碳纤维复合材料加固技术在实际工程中的应用

1碳纤维复合材料（CFRP）加固技术在实际工程中的应用摘要：碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。本文以一个石化行业的钢筋混凝土框架改造工程应用为例介绍了碳纤维复合材料在因功能改变引起荷载变化的结构构件加固中的计算方法和施工工艺。关键词：碳纤维复合材料混凝土结构加固技术一、概述碳纤维复合材料（CarbonFiberPeinforcePlastic）加固技术是利用树脂类粘接剂（建筑结构胶）将碳纤维粘贴到结构或构件的表面，形成复合材料体，通过碳纤维与构件的协同工作，来提高结构或构件的承载力和延性的一种加固技术方法。采用碳纤维布加固具有以下几个优点：1、抗拉强度高，是普通钢材的10倍，并具有比钢材更好的抗疲劳性能；2、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；3、自重轻（约200g/m2），密度只有普通钢材的1/4；基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广，适合任何形状；4、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），没有湿作业，易于操作，经济性好；5、适用范围广，施工工期短。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，近年来发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。国家也于2003年编制了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146：2003)。本文结合具体的石化行业一钢筋混凝土构架加固工程，介绍了碳纤维加固技术实例。二、结构概况和加固设计1、工程概况本工程中需加固的构架为齐鲁石化公司催化剂厂浆液贮存钢筋混凝土框架，结构为一层平台，平台高5.200米，跨度7.3米，五榀框架，框架总长22.25米，平面尺寸见下图所示。平台上放置四台浆液贮存罐，正常工作状态下，每个罐体总重850kN，无振动，现要在平台上再增加两台各重85kN的剥片机。原有构架设计及施工结束于2001年，由于新的混凝土规范、荷载规范及抗震规范实施于2002年，新旧规范的差异及新上设备荷载的增加，造成原有构架明显不能满足使用要求，多处梁的配筋量低于现行抗震设计标准约25％～35%，由于工期紧，配筋差异较大，经过方案论证和经2济技术可行性比较，决定采用碳纤维复合材料进行加固，以尽快加固完毕，安装设备，早日投产运行。加固设计时将碳纤维复合材料按强度换算成钢筋量，按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样的方法进行设计。采用极限状态法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算。2、材料特性⑴本工程使用德国进口的碳纤维布（C200），其主要性能指标见表1：表1：碳纤维布主要性能指标型号单位面积质量（g/cm-2）抗拉强度fcf(Mpa)弹性模量Ecf(Mpa)备注UDO20020049002.3×105⑵粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶，其主要性能指标见表2：表2：配套胶主要性能指标种类拉伸强度MPa压缩强度MPa剪切强度Mpa适用温度℃可使用时间min基底树脂（JGN-E）---0～3815～30修补树脂（LGN-F）＞28＞50＞180～38＞40粘结树脂（JGN-D）＞28＞50＞180～38＞603、加固设计33.1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：受拉区混凝土的作用忽略不计；梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：σcf=Ecf×εcf且εcf0.01。3.2加固设计根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146:2003）的规定，采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除，故不考虑二次受力的影响。取图中梁L-1为例，梁全长7.3m，截面350x1000mm，原配受拉钢筋7Φ25＋2Φ22（4196mm2），受压钢筋5Φ20mm（1571mm2），箍筋φ8@100~200。梁截面：b×h=350mm×1000mm，C30混凝土，原梁配有As0=4196mm2As0＇=1571mm2按原设计计算最大弯矩设计值：x=(fyAs－fy＇As＇)/fcb=157mm4Mu=fcbx(h0－x/2)+fy＇As＇(h0－a’)=14.3x350x157x(930-78.5)+300x1571x(930-40)=1088.6kN·m本设计梁底粘贴一层碳纤维板，厚1.0mm，幅宽为梁底宽350mm，Acf＝350mm2；梁端负筋处粘贴一层碳纤维布，厚0.5mm，幅宽350mm；全梁设U型碳纤维布箍，每道150宽，间距300，布厚0.167mm，加固简图如下所示：加固后梁的弯矩承载力按规程公式计算：碳纤维片材厚度折减系数：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818[εcf]=kmεcfu=0.0170.01取[εcf]=0.01界限相对高度：ξcfb=0.8εcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf应按下列公式进行计算：1）、fcbx=fyAs－fy＇As＇+EcfεcfAcf2)、x/(h0-x)＝0.8εcu/(εcu+εcf)解得：x=203,εcf=0.00615ξcfbh＝0.1985x1000＝198.5χ≈203mmξbh0=511.5m;εcf=0.00615根据规范公式4.3.2-1,M=fcbx(h0－x/2)+fy＇As＇(h0－a’)+EcfεcfAcf(h－h0)=14.3x350x203x(930-101.5)+300x4196(930-40)+2.3x105x0.00615x350x70=1997kN·m由计算结果可知经过加固，此梁的最大弯矩设计值比原来提高了83.4％，根据规程要求，加固后梁的受弯承载力提高幅度不宜超过40%，因此本方案最终按提高40%考虑。5其余梁加固方式与L-1相近。4、施工工艺一般工艺流程为卸荷—基底处理—涂底胶—找平—粘贴—保护。考虑本工程特殊施工环境因素，加固中应进行卸荷。加固前先将板面粉刷层及板面杂物清除。本工程加固施工中，应先凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。基本施工步骤：⑴基底处理：①混凝土表面出现剥落、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）。③风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。⑵涂底胶①按配合比主剂∶固化剂＝3:1配置底胶。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20—50mim内用完。②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6—24h。⑶找平①混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。②转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。6⑷粘贴①按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。②调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），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。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。③粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后，用特制工具反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分浸透碳纤维布；并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。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粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。⑤碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200mm。⑸保护加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。⑹质量要求①每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。②施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象，应采用针管注粘结胶的方法进行补救。粘结面积若少于90%则判定粘结无效，需重新施工。③严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5－35℃范围内，相对湿度不大于70%。4、施工中特别注意的问题在实际施工中应注意：a.一定要处理好界面，否则会直接影响粘结强度，混凝土表面可采用专用工具细心打磨，用丙酮擦洗干净；b.粘贴碳纤维材料时一定要将混凝土基面擦洗干净，要均匀涂刷粘结剂，粘贴时用滚轮来回加压滚实，确保没有起鼓。7三、碳纤维材料在构架加固中的应用分析碳纤维材料加固与传统方法有显著区别。首先，几乎不增加结构自重，不会引起结构的连锁补强；其次，碳纤维材料还具有良好的耐腐蚀性能；从受力性能来看，碳纤维材料具有很高的拉伸强度和抗疲劳性能，适合于梁、板、柱的加固；从材料特征看，作为柔性卷材，碳纤维布在施工现场可以根据需要绕过各种管道实施、穿墙过洞，可以在狭小空间内施工，还可以叠合成任意形状，加固复杂形状的结构。从实践应用角度来看，碳纤维加固混凝土技术避免了其他加固方法增大结构尺寸，减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性差等缺点，最大限度地保证了原有构架的布局特征和使用功能。加固后的结构作为二次组合结构，通过新、旧两部分整体工作，提高了结构的承载能力。与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝、预应力法相比，碳纤维材料加固混凝土技术无加固损伤，不用担心由于结构新、旧结合处的应力集中而减弱加固效果。与粘钢板加固技术相比，碳纤维加固不需要大型辅助机具，施工简便，有效粘贴面积易于保证，施工效率较高，符合本工程工期要求紧的需要，为装置尽快投产创造了有利条件。在工程控制方面，碳纤维加固技术是通过在混凝土结构外部粘贴碳纤维布或板，通过二者协同受力，达到加固目的。粘结剂是进行碳纤维粘贴控制、实现碳纤维工程性能的关键，必须保证粘结剂的质量。在技术经济方面优劣明显，见如下分析：1)材料价格分析：目前国内市场上的碳纤维布（含相应的粘结材料）价格根据材料种类不同约为450~800元/m2；碳纤维板材价格约为3000~5000元/m2，与常用的加固方法的材料相比要高许多，这也是制约碳纤维加固技术在我国推广的最大障碍。但从目前的研究和应用趋势可以预测，随着科技的进步和碳纤维材料的国产化，在未来几年内，碳纤维材料加固技术的材料成本就会有较大降低。2)施工分析。由于此技术不需要大型机具、设备、现场可任意裁剪，不象钢板一样需要专门的切割工具，故其施工工期短，一般比常规方法缩短1/2的时间。在较小空间中即可实施碳纤维材料加固结构的施工，除了混凝土表面处理时的灰尘需要控制外，对一般结构物的正常使用几乎无任何干扰，所以施工干扰小；碳纤维材料加固技术的施工操作方便，在正常施工条件下碳纤维材料的有效粘结面积基本可以达到100%，且现场检测方便，即使有小的空鼓，也可以用针管注胶法补救，施工质量得到有效保证。故与其它方法相比，将节省大量的机械台班费，人工费和检测费。3)维修成本分析。耐久性、抗腐蚀性能是评价一项结构工程质量的重要指标，尤其在8本工程中，由于催化剂厂生产工艺造成厂区环境空气中酸性气体浓度较大，一般防腐表面很快被酸性气侵蚀损坏。而碳纤维材料却有较强的抗腐蚀性，日本有关试验及研究表明，在弱酸环境下，在一定冻融循环次数后，在一定干湿交替作用次数后，在一定光照时间后，在70°C水中浸泡30d等条件下，碳纤维材料与混凝土间的粘结性能均无降低，耐久性很好，在热循环（20°C~－