《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146-2003(2007版)

1总则1.0.1为使碳纤维片材加固混凝土结构的工程，做到技术可靠、安全适用、经济合理、确保质量，制订本规程。1.0.2本规程适用于房屋建筑和一般构筑物混凝土结构加固的设计、施工及验收。1.0.3采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构的设计、施工及验收，除应符合本规程的规定外，尚应遵守国家现行有关标准的规定。1.0.4采用粘贴碳纤维片材加固的混凝土结构，长期使用的环境温度不应高于60℃。处于特殊环境（腐蚀、放射、高温等）中的混凝土结构采用碳纤维片材加固时，尚应遵守国家现行有关标准的规定，并采取相应的防护措施。1.0.5采用碳纤维片材加固混凝土结构前，应按国家现行有关标准对原结构进行检测鉴定。1.0.6采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应由对该加固方法熟悉的设计人员进行设计，并由专业施工队伍进行施工。·1·2术语、符号2.1术语2.1.1碳纤维片材carbonfiberreinforcedpolymerlaminate碳纤维布和碳纤维板的总称。2.1.2碳纤维布carbonfibersheet连续碳纤维单向或多向排列，未经胶粘剂浸渍的布状制品。2.1.3碳纤维板carbonfiberplate连续碳纤维单向或多向排列，并经胶粘剂浸渍固化的板状制品。2.1.4底胶primer用于基材处理的胶粘剂。2.1.5修补胶repairadhesive用于对混凝土基材表面缺陷进行修补和找平处理的胶粘剂。2.1.6结构胶粘剂structuraladhesive用于浸渍、粘贴碳纤维布和板材等结构加固材料的专用胶粘剂。2.2符号2.2.2作用效应及抗力M——弯矩设计值；Mi——加固前受弯构件计算截面上实际作用的初始弯矩；Vb——梁的剪力设计值；Vc——柱的剪力设计值；σcf——碳纤维片材的拉应力；cfε——碳纤维片材的拉应变；iε——考虑二次受力影响时，加固前构件在初始弯矩作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变；·2·εcfv——达到受剪承载能力极限状态时碳纤维片材的应变。2.2.1材料性能Ecf——碳纤维片材的弹性模量；fcfk——碳纤维片材的抗拉强度标准值；fcf——碳纤维片材的抗拉强度设计值；cfuε——碳纤维片材的极限拉应变；[cfε]——碳纤维片材的允许拉应变；τcf——碳纤维片材与混凝土间的粘结强度设计值。2.2.3几何参数Acf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的截面面积；bcf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的宽度；hcf——U形箍粘贴的高度；hcfo——侧面粘贴碳纤维片材的截面面积形心至受压区外边缘的距离；ld——碳纤维片材从强度充分利用截面向外延伸所需的粘结长度；scf——环形箍或U形箍的净间距；tcf——单层碳纤维片材的厚度；wcf——环形箍或U形箍的宽度。2.2.4计算系数及其它km——碳纤维片材厚度折减系数；ncf——碳纤维片材的粘贴层数；φ——碳纤维片材受剪加固形式系数；υ——碳纤维片材的有效约束系数；ξcfb——碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度；λb——梁受剪截面的剪跨比；λc——柱的剪跨比；ρv——总折算体积配箍率。其它符号参见现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010。·3·3材料3.1一般要求3.1.1采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构加固时，应使用聚丙烯腈基（PAN基）12k或12k以下的小丝束碳纤维片材、配套的改性环氧树脂胶粘剂和表面防护材料。3.1.2加固用材料应具有质检部门的产品安全性能检测报告和产品合格证；碳纤维片材和配套胶粘剂应具有符合本规程第3.2节和第3.3节规定的安全性能；对配套胶粘剂还应提供耐湿热老化性能指标及施工和使用环境要求。3.1.3本规程所列碳纤维片材的安全性能指标是对单向碳纤维片材的要求。3.1.4混凝土、钢筋和其它材料的有关设计指标应按国家现行有关标准采用。3.2碳纤维片材3.2.1碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净截面面积计算。净截面面积取碳纤维布的计算厚度乘以宽度。碳纤维布的计算厚度应取碳纤维布的单位面积质量除以碳纤维密度。碳纤维板的性能指标应按板的截面（含胶）面积计算，截面（含胶）面积取实测厚度乘以宽度。3.2.2碳纤维片材的安全性能指标应符合表3.2.2的要求。表3.2.2碳纤维片材的安全性能指标单向织物（布）条形板类别项目高强度Ⅰ级高强度Ⅱ级高强度Ⅰ级高强度Ⅱ级抗拉强度标准值ff,k（MPa）≥3400≥3000≥2400≥2000受拉弹性模量Ef（MPa）≥2.4×105≥2.1×105≥1.6×105≥1.4×105伸长率（%）≥1.7≥1.5≥1.7≥1.5弯曲强度ffb（MPa）≥700≥600－－层间剪切强度（MPa）≥45≥35≥50≥40仰贴条件下纤维复合材与混凝土正拉粘结强度（MPa）≥2.5，且为混凝土内聚破坏纤维体积含量（%）－－≥65≥55单位面积质量（g/m2）≤300≤300－－·4·注：L形板的安全性及适配性检验合格指标按高强度Ⅱ级条形预成型板（条形板）采用。3.2.3碳纤维片材的受拉性能应按现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定。3.2.4单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量不宜低于150g/m2，且不应高于300g/m2。3.2.5碳纤维板的厚度不宜大于2.0mm，宽度不宜大于200mm，纤维体积含量，对I级板，不应小于65%；对II级板，不宜小于60%，且不应小于55%。3.3配套胶粘剂3.3.1采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固时，应采用与碳纤维片材配套的底胶、修补胶和具有良好浸渍、粘结能力的结构胶粘剂。3.3.2底胶、修补胶和结构胶粘剂的安全性能应分别符合表3.3.2–1、表3.3.2–2和3.3.2–3的要求。表3.3.2–1底胶的安全性能指标性能项目性能要求试验方法标准钢-钢拉伸抗剪强度标准值（MPa）当与A级胶匹配：≥14当与B级胶匹配：≥10GB/T7124与混凝土的正拉粘结强度（MPa）≥2.5,且为混凝土内聚破坏本规范附录A不挥发物含量（固体含量）（%）≥99GB/T2793混和后初黏度（23℃时）（mPa·s）≤6000GB/T12007.4注：本表中的性能指标，除标有强度标准值外，均为平均值。表3.3.2–2修补胶的安全性能指标性能项目性能要求试验方法标准胶体抗拉强度（MPa）≥30GB/T2568胶体抗弯强度（MPa）≥40,且不得呈脆性(碎裂状)破坏GB/T2570与混凝土的正拉粘结强度(MPa)≥2.5,且为混凝土内聚破坏本规范附录A注：本表中的性能指标均为平均值。·5·表3.3.2–3碳纤维复合材浸渍/粘结用胶粘剂安全性能指标性能要求性能项目A级胶B级胶试验方法标准抗拉强度（MPa）≥40≥30受拉弹性模量（MPa）≥2500≥1500伸长率（%）≥1.5GB/T2568≥50≥40抗弯强度（MPa）且不得呈脆性(碎裂状)破坏GB/T2570胶体性能抗压强度（MPa）≥70GB/T2569钢-钢拉伸抗剪强度标准值(MPa)≥14≥10GB/T7124钢-钢不均匀扯离强度（kN/m）≥20≥15GJB94粘结能力与混凝土的正拉粘结强度(MPa)≥2.5,且为混凝土内聚破坏本规范附录A不挥发物含量（固体含量）（%）≥99GB/T2793注：1B级胶不用于粘贴板材；2表中的性能指标，除标有强度标准值外，均为平均值；3当板材为仰面或立面粘贴时，其所使用胶粘剂的下垂度（40℃时）不应大于3mm；4当按现行国家标准《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法（金属对金属）》GB/T7124制备试件时，其加压养护应在侧立状态下进行。3.3.3配套的改性环氧树脂胶粘剂应按现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》GB50367规定的环境条件和试验方法进行耐湿热老化性能检验，其老化后的拉伸剪切强度降低百分率应符合下列要求：1对A级胶不得大于10%；2对B级胶不得大于15%。3.4表面防护材料3.4.1对已加固完毕的结构表面应进行防护处理。防护材料的粘结性能应与碳纤维片材表面涂刷的胶粘剂相容，并能可靠粘结。3.4.2选用的防火材料及其处理方法，应使加固后的建筑物达到要求的防火等级。3.4.3当被加固的结构处于特殊环境时，应根据具体情况选用有效的防护材料。·6·4设计规定4.1一般规定4.1.1采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应通过配套的改性环氧树脂胶粘剂将碳纤维片材粘贴于构件表面，使碳纤维片材承受拉力，并与混凝土变形协调，共同受力。4.1.2碳纤维片材可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固：1在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。2采用环形箍或U形箍对梁、柱构件进行受剪加固，纤维方向宜与构件轴向垂直。3采用环向围束粘贴对柱进行抗震加固，纤维方向应与柱轴向垂直。4.1.3采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应按本规程规定的极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。钢筋和混凝土材料宜根据检测得到的实际强度，按国家现行有关标准确定其相应的材料强度设计指标。碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变，按线弹性应力应变关系确定其相应的应力。4.1.4碳纤维片材应取置信水平为0.99、保证率为95%的极限抗拉强度作为抗拉强度标准值fcfk。碳纤维片材的极限拉应变εcfu应取其抗拉强度标准值fcfk除以弹性模量Ecf。4.1.5当采用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加固时，应考虑加固后对结构中其它构件或构件的其它性能可能产生的影响。4.1.6采用粘贴碳纤维片材进行结构加固时，宜卸除作用在结构上的活荷载。如不能在完全卸载条件下进行加固，应考虑二次受力的影响。4.1.7在受弯加固和受剪加固时，被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应低于C15。4.1.8加固设计时，应采取措施使原结构、构件不致因碳纤维片材加固部位意外失效而导致坍塌。·7·4.2构造要求4.2.1当碳纤维布沿其纤维方向需绕过构件转角粘贴时，构件转角处外表面的曲率半径不应小于20mm（图4.2.1）。12r20mm≥图4.2.1构件角处粘贴示意1－构件外表面；2－碳纤维布4.2.2碳纤维布沿纤维受力方向的搭接长度不应小于100mm。当采用多条或多层碳纤维布加固时，各条或各层碳纤维布的搭接位置应相互错开。4.2.3为保证碳纤维片材可靠地与混凝土共同工作，必要时应采取附加锚固措施。4.3受弯加固4.3.1采用碳纤维片材对梁、板构件进行受弯加固时的承载力计算，除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010对受弯构件正截面承载力计算的基本假定外，尚应符合下列要求：1构件达到受弯承载能力极限状态时，碳纤维片材的拉应变cfε按截面应变保持平面的假定确定，但不应超过碳纤维片材的允许拉应变[cfε]；2当考虑二次受力影响时，应根据加固的荷载状况，按截面应变保持平面的假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变iε；3碳纤维片材的拉应力cfσ应取碳纤维片材弹性模量Ecf与其拉应变cfε的乘积Ecfcfε；4在达到受弯承载能力极限状态前，碳纤维片材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。4.3.2在矩形截面受弯构件的受拉面上粘贴碳纤维片材进行受弯加固时，其正截面受弯承载力应按下列公式计算：·8·1当混凝土受压区高度x大于ξcfbh，且小于ξbh0时（图4.3.2a）M≤fcbx（h0–2x）+syAf′′（h0–a′）+EcfcfεAcf（h–h0）（4.3.2–1）混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf应按下列公式确定：fcbx＝fyAs–+EsyAf′′cfεcfAcf（4.3.2–2）x＝icfcucuεεεε++8.0h（4.3.2–3）2当混凝土受压区高度x不大于ξcfbh时（图4.3.2b）M≤fyAs（h0–0.5ξcfbh）+Ecf[cfε]Acfh（1–0.5ξcfb）（4.3.2–4）3当混凝土受压区高度x小于2a′时，M≤fyAs（h0–a′）+Ecf[cfε]Acf（h–a′）（4.3.2–5）式中，M——包含初始弯矩的总弯矩设计值；As、——受拉钢筋、受压钢