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浅析交通银行大厦改造工程碳纤维加固技术的应用 |
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时间日期：2010-4-28 已被阅读次：[7300] |
佛山市工程承包总公司 曾德坤
[摘 要] 碳纤维增强聚合物是一种新兴的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领
域。近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展。较之传统的结
构加固方法，碳纤维加固技术是一种新型高效的加固修复技术，它具有高强、
高效、自重轻、施工便捷、使用面广等优点。碳纤维加固技术是利用改性环
氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从而达到结构补强及改
善受力性能的目的。在建筑业中有着广泛的发展前景。此项技术在美国、日
本等发达国家已成熟运用，在20世纪90年代后期国内才开始碳纤维加固技术
的研究与应用，虽取得了一定的成果，但至今尚未形成系统的理论。本文以
一个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，供同行参考。
[关键词] 改造工程 碳纤维复合材料 混凝土结构 加固技术
一、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，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，以
达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料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。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；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。
二、工程概况
1、建筑特征：交通银行大厦工程，位于佛山市禅城区季华五路30号，该工程为在原有
一至五层总高23.0m的建筑物内按照交通银行营业、办公楼的使用功能进行改造，原一至五
层曾经作为大型商场使用过，所以室内外已做一般装饰，其消防、水电、中央空调及电梯均
已安装。原2层地下室为停车场及总电房其功能不变，该改建工程由佛山市工程承包总公司
承建。
2、结构特征：现浇钢筋砼框架剪力墙结构，结构改建项目主要有：凿除局部框架梁、
板及部分楼梯；增加局部梁、板及部分楼梯；局部结构框架补强加固；封闭部分梯井楼板；
增设外围装饰构造柱，抗震设防烈度为7度，安全等级为二级。由于功能改变导致荷载增大
，原2层至5层局部梁将不能满足设计要求，需要加固。经过方案论证和经济技术可行性比较
，决定采用碳纤维复合材料进行加固，以提高楼板的承载能力，来实现结构满足使用功能要
求。
3、材料特性：目前，国内碳纤维材料及配套结构胶的生产厂家有多家，选购前应认真
了解材料的相关技术指标及操作说明，本工程使用辽宁省建设科学研究院生产的jgn－c胶（
底胶）及jgn－p胶（粘着胶），t700s型碳纤维布，各材料指标如表1～表3。
三、加固设计
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εcf<0.01。
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》（CECS 146:2003）[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A轴梁跨中为例
梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2 As0＇=980mm2
设计弯矩：Mu=510Kn•m 按原设计计算最大弯矩设计值：
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
本设计采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布3层（Acf=99.9mm2）, 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=0.8
18
[εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
界限相对高度：ξcfb=0.8Xεcu/(εcu＋[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033＋0.01)=0.19
85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＇＋Ecfεcf Acf
2)、 x=0.8εcu/εcu＋εcf
解得：ξcfbh=0.1985x650=129<χ≈137mm<ξbh0=329m; εcf =0.0051
根据规范公式4.3.2－1,
M=fcbx (h0－x/2)＋fy＇As＇ (h0－a`)＋ Ecf εcfAcf (h－h0)
=14.3x350x137x(585－68.5)＋300x980(585－40)＋2.3x105x0.0051x99.9x65=524kN•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13％。
3.3构造做法
为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴160mm宽U型箍1道,
在主次梁相交处每侧粘贴160mm宽U型箍1道。
U型粘贴的粘贴高度宜取构件截面高度。对于U型粘贴形式，宜在上端粘贴纵向碳纤维片
材压条。[
考虑到碳纤维布多层粘贴时受施工现场影响的因素较大，建议受弯构件粘贴碳纤维布的
层数不应超过3层。
3、辅助材料的准备：专用滚筒，刮板，角向磨光机，剪刀，凿子，榔头，台秤，丙酮
。
4、搭设脚手架：按安全规程要求搭设好脚手架，高度以方便施工为前提。
四、施工工艺
1、一般工艺流程为卸荷－基底处理－涂底胶－找平－粘贴－保护。
2、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。
3、基本施工步骤：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
（6）质量要求：
①碳纤维补强加固施工前，先对施工作业人员进行技术、安全交底教育，按设计要求订
购碳纤维原材料及粘贴胶水（碳纤维原材料及粘贴胶水生产厂家应提供有关产品合格证及产
品技术检验合格证明）。
②对需要进行补强加固的梁、楼板按设计要求定位放线，确定粘贴碳纤维的位置并用磨
机对梁、楼板碳纤维粘贴面进行打磨，使粘贴面平整度不超过2㎜，对粘贴面剪口较大和凹
凸不平的位置采用聚合物水泥浆进行补平，确保碳纤维补强加固效果受力均匀，碳纤维粘贴
前，必须清理干净粘贴面的灰尘、杂物等，油涂的粘贴胶水必须严格按照产品技术要求进行
配料、油涂及控制其作业间隔时间，碳纤维粘贴时，作业人员应根据胶水技术间隔时间进行
粘贴，粘贴时先由一端开始逐段铺平压实，保证碳纤维与梁、楼板粘贴面粘贴密实，不得留
有空隙。
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％
。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。
④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。
五、施工效果
本工程从设计到竣工投入使用只有不到六个月的时间，采用碳纤维加固的方式施工，从
准备到竣工只用了22天，没有出现任何质量问题，施工效果良好，得到了设计单位、监理单
位、业主的好评。
六、结语
工程实践证明，采用碳纤维加固技术对于混凝土结构及构件的补强加固效果十分理想，
在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，该技术在施工工期、材料耐久性、施工质量等
方面均达到了业主的要求，其综合经济效益和社会效益良好，具有较大的推广使用价值。 |
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