的碳纤维加固构件进行防护。(3)加固部分的防护必须要达到相关的耐火等级的要求。(4)在粘贴胶完全固化以后才可以施工加固表面的防护。

对加固施工要求如下:(1)必须由有特种施工资质(结构补强)的专业公司来进行加固工程的施工。(2)应该优先考虑将原设计结构除其自重外的荷载先卸载，再进行构件加固，如果没有办法卸载，应该及时地向设计人员汇报，得到设计的允许后才可进一步施工。(3)在加固施工工程中，应该留意原来的结构构件是否存在开裂、腐蚀、锈蚀、老化以及和图纸不一样的情况，施工单位应进行记录检查结构损坏的程度，向设计人员报告，得到设计人员同意以后才可以继续做相关的加固修复工作。(4)施工队在加固工程施工之前，必须完全的理解整体加固的原则和整体加固的需要，如果有部分结构的拆除工作在加固工作之后进行，必须要保证加固工作完成，并且加固的构件达到了设计强度，再进行相关拆除工作。(5)施工单位在加固施工中，必须要做好对新旧混凝土的浇筑界面的处理，凿毛需充分，湿润、接浆(或使用其他截面剂)，并且确保连接面的质量和可靠性。(6)加固施工时，必须要满足加固材料对施工的环境温度和湿度方面的特殊要求。(7)加固施工时，要保证加固材料在存储和使用过程中的安全，并按产品说明的要求来采取有效的安全保障措施。(8)加固施工过程应采用没有振动或者少振动的设备，以减少对原有结构的破坏。

3 总结

随着建筑市场竞争的日益热化，建筑物建成后更改使用功能的概率也在增加。在面对改造加固设计时，选择合适的加固方案满足业主的要求越来越受到重视。碳纤维加固技术具有操作简单、综合性能高、加固质量高、节能环保等特点，适当将其应用在工程加固中，能极大的提高工程的综合质量，保证改造工程的使用寿命，尤其对施工场地及工期时间有较高要求时，可以收到较好的综合效益。

［1］《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2007.

［2］《混凝土结构加固设计规范》GB50367 -2013.

［3］《既有建筑结构加固改造设计与施工技术指南》徐福泉，赵基达，李东彬;中国物资出版社.

［4］《混凝土结构粘结加固设计与算例》左成平，左明汉编著;中国建筑工业出版社.