碳纖維技術(shù)在工程加固中的應(yīng)用
2012-02-10 來源：來源：中國論文網(wǎng) 作者：章途山
1、 碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)原理
外貼纖維增強復(fù)合材料加固混凝土技術(shù)是通過在混凝土結(jié)構(gòu)外部粘貼纖維增強復(fù)合材料片材，通過二者協(xié)同受力，達到加固目的。碳纖維材料具有高強度、高彈性摸量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所有碳纖維材料主要為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復(fù)合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固、補強的目的。
2、受彎構(gòu)件正截面加固設(shè)計計算
2.1 基本假定 碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計算采用如下基本假定：①受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；②梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合截面假定；③碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：δcf=EcfXεcf，且ε<0.01。④當(dāng)考慮二次受力影響時，應(yīng)按構(gòu)件加固前的初始受力情況，確定纖維復(fù)合材料的滯后應(yīng)變；⑤由于外貼的碳纖維布很薄，近似認為CFRP布中心離梁頂?shù)木嚯x與梁高相等；⑥在到達抗彎承載力極限狀態(tài)前，加固材料與混凝土之間不致出現(xiàn)黏結(jié)剝落破壞。
2.2 加固設(shè)計方法 在矩形截面受彎構(gòu)件的受拉邊混凝土表面上粘貼纖維復(fù)合材料進行加固時，其正截面承載力應(yīng)符合下列規(guī)定，即
當(dāng)X≥2a’時
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、碳纖維材料的加固工程
某汽車配件廠建于2001年，五層框架結(jié)構(gòu)，廠房跨度7m，由于生產(chǎn)需要，將原來的五層增加至六層，經(jīng)過結(jié)構(gòu)檢測和計算，局部原來的框架梁承載力達不到新增的使用要求，故局部框架梁須做加固設(shè)計。
計算書：根據(jù)PKPM結(jié)構(gòu)計算軟件計算浙江月華汽配有限公司生產(chǎn)車間部分梁缺筋，缺筋量130~359mm2。正彎矩缺筋量最大為222mm2，負彎矩缺筋量最大為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。
設(shè)粘碳纖維布同梁寬250mm按一層計算，碳纖維布計算厚度為0.167mm，抗拉強度為2000MPa。
即
As=ψfffAse/fy
=0.85*2000*250*0.167*1/300
=236.6mm2
同理按二層計算
As=ψfffAse/fy
=0.85*2000*250*0.167*2/300
=473.2mm2
從以上二種計算結(jié)果得：
梁正彎矩缺筋量在236.6mm2內(nèi)粘一層碳纖維布，大于236.6mm2而小于473.2mm2粘二層碳纖維布，滿足加固要求。
4、碳纖維材料的加固施工工藝
施工工藝：卸荷→基底處理→涂底膠→找平→粘貼→保護。
4.1 卸荷 加固前應(yīng)對所加固的構(gòu)件盡可能卸荷。
4.2 基底處理 ①混凝土表層出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除，對于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進行修復(fù)。②裂縫部位應(yīng)首先進行封閉處理。③用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)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，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。④用吹風(fēng)機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。
4.3 涂底膠（FP膠） ①按主劑∶固化劑=2∶1的比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌，根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。一般情況下1h內(nèi)用完。②用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。
4.4 找平 ①混凝土表面凹陷部位應(yīng)用FE膠填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用FE膠填補，盡量減小高度差。②轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用FE膠修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。
4.5 粘貼 ①按設(shè)計要求的尺寸及層數(shù)裁剪碳纖維布。②調(diào)配、攪拌粘貼材料FR膠（使用方法與底膠FP相同），然后均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制滾子反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使FR膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹FR膠。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm，碳纖維端部固定用橫向碳纖維或粘鋼固定（壓條）。
4.6 保護 加固后的碳纖維布表面應(yīng)采取抹灰或噴防火涂料進行保護。
5、結(jié)語
粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型加固技術(shù)，已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益；在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，碳纖維布主要分擔(dān)鋼筋受力，即碳纖維主要提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強度，在其他結(jié)構(gòu)中，碳纖維布也起到比較良好的抗拉強度作用。
