 |
 |
|
協(xié)會刊物
|
淺析交通銀行大廈改造工程碳纖維加固技術的應用 |
| |
時間日期：2010-4-28 已被閱讀次：[9119] |
佛山市工程承包總公司 曾德坤
[摘 要] 碳纖維增強聚合物是一種新興的高強材料，最早應用于航空航天等高科技領
域。近年來在土木工程領域中的研究與應用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結
構加固方法，碳纖維加固技術是一種新型高效的加固修復技術，它具有高強、
高效、自重輕、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點。碳纖維加固技術是利用改性環(huán)
氧樹脂類膠結材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達到結構補強及改
善受力性能的目的。在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。此項技術在美國、日
本等發(fā)達國家已成熟運用，在20世紀90年代后期國內才開始碳纖維加固技術
的研究與應用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統(tǒng)的理論。本文以
一個改造工程應用為例介紹了碳纖維復合材料在因功能改變引起荷載變化的
結構構件加固中的計算方法和施工工藝，供同行參考。
[關鍵詞] 改造工程 碳纖維復合材料 混凝土結構 加固技術
一、前言
碳纖維布加固修補結構技術是一種新型的結構加固技術，它是利用樹脂類粘結材料將碳
纖維布粘貼于混凝土表面，使兩者共同工作，提高結構構件的（抗彎、抗剪）承載能力，以
達到對結構及構件加固補強的目的。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代
美、日等發(fā)達國家，我國起步很晚，近年來發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程
、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。采用碳纖維布
加固具有以下幾個優(yōu)點：1、抗拉強度高，是普通鋼材的10倍；2、加固后能大大提高結構的
耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不增加結構
自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡便（不需大
型施工機構及周轉材料），沒有濕作業(yè)，易于操作，經濟性好；5、適用范圍廣，施工工期
短。
二、工程概況
1、建筑特征：交通銀行大廈工程，位于佛山市禪城區(qū)季華五路30號，該工程為在原有
一至五層總高23.0m的建筑物內按照交通銀行營業(yè)、辦公樓的使用功能進行改造，原一至五
層曾經作為大型商場使用過，所以室內外已做一般裝飾，其消防、水電、中央空調及電梯均
已安裝。原2層地下室為停車場及總電房其功能不變，該改建工程由佛山市工程承包總公司
承建。
2、結構特征：現(xiàn)澆鋼筋砼框架剪力墻結構，結構改建項目主要有：鑿除局部框架梁、
板及部分樓梯；增加局部梁、板及部分樓梯；局部結構框架補強加固；封閉部分梯井樓板；
增設外圍裝飾構造柱，抗震設防烈度為7度，安全等級為二級。由于功能改變導致荷載增大
，原2層至5層局部梁將不能滿足設計要求，需要加固。經過方案論證和經濟技術可行性比較
，決定采用碳纖維復合材料進行加固，以提高樓板的承載能力，來實現(xiàn)結構滿足使用功能要
求。
3、材料特性：目前，國內碳纖維材料及配套結構膠的生產廠家有多家，選購前應認真
了解材料的相關技術指標及操作說明，本工程使用遼寧省建設科學研究院生產的jgn－c膠（
底膠）及jgn－p膠（粘著膠），t700s型碳纖維布，各材料指標如表1～表3。
三、加固設計
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：
受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；
梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；
（3）碳纖維材料采用線彈性應力－應變關系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。
2、加固設計
根據(jù)《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 146:2003）[的規(guī)定，采用以
概率理論為基礎的極限設計法進行計算�？紤]到作用在加固結構上的活荷載基本卸除，故不
考慮二次受力的影響。
取A軸梁跨中為例
梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2 As0＇=980mm2
設計彎矩：Mu=510Kn•m 按原設計計算最大彎矩設計值：
x=( fyAs－fy＇As＇)/ fcb=115mm
Mu= fcbx (h0－x/2)＋ fy＇As＇ (h0－a`)
= 14.3x350x115x(585－57.5)＋300x980(585－40)=463.6 kN•m
本設計采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層（Acf=99.9mm2）, 按規(guī)程公式計算
碳纖維片材厚度折減系數(shù)：km=1－ncfEcftcf/420000=1－3x2.3x105x0.111/420000=0.8
18
[εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
界限相對高度：ξcfb=0.8Xεcu/(εcu＋[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033＋0.01)=0.19
85混凝土受壓區(qū)高度x和受拉面上碳纖維片材的拉應變εcf應按下列公式進行計算：
1）、 fcbx=fyAs－fy＇As＇＋Ecfεcf Acf
2)、 x=0.8εcu/εcu＋εcf
解得：ξcfbh=0.1985x650=129<χ≈137mm<ξbh0=329m; εcf =0.0051
根據(jù)規(guī)范公式4.3.2－1,
M=fcbx (h0－x/2)＋fy＇As＇ (h0－a`)＋ Ecf εcfAcf (h－h(huán)0)
=14.3x350x137x(585－68.5)＋300x980(585－40)＋2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN•m
由計算結果可知經過加固，此梁的最大彎矩設計值比原來提高了13％。
3.3構造做法
為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側粘貼160mm寬U型箍1道,
在主次梁相交處每側粘貼160mm寬U型箍1道。
U型粘貼的粘貼高度宜取構件截面高度。對于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片
材壓條。[
考慮到碳纖維布多層粘貼時受施工現(xiàn)場影響的因素較大，建議受彎構件粘貼碳纖維布的
層數(shù)不應超過3層。
3、輔助材料的準備：專用滾筒，刮板，角向磨光機，剪刀，鑿子，榔頭，臺秤，丙酮
。
4、搭設腳手架：按安全規(guī)程要求搭設好腳手架，高度以方便施工為前提。
四、施工工藝
1、一般工藝流程為卸荷－基底處理－涂底膠－找平－粘貼－保護。
2、本工程加固施工中，應先鑿開保護層直至結構層基面，方可進行下一步處理。
3、基本施工步驟：
�。�1）基底處理：
①混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應予以鑿除，對于較大面
積的劣質層在鑿除后應用環(huán)氧砂漿進行修復。
②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，構件基面的混凝土
要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（
R≥20mm）。
�、埏L機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。
�。�2）涂底膠：
①按配合比主劑∶固化劑=3:1配置底膠。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20
－50mim內用完。
�、趯⒌啄z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6－24h。
（3）找平：
�、倩炷帘砻姘枷莶课粦眯扪a劑填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應用修補劑填補
，盡量減小高度差。
②轉角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補劑表面指觸干燥后
方可進行下一步工序。
�。�4）粘貼：
�、侔丛O計要求的尺寸裁剪碳纖維布。②調配、攪拌粘貼材料粘結劑（使用方法與底膠相
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。涂刷厚度
要比底膠稍厚。嚴禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。
�、壅迟N碳纖維布，在確定所粘貼部位無誤后，用特制工具反復沿纖維方向滾壓，去除氣
泡，并使粘結膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。多層粘
貼應重復上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。
�、茉谧詈笠粚犹祭w維布的表面均勻涂抹粘結膠。用工具反復沿纖維方向滾壓，并用刮板
刮涂碳纖維布表面粘結膠，使之均勻。
�、萏祭w維布沿纖維方向的搭接長度不得小于200mm。
（5）保護：加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進行保護。
（6）質量要求：
�、偬祭w維補強加固施工前，先對施工作業(yè)人員進行技術、安全交底教育，按設計要求訂
購碳纖維原材料及粘貼膠水（碳纖維原材料及粘貼膠水生產廠家應提供有關產品合格證及產
品技術檢驗合格證明）。
②對需要進行補強加固的梁、樓板按設計要求定位放線，確定粘貼碳纖維的位置并用磨
機對梁、樓板碳纖維粘貼面進行打磨，使粘貼面平整度不超過2㎜，對粘貼面剪口較大和凹
凸不平的位置采用聚合物水泥漿進行補平，確保碳纖維補強加固效果受力均勻，碳纖維粘貼
前，必須清理干凈粘貼面的灰塵、雜物等，油涂的粘貼膠水必須嚴格按照產品技術要求進行
配料、油涂及控制其作業(yè)間隔時間，碳纖維粘貼時，作業(yè)人員應根據(jù)膠水技術間隔時間進行
粘貼，粘貼時先由一端開始逐段鋪平壓實，保證碳纖維與梁、樓板粘貼面粘貼密實，不得留
有空隙。
�、蹏栏窨刂剖┕がF(xiàn)場的溫度和濕度。施工溫度在5－35℃范圍內，相對濕度不大于70％
。每一道工序結束后均應按工藝要求進行檢查，并做好相關的驗收記錄，如出現(xiàn)質量問題，
應立即返工。
�、苁┕そY束后的現(xiàn)場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主，用小錘等工具
輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結效果。如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實的現(xiàn)象，應采用針
管注粘結膠的方法進行補救。粘結面積若少于90％則判定粘結無效，需重新施工。
五、施工效果
本工程從設計到竣工投入使用只有不到六個月的時間，采用碳纖維加固的方式施工，從
準備到竣工只用了22天，沒有出現(xiàn)任何質量問題，施工效果良好，得到了設計單位、監(jiān)理單
位、業(yè)主的好評。
六、結語
工程實踐證明，采用碳纖維加固技術對于混凝土結構及構件的補強加固效果十分理想，
在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，該技術在施工工期、材料耐久性、施工質量等
方面均達到了業(yè)主的要求，其綜合經濟效益和社會效益良好，具有較大的推廣使用價值。 |
|
|
|
|
|
 |
