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  • 1　前言 碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。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，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心引进开发了此项目，并在全国建筑加固与鉴定第四届学术会议上获奖。 2　特点 2.1高强高效，适用面广，质量易保证。 2.2施工便捷，工效高，没有湿作业，不需现场固定设施，施工占用场地少。 2.3耐腐蚀及耐久性能极佳。 2.4加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸。 3　适用范围 3.1适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。 3.2基层混凝土的强度等级不低于C15。 4　工艺原理 　加固机理是将碳纤维布采用高性能的环氧类粘结剂粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。 5　工艺流程及操作要求 　工艺流程为卸荷→基底处理→涂底胶→找平→粘贴→保护。 5.1卸荷　　加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。 5.2基底处理 5.2.1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。 5.2.2裂缝部位应首先进行封闭处理。 5.2.3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≥10mm)。 5.2.4用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。 5.3涂底胶(FP胶) 5.3.1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。 5.3.2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。 5.4找平 5.4.1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。 5.4.2转角处也应用FE胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10mm。 5.5粘贴 5.5.1按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度一般应在3m之内。 5.5.2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。 5.5.3粘贴碳纤维布，在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸，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。 5.5.4在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹FR胶。 5.5.5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。 5.6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。 6　材料 　　碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构所用材料主要为碳纤维材料与粘贴用树脂。材料及性能指标见表1～6。 表1　结构加固修补用碳纤维材料(CFRP)主要性能指标 抗拉强度 (MPa) 弹性模量 (MPa) 延伸率 (％) 密度 (g/cm3) 耐腐蚀性 浸透性 均匀度 3000左右 ≥2.1×105 1.5 1.8 优 良好 良好 表2　日本常用CFRP性能指标 纤维品种 T700SC (UT70－20) T700SC (BT70－30) T700SC (UT70－30) FTS－C1－30 FTS－C7－30 纤维方向 单方向 单方向 双方向 单方向 单方向 单位面积重量(g/m2) 200 300 300 300 300 密度(g/cm3) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 设计厚度(mm) 0.111 0.167 经向：0.083 纬向：0.083 0.167 0.143 抗拉强度(MPa) 3500 3500 经向：3000 纬向：3000 3550 2500 弹性模量(MPa) 2.35×105 2.35×105 2.35×105 2.35×105 5.0×105 表3　粘贴CFRP用树脂主要技术性能指标 抗拉强度 (MPa) 抗剪强度 (MPa) 粘贴强度 (MPa) 适用温度 (℃) 可使用时间 (min) 30 10 2.0 5～35 20～120 表4　碳纤维布的物理力学性能指标 碳纤维布材料名称 纤维重量 (g/m2) 设计厚度 (mm) 设计抗拉强度 (MPa) 弹性模量 (MPa) FTS－C1－20 FTS－C1－30 FTS－C5－30 200 300 300 0.111 0.167 0.165 3550 3550 3000 2.35×105 2.35×105 4.00×105 表5　胶的物理力学性能指标 类型 粘度 (MPa.s) 拉伸强度 (MPa) 压缩强度 (MPa) 拉伸剪切强度 (MPa) 正拉粘结强度 (MPa) FP 0.800～1.600 　 　 　 ≥5 FE 　 　 ≥50 ≥10 　 FR 3.00～5.00 ≥25 ≥60 ≥10 　 表6　胶的施工工艺性能指标 类型 适用期 (min) 干燥时间 (h) 硬化时间 (h) FP ≥45 ≤12 　 FE ≥40 　 　 FR ≥40 　 ≤12 7　机具设备 　　施工机具为混凝土角磨机6台，吹风机4台，剪刀2把，滚子6把，錾子2把，灌浆设备1套。具体数量可视施工工期及施工面积确定。 8　劳动力组织及安全 8.1劳动力组织视施工工期及施工面积确定班组数，每班组10～12人，其中管理人员4人(工长、技术、质量、安全各1人)，专业工人6～8人。每工日完成7～10m2。 8.2粘贴碳纤维布的安全规定如下。 8.2.1裁剪及使用碳纤维布时应尽量远离电源，尤其是高压电线及输电线路。 8.2.2碳纤维布的配套用胶要远离火源，避免阳光直接照射。 8.2.3现场施工人员应穿工作服，同时还须佩戴口罩和手套，施工人员严禁在现场吸烟。 8.2.4配制及使用胶的场所必须保持良好的通风。 8.2.5与施工配套的脚手架要有足够的安全性。高空作业须佩戴安全带。 9　质量要求 　　国外一些国家已有了较完善的标准规程，但不适合中国。目前国内尚无标准规范，检查验收以企业标准为依据。 9.1工程验收时必须有碳纤维布及其配套胶生产厂家所提供的材料检验证明。 9.2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。 9.3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，应采用针管注胶(FR)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。 9.4对于碳纤维布粘贴面积在1000m2以上的工程，为检验其加固效果，应与甲方协商进行荷载试验，其结构的变形等各项指标均应满足国家规范规定的设计及使用要求。 9.5大面积粘贴前需做样板，待有关方面验证后，再大面积施工。为确保碳纤维布与混凝土间的粘结质量，基底处理必须严格按下列要求执行：先检查要加固的部位本身是否有空鼓现象，再进行表面检查，最后对不符合要求的部位采取相应的措施。 9.6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％。 10　经济指标 　　碳纤维加固费用为2000～2300元/m2。其中材料费约1400元/m2，基底处理费约15元/m2。 11　应用实例 11.1某8层框架结构　　某8层新建框架结构，建成后使用功能即发生变化：一、二层改做生产车间，布置较重的设备荷载；一、二、三层两端空调机房荷载也较原设计有所增加。按照增加后的荷载对结构整体验算结果表明：一、二、三层楼部分梁跨中受弯承载力不足，空调机房单跨梁，除跨中抗弯承载力集中放置，顶板抗弯承载力也不足，均需进行加固。由于结构加固完成后尚需进行整体装修改造，工期要求很紧。业主对建筑物的有效使用空间、施工的影响面、加固材料的耐久性及外观等均有较高的要求，综合比较多种加固方案，各方均认为采用粘贴碳纤维布加固方法最为适宜。 11.1.1加固方案　　加固材料采用日本进口的FTS－C1－30型碳纤维布及配套胶种，包括底层胶、不平整修补材料及粘贴树脂。 11.1.2梁的加固　　梁跨度9m，截面b×h=300mm×950mm，其中20根梁跨中抗弯强度不足，5根梁抗剪强度略有不足。根据计算分析，梁加固方案分为两类：　　(1)LG－1，梁受弯承载力需提高5％，沿梁底面通长粘贴一层宽250mm的碳纤维布；　　(2)LG－2，梁受弯承载力需提高23％，沿梁底通长粘贴两层宽300mm的碳纤维布，梁端1500mm区域及次梁两侧粘贴U形碳纤维布箍进行抗剪加固，U形箍两端外贴200mm宽压条进行锚固。抗剪加固设计参考日本有关设计方法，加固设计作法见图1。 图1　某8层框架楼梁加固设计 1－次梁；2－200mm宽碳纤维压条，l=400mm；3－通长粘碳纤维二层； 4－一层碳纤维U形箍；5－200mm宽碳纤维压条，l=1050mm；6－柱 11.1.3板的加固　　地下室顶板一个开间因局部承载力要求，原跨度6.3m的预应力圆孔板受弯承载力需提高约30％。根据计算，加固方案采用每块板底面通长粘贴两条宽200mm碳纤维布1层(图2)。 图2板抗弯加固图 11.2北京民族文化宫　　北京民族文化宫始建于1959年(北京十大建筑之一)，经40年的使用，大部分结构已无法满足抗震安全和使用要求，决定进行抗震加固改造，其中Ⅳ段屋架经国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心检测、评估，屋架有多根主要受力杆件(如上下弦杆、端斜杆等)承载力不符合国家现行规范要求，屋架支撑系统不能满足《建筑抗震鉴定标准》(GB50023－95)中结构8度抗震设防要求，已影响到屋架系统的安全。由于工期紧，操作空间小，节点复杂，并且要求加固后不能增加屋架自重，经过多方讨论认为粘贴碳纤维布加固方法最为适宜。　　加固用材料为日本东燃株式会社生产的FTS－C1－20型碳纤维布及配套树脂FP－NS、PE－Z、PZ－B、FR－E3P。屋架下弦处用碳纤维加固一层，支座节点处用碳纤维双层缠绕，斜腹杆用碳纤维双层四面缠绕。
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