改造工程中應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)初探
2015-05-22
碳纖維加固技術(shù)的特點(diǎn)
碳纖維加固技術(shù)是用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑將碳纖維布沿受拉方向或垂直裂縫方向粘貼在待補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，使貼片與原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同受力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪能力。碳纖維加固包括碳纖維布、板加固兩種。碳纖維加固具有諸多特性：一是抗拉強(qiáng)度高，在加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)可以提高其承載力，改善其受力性能。二碳纖維布自身重量輕，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。三使用碳纖維加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性。四施工方便快捷、省力節(jié)時(shí)、施工質(zhì)量易于保證。五碳纖維加固為柔性加固，不影響原主體結(jié)構(gòu)的剛度，不用考慮整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，只需對(duì)局部構(gòu)件進(jìn)行加固修復(fù)。
碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其注意事項(xiàng)
1. 碳纖維加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
碳纖維加固技術(shù)與傳統(tǒng)的加固方法加大混凝土截面或粘鋼混凝土補(bǔ)強(qiáng)相比具有如下優(yōu)越性：第一適用范圍廣，可用于不同類型的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如板、梁、柱、墻、節(jié)點(diǎn)等；可用于不同的受力形式加固，如抗彎和抗剪的加固，受壓構(gòu)件如柱子也可以通過(guò)環(huán)包的形式提高混凝土的約束，從而其抗壓強(qiáng)度；可用于不同類型的結(jié)構(gòu)如混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)。第二綜合造價(jià)低，碳纖維盡管材料單價(jià)較貴，但由于材料用量少、工期短、用工數(shù)量少，故總投資成本仍比較低。第三加固效率高和應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，施工時(shí)間短并且不需要大型的機(jī)械器具，施工工效比其它加固方法高，同時(shí)碳纖維布的材質(zhì)耐腐蝕，故能長(zhǎng)期使用，這對(duì)處于侵蝕性環(huán)境中的結(jié)構(gòu)耐久性十分有利。第四施工速度快和施工干擾小，小型的施工機(jī)械，操作起來(lái)簡(jiǎn)單；其施工占用場(chǎng)地少，且基本不增加既有結(jié)構(gòu)的截面, 故對(duì)原有房屋使用妨礙最小。
2. 碳纖維加固技術(shù)的注意事項(xiàng)
采用粘貼碳纖維片材進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)采取措施卸除或大部分卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。碳纖維加固不適用于素混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括縱向受力鋼筋配筋率低于國(guó)家現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的最小配筋率；且其加固的混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的環(huán)境溫度不應(yīng)高于60°C。
三、碳纖維加固在改造工程中的應(yīng)用及實(shí)例
在我國(guó)，碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，隨著加固工程的逐漸增多，新版混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的3.7章特定明確了即有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。
?。ㄒ唬┪覈?guó)國(guó)情對(duì)碳纖維加固技術(shù)的需要
我國(guó)建國(guó)后修建的大批房屋已接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，且由于以往的規(guī)范對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)耐久性重視不夠，使許多建筑“未老先衰”，必須對(duì)其采取有效措施，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固。
（二）建筑設(shè)施對(duì)碳纖維加固技術(shù)的需要
近年來(lái)隨著建筑使用功能日異復(fù)雜，一些建筑的原設(shè)計(jì)用途滿足不了新業(yè)主的要求，結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用活荷載會(huì)比原設(shè)計(jì)大，這時(shí)結(jié)構(gòu)就必須進(jìn)行局部加固才能滿足規(guī)范要求。
?。ㄈ┛拐鸺庸虒?shí)驗(yàn)解讀碳纖維加固技術(shù)的修復(fù)功能
隨著我國(guó)對(duì)抗震要求的逐漸提高，一些舊建筑滿足不了新的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家規(guī)定的一些重要建筑（如中小學(xué)校）需加固補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)碳纖維加固技術(shù)的加固和修復(fù)的實(shí)操過(guò)程和效果解讀，可以用一個(gè)抗震加固的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。用碳纖維材料包裹鋼筋混凝土柱，使纖維方向與柱軸線相垂直，可以有效提高柱的延性和承載力，增加其抗震耗能能力。另外，剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，其破壞形態(tài)主要是受彎延性破壞或受剪脆性破壞。用碳纖維來(lái)加固剪力墻，只要方法適當(dāng)，也可顯著提高其延性和承載力。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固是碳纖維材料應(yīng)用的一個(gè)有效領(lǐng)域。
?。ㄋ模?yīng)用及實(shí)例
近年來(lái)，我國(guó)碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用主要集中于工業(yè)和民用建筑，而且在北京、上海、天津、江蘇等地應(yīng)用較多。對(duì)其加固修復(fù)的效果，有諸多實(shí)例來(lái)說(shuō)明。在廈門安養(yǎng)中心立面改造工程中就使用了碳纖維布加固；其由于立面變化，外墻荷載增加較多，導(dǎo)致許多外圍框架梁配筋不足，現(xiàn)取一跨JWKL6示意，其左端支座原計(jì)算配筋值為6cm²實(shí)配3φ16（三級(jí)鋼），增加荷載后計(jì)算得出配筋值為10cm²，支座彎矩設(shè)計(jì)值為160KN/M²,已有梁配筋已經(jīng)不能滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行加固。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范的9.2.3條，考慮二次受力影響，可以計(jì)算得出梁支座需粘兩層碳纖維布，其厚度為0.167mm。加固圖表示如下圖：
四、碳纖維加固存在的缺點(diǎn)
碳纖維加固技術(shù)的雖然廣泛應(yīng)用，但其自身還存在了一些不足，主要如下1：用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，由于碳纖維本身屬預(yù)柔性材料，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)膠與被加固結(jié)構(gòu)粘結(jié)，要求被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C15，才有可能發(fā)揮碳纖維的加固效果，且混凝土表面處理要求比較嚴(yán)格。2：僅能提高梁的受拉、受剪承載力，受壓不能提高，當(dāng)梁受壓區(qū)高度不足時(shí)，不能加固。3：防火性能較差，僅靠外面的砂漿保護(hù)層防火。4：對(duì)施工人員的要求較高，施工時(shí)均要求專業(yè)施工隊(duì)伍。5：沒(méi)有相應(yīng)的比較成熟的計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)比較麻煩。
結(jié)語(yǔ)：
目前國(guó)內(nèi)采用的傳統(tǒng)加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)比較落后,施工方法比較復(fù)雜, 設(shè)備繁多且受場(chǎng)地因素限制。碳纖維加固技術(shù)在這一領(lǐng)域的使用還較少，有很大的開發(fā)潛力。隨著《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》GB/T 20490-2008及混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范（2006版）執(zhí)行，規(guī)范對(duì)碳纖維布加固設(shè)計(jì)做了詳細(xì)規(guī)定，這些都將有利于碳纖維加固技術(shù)的推廣。
