改造工程中应用碳纤维加固技术初探
2015-05-22
碳纤维加固技术的特点
碳纤维加固技术是用环氧树脂粘结剂将碳纤维布沿受拉方向或垂直裂缝方向粘贴在待补强结构上，使贴片与原有结构构件共同受力，从而提高结构的抗弯、抗剪能力。碳纤维加固包括碳纤维布、板加固两种。碳纤维加固具有诸多特性：一是抗拉强度高，在加固修补结构构件时可以提高其承载力，改善其受力性能。二碳纤维布自身重量轻，基本不增加结构自重及截面尺寸。三使用碳纤维加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性。四施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证。五碳纤维加固为柔性加固，不影响原主体结构的刚度，不用考虑整体结构的应力重分布，只需对局部构件进行加固修复。
碳纤维加固技术的优势及其注意事项
1. 碳纤维加固技术的优势
碳纤维加固技术与传统的加固方法加大混凝土截面或粘钢混凝土补强相比具有如下优越性：第一适用范围广，可用于不同类型的混凝土结构构件，如板、梁、柱、墙、节点等；可用于不同的受力形式加固，如抗弯和抗剪的加固，受压构件如柱子也可以通过环包的形式提高混凝土的约束，从而其抗压强度；可用于不同类型的结构如混凝土构件、钢结构、木结构。第二综合造价低，碳纤维尽管材料单价较贵，但由于材料用量少、工期短、用工数量少，故总投资成本仍比较低。第三加固效率高和应用时间长，施工时间短并且不需要大型的机械器具，施工工效比其它加固方法高，同时碳纤维布的材质耐腐蚀，故能长期使用，这对处于侵蚀性环境中的结构耐久性十分有利。第四施工速度快和施工干扰小，小型的施工机械，操作起来简单；其施工占用场地少，且基本不增加既有结构的截面, 故对原有房屋使用妨碍最小。
2. 碳纤维加固技术的注意事项
采用粘贴碳纤维片材进行结构加固时，应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载。碳纤维加固不适用于素混凝土结构构件，包括纵向受力钢筋配筋率低于国家现行混凝土结构设计规范规定的最小配筋率；且其加固的混凝土结构长期使用的环境温度不应高于60°C。
三、碳纤维加固在改造工程中的应用及实例
在我国，碳纤维加固技术的应用领域比较广泛，随着加固工程的逐渐增多，新版混凝土结构设计规范的3.7章特定明确了即有结构的设计原则。
（一）我国国情对碳纤维加固技术的需要
我国建国后修建的大批房屋已接近设计基准期，且由于以往的规范对建筑的结构耐久性重视不够，使许多建筑“未老先衰”，必须对其采取有效措施，对结构进行修复加固。
（二）建筑设施对碳纤维加固技术的需要
近年来随着建筑使用功能日异复杂，一些建筑的原设计用途满足不了新业主的要求，结构的实际使用活荷载会比原设计大，这时结构就必须进行局部加固才能满足规范要求。
（三）抗震加固实验解读碳纤维加固技术的修复功能
随着我国对抗震要求的逐渐提高，一些旧建筑满足不了新的抗震设计标准，国家规定的一些重要建筑（如中小学校）需加固补强。对碳纤维加固技术的加固和修复的实操过程和效果解读，可以用一个抗震加固的实验来说明。用碳纤维材料包裹钢筋混凝土柱，使纤维方向与柱轴线相垂直，可以有效提高柱的延性和承载力，增加其抗震耗能能力。另外，剪力墙作为主要抗侧力构件，其破坏形态主要是受弯延性破坏或受剪脆性破坏。用碳纤维来加固剪力墙，只要方法适当，也可显著提高其延性和承载力。因此，钢筋混凝土结构的抗震加固是碳纤维材料应用的一个有效领域。
（四）应用及实例
近年来，我国碳纤维加固技术的应用主要集中于工业和民用建筑，而且在北京、上海、天津、江苏等地应用较多。对其加固修复的效果，有诸多实例来说明。在厦门安养中心立面改造工程中就使用了碳纤维布加固；其由于立面变化，外墙荷载增加较多，导致许多外围框架梁配筋不足，现取一跨JWKL6示意，其左端支座原计算配筋值为6cm²实配3φ16（三级钢），增加荷载后计算得出配筋值为10cm²，支座弯矩设计值为160KN/M²,已有梁配筋已经不能满足规范要求，需进行加固。根据混凝土结构加固设计规范的9.2.3条，考虑二次受力影响，可以计算得出梁支座需粘两层碳纤维布，其厚度为0.167mm。加固图表示如下图：
四、碳纤维加固存在的缺点
碳纤维加固技术的虽然广泛应用，但其自身还存在了一些不足，主要如下1：用碳纤维进行加固时，由于碳纤维本身属预柔性材料，需要通过结构胶与被加固结构粘结，要求被加固结构构件混凝土强度等级不得低于C15，才有可能发挥碳纤维的加固效果，且混凝土表面处理要求比较严格。2：仅能提高梁的受拉、受剪承载力，受压不能提高，当梁受压区高度不足时，不能加固。3：防火性能较差，仅靠外面的砂浆保护层防火。4：对施工人员的要求较高，施工时均要求专业施工队伍。5：没有相应的比较成熟的计算软件，设计人员设计比较麻烦。
结语：
目前国内采用的传统加固补强技术比较落后,施工方法比较复杂, 设备繁多且受场地因素限制。碳纤维加固技术在这一领域的使用还较少，有很大的开发潜力。随着《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008及混凝土结构加固设计规范（2006版）执行，规范对碳纤维布加固设计做了详细规定，这些都将有利于碳纤维加固技术的推广。
