碳纤维布在变压器基础加固中的应用

王东 李维佳

【摘要】碳纤维布具有良好的技术性能，施工工艺简单方便。因此， 将碳纤维布加固技术应用于变电站设备基础加固能产生更大的经济效益。本文主要通过对碳纤维布加固原理和特性进行分析总结，结合工程实际体现碳纤维布加固技术的应用特点。

【關键字】碳纤维布；加固；混凝土基础

1 碳纤维布加固原理

1.1碳纤维布加固原理

（1）将抗拉性能良好的碳纤维布加固受拉区域，可与原结构内钢筋共同承受拉应力，以提高结构的承载力，也可增加结构的安全储备，增大安全系数。

（2）沿混凝土结构的主拉应力方向（或与裂缝正交方向）粘贴碳纤维布，两端分别设置锚固端，可约束混凝土表面裂缝、防止混凝土裂缝进一步扩展，从而达到提高构件抗弯刚度、减小构件挠度、改善梁体受力的目的。

（3）碳纤维布加固混凝土构件，在提高其受弯承载力的同时还可能影响受弯构件的破坏形态，增加部分抗剪能力。

（4）碳纤维和混凝土具有相近的温度线膨胀系数，不会由于温度变化产生较大的温度内应力而破坏两者之间的粘结。

（5）碳纤维布加固后在最后破坏时的突然性（拉断或脱离等脆性破坏），其承载力极限状态分布能够按普通钢筋混凝土的定义，一般应按碳纤维抗拉强度的2/3 进行抗弯承载力计算。

1.2 碳纤维布的特性

碳纤维布具有很高的抗拉强度、高比模量、极强的耐疲劳和耐腐蚀性等一系列优良性能，在桥梁结构、房屋建筑及工程结构加固中应用广泛，碳纤维布具有以下优点：

（1）碳纤维布的自重很轻仅为200～300g/m， 设计厚度为0.11～0.16mm，加上环氧树脂系列的粘结胶体的自重也很轻，几乎不增加结构重量，对结构净空的影响微乎其微，因此，与其他加固方法相比，采用碳纤维布加固法不增加恒载和断面尺寸不影响结构外观，不减小结构净空。

（2）碳纤维布加固法施工简便、工期短，无需大型设备，不受空间限制，而且因为碳纤维布的随型性极强的特点可以适应不同构件的各种形状，成型方便。

（3）加固时碳纤维布是通过专用粘贴胶等粘结材料与原有结构进行有效粘结，不需设置锚栓及凿开混凝土等，不会损伤原构件，不会出现新旧结构之间的缝隙，整体性能很好。

（4）碳纤维布的抗拉强度比同截面钢材高7～10 倍，由于碳纤维布具有优异的物理力学性能，在对混凝土结构加固补强过程中可充分利用其高强度、高模量的特点来提高构件的承载力，改善其受力性能，达到高效加固的目的。

（5）碳纤维布粘贴在混凝土表面，能有效封闭混凝土表面的裂缝，防止水分和空气进入裂缝内部锈蚀钢筋，并能约束混凝土结构裂缝的生成与扩展。

（6）碳纤维材料几乎无腐蚀性和磁性，且化学性质稳定，不会与酸、碱、盐等化学物质发生反应，具有良好的耐久性。

1.3碳纤维布加固的适用范围

（1）适用于各种结构类型、各种结构部位的加固补强，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。

（2）基层混凝土的强度等级不低于C15。

2 工程实例

2.1 工程概况

该工程位于西安110kV汉城变内，将站内原31500kVA变压器更换为63000kVA变压器，由于变压器不同，故设备自重与轨距均有变化。原31500kVA变压器自重为67t，轨距1800mm；63000kVA变压器自重92t，轨距为2040mm。由于场地限制与时间紧迫，故采取对原主变基础进行改造加固。（如图1、图2）

图1 原设备基础平面图

图2 原设备基础剖面图

2.2 原有变压器基础条件及参数

原主变容量为31500kVA，质量为67t，基础采用C15混凝土，垫层采用C10混凝土，地基处理为450mm厚3：7灰土换填。

2.3 原有变压器基底压力

原主变自重器身自重Fk=m·g=67000kg×10N/kg=670kN

原主变基础体积：V=0.8×7.0×1.1×2+4.2×7.5×1.0=43.82m?

原主变基础重量：Gk=γ·V=24kN/m?×43.82m?=1051.68KN

原主变推进摩擦力：Qk=μ·Fk=0.15×670kN=100.5kN

基础底面抵抗矩：W=l·b2/6=7.5×2.62/6=8.45m?

原主变基底压力：

根据《既有建筑地基基础加固技术规范》，规程要求对沉降稳定的结构增加荷载，要现场进行荷载试验，或对原基础下1.5m基础宽度的深度范围内取土进行试验，确定地基土抗剪强度指标以及土的压缩模量等参数，并结合经验确定地基承载力。

由于现场不具备试验条件，因此，根据经验，增加荷载后，基底压力只要不大于原结构基底压力，则认为满足要求。

2.4 改造后不加固变压器基底压力

新上主变容量为63000kVA，质量为92t，若不采取加固措施，直接将新主变安装在原基础上，产生的基底压力计算如下：

新主变自重器身自重Fk=m·g=92000kg×10N/kg=920kN

原主变基础体积：V=0.8×7.0×1.1×2+4.2×7.5×1.0=43.82m?

原主变基础重量：Gk=γ·V=24kN/m?×43.82m?=1051.68KN

新主变推进摩擦力：Qk=μ·Fk=0.15×920kN=138kN

基础底面抵抗矩：W=l·b2/6=7.5×2.62/6=8.45m?

主变基底压力为：

∴新设备直接安装在原基础上的基底压力大于原基础基底压力，不满足设计要求。

2.5 采用碳纤维布加固后基底压力

由上述内容判断根据新主变的条件参数，计算需要對原主变基础进行加固设计，原因如下：

1、原基础轨距1800mm，新基础轨距2040mm，需要将原基础宽。

2、基础基底压力不满足要求，需要对基础进行扩大改造，根距《既有建筑地基基础加固技术规范》规定，基础扩大部分，厚度应与原基础一致。

3、由于原基础已建成约22年，基础表面已有明显破损，因此需要对原基础进行加固，避免施工过程中原基础发生破坏。

综合上述原因，提出以下加固方案：

1）扩大基底面积。

2）对老基础进行碳纤维加固。

新主变自重器身自重Fk=m·g=92000kg×10N/kg=920kN

主变基础重量增加至：Gk= 1051.68kN+12.72×24kN=1356.96kN

新主变推进摩擦力：Qk=μ·Fk=0.15×920kN=138kN

基础底面抵抗矩：W=l·b2/6=7.5×62/6=45m?

加固后主变基底压力：

∴改造后的基底压力小于原基础基底压力，满足设计要求。

3、总 结

采用碳纤维布修复补强混凝土结构技术与传统的加固方法相比， 具有施工方便快捷、强度高、功效高、随形性好、噪音小、现场整洁等优点， 对混凝土结构和构件加固补强效果十分理想。在对新旧工程的混凝土加固方面有着极大的经济性和适应性，其技术经济效益、社会效益和环境效益良好，特别是对于变电站工程，由于工程的特殊性及时间的紧迫性，对原有设备基础的加固措施显得尤为重要。碳纤维布的特性使得其在变电工程中的应用前景非常广阔。

参考文献：

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[6]刘永红，科学出版社，2009.12，地基处理[S]

[7]谢卫红，辛家宝，董昊，张峰.钢筋混凝土梁碳纤维布加固研究[J].混凝土与水泥制品，2010，4：