碳纤维技术在工程加固中的应用
2012-02-10 来源：来源：中国论文网 作者：章途山
1、 碳纤维加固结构构件技术原理
外贴纤维增强复合材料加固混凝土技术是通过在混凝土结构外部粘贴纤维增强复合材料片材，通过二者协同受力，达到加固目的。碳纤维材料具有高强度、高弹性摸量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。加固修复混凝土结构所有碳纤维材料主要为两种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍，而弹性模量与钢材相当，某些（如高弹性）碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料；配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。
2、受弯构件正截面加固设计计算
2.1 基本假定 碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：①受拉区混凝土的作用忽略不计；②梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合截面假定；③碳纤维材料采用线弹性应力—应变关系：δcf=EcfXεcf，且ε<0.01。④当考虑二次受力影响时，应按构件加固前的初始受力情况，确定纤维复合材料的滞后应变；⑤由于外贴的碳纤维布很薄，近似认为CFRP布中心离梁顶的距离与梁高相等；⑥在到达抗弯承载力极限状态前，加固材料与混凝土之间不致出现黏结剥落破坏。
2.2 加固设计方法 在矩形截面受弯构件的受拉边混凝土表面上粘贴纤维复合材料进行加固时，其正截面承载力应符合下列规定，即
当X≥2a’时
M≤a1fcobx（h-X/2）+f’yoA’so（h-a’）-fyoAｓo（h-ho）
a1fco=fyoAｓo+фfffAfe- f’yoAso
фf={（0.8εCUh/x）-εCU-εfo}/εf
3、碳纤维材料的加固工程
某汽车配件厂建于2001年，五层框架结构，厂房跨度7m，由于生产需要，将原来的五层增加至六层，经过结构检测和计算，局部原来的框架梁承载力达不到新增的使用要求，故局部框架梁须做加固设计。
计算书：根据PKPM结构计算软件计算浙江月华汽配有限公司生产车间部分梁缺筋，缺筋量130~359mm2。正弯矩缺筋量最大为222mm2，负弯矩缺筋量最大为359mm2。
梁粘碳布加固：
M≤a1fcbx（h-x/2）+f|yA|s（h-a|）-fyAs（h-ho）
a1fcbx= fyAs+ψfffAse-f|yA|s
ψf=（（0.8εcuh/x）-εcu-εfo）/εf
x≥2a|
由上式中可知缺筋量As等于ψfffAse/fy。
设粘碳纤维布同梁宽250mm按一层计算，碳纤维布计算厚度为0.167mm，抗拉强度为2000MPa。
即
As=ψfffAse/fy
=0.85*2000*250*0.167*1/300
=236.6mm2
同理按二层计算
As=ψfffAse/fy
=0.85*2000*250*0.167*2/300
=473.2mm2
从以上二种计算结果得：
梁正弯矩缺筋量在236.6mm2内粘一层碳纤维布，大于236.6mm2而小于473.2mm2粘二层碳纤维布，满足加固要求。
4、碳纤维材料的加固施工工艺
施工工艺：卸荷→基底处理→涂底胶→找平→粘贴→保护。
4.1 卸荷 加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。
4.2 基底处理 ①混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。②裂缝部位应首先进行封闭处理。③用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm）。④用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
4.3 涂底胶（FP胶） ①按主剂∶固化剂=2∶1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。②用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。
4.4 找平 ①混凝土表面凹陷部位应用FE胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用FE胶填补，尽量减小高度差。②转角处也应用FE胶修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。
4.5 粘贴 ①按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布。②调配、搅拌粘贴材料FR胶（使用方法与底胶FP相同），然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。③粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使FR胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。④在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹FR胶。⑤碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm，碳纤维端部固定用横向碳纤维或粘钢固定（压条）。
4.6 保护 加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。
5、结语
粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型加固技术，已经得到较广泛的应用，并已产生较大的经济效益；在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要分担钢筋受力，即碳纤维主要提高结构构件的抗拉强度，在其他结构中，碳纤维布也起到比较良好的抗拉强度作用。
