碳纤维加固设计施工中应注意的几个问题

碳纤维加固设计施工中应注意的几个问题　徐锋　２３００２２）　（安徽省城乡规划设计研究院，安徽合肥摘要：碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）加固技术被广泛应用于许多结构加固和工程改造中，有着其它结构加固材料无法比拟的优点。　文章就碳纤维加固设计施工中应注意的几个问题进行了探讨和介绍。　关键词：碳纤维；加固；设计；施工　中图分类号：ＴＵ５３２．９；ＴＵ５２８．５８２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－５７８１ｌ　２００６）０５—０４６４—０３　０　引　言　是桥梁和民用建筑或工业厂房，加固的方式包括抗弯　和抗剪，在进行抗弯加固时，碳纤维布的纤维方向与　梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，以提高梁的承　载能力，根据工程经验，只要该梁不是超筋梁，贴一层　可以提高承载３０％左右，贴两层可以提高４０％左右；　在进行抗剪加固时，碳纤维布的纤维方向与梁的轴向　垂直。对于柱子，碳纤维布是一种理想的加固材料，　因为碳纤维布的弹性模量是２．３×１０　ＭＰａ，延性较　好，在进行棱角打磨时一般只需要２０　ｍｍ左右。对　于板，一般对加固后的净空要求比较高，而且加固后　在土木工程中，由于建筑物使用功能改变、建筑　物灾害损伤、设计失误、施工或材料质量低劣等原因，　需要对建筑物进行补强和加固。传统的粘贴钢板、扩　大截面等加固方法［１　由于在使用上存在着局限性，正　逐步被碳纤维等新材料新技术的加固方法所取代。　碳纤维增强聚合物（Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒ简称ＣＦＲＰ，也称碳纤维增强塑料）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。　要不影响其外观，所以用很薄的碳纤维布进行加固是　一种理想的选择。对于烟囱、水塔，这样向高空发展　碳纤维增强聚合物是由含碳量较高，在热处理过　程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳　化处理及石墨化等工艺制成的一种特种纤维，其含碳　量随种类不同而异，一般在９０％以上。碳纤维具有　一的结构，加固维修特别困难，传统方法基本上很难解　决问题，而轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的碳纤　维布就是一种很好的选择。对于地铁、隧道，由于地　铁和隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力与　地面结构是不一样的，在洞顶和洞侧都有土压力的作　般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热　及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有　显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴　方向表现出很高的强度［２］。　用，而且它也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，传　统的加固方法可能性很小，用碳纤维布进行加固维修　就可以满足它的各方面要求。　采用碳纤维布加固具有以下优点：①抗拉强度　１碳纤维加固的优点　碳纤维加固技术作为一种新兴的混凝土结构加　固方法，由于碳纤维材料具有高强轻质、耐久性好、易　于施工等特点，已引起了国内外土木工程界的普遍关　注，并且被广泛应用于许多结构加固和工程改造中。　碳纤维布可以对结构工程中的梁、柱、板、烟囱、　水塔、地铁隧道等多种构件进行加固。对于梁，主要　收稿日期：２００６—０７—１８　高（碳纤维的抗拉强度高达３　６００　ＭＰａ，抗拉强度约　为二级钢的十几倍），效果好。②碳纤维耐腐蚀性　好，特别是耐强碱腐蚀，这点是其它材料不能比拟的，　加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性。由于　在海水中有较多的氯离子，因此海水对混凝土结构有　很强的腐蚀性，容易导致混凝土碳化，钢筋锈蚀膨胀，　所以在一些海港码头工程的加固及防护中，碳纤维布　作者简介：徐锋（１９７２一），男，安徽金寨人，安徽省城乡规划设计研究院工程师　４６４　《工程与建设》２００６年第２Ｏ卷第５期　维普资讯 http://www.cqvip.com

是最佳的选择。③碳纤维布抗冲击性能好（弹性模　量是２．３×１０　ＭＰａ），延性好（延伸率为１．６％～　２．１％）所以经常用它加固主航道的桥墩等一些对冲　击性要求很高的结构。④自重轻（约２００　ｇ／ｍ　），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；可广泛适用于各种结构类　易引起胶层不固化、固化很慢或固化后软硬程度不　一。施工中必须严格按比例配胶；配胶量较大或配胶　容器较深时，还应将胶液在两个容器问来回倾倒几　次，以保证胶液上下均匀一致；遵守国家有关规范，尽　可能避免在低温、高湿恶劣气候条件下施工；产品启　用后应注意密封并在最短时间内用完。　（２）用胶品种选择不正确、配胶比例不正确，固　化剂（Ｂ胶）用量过大、一次配胶量过大，涂刷不及时，　型、各种形状、各种结构部位的加固、修补且不改变　结构形状及不影响结构外观。⑤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。⑥施工工期短。　反应热不能及时释放、施工环境温度高容易引起胶液　固化过快，来不及施工。施工中应注意正确选用与施　工气温相适应的胶种、配胶必须按比例正确称量、减　少每次配胶数量，并注意加强搅拌、通风散热、配好的　胶液及时涂刷、采用宽口容器配胶，增加其散热面积、　２碳纤维加固设计中应注意的问题　（１）粘贴在构件表面的碳纤维不得直接暴露于　阳光或有害介质中，其表面应做防护处理。采用碳纤．　维加固混凝土结构构件，其长期使用的环境温度不应　高于６０￣Ｃ　ｃ　。　（２）碳纤维应贴于梁的受拉区，如需要贴于梁侧　面时，宜限于１／４梁高的范围，对侧面的碳纤维面积　应乘以折减系数。　（３）碳纤维粘贴层数不宜超过５层；对多层碳纤　维应考虑共同工作系数的折减，碳纤维层数过多将导　致混凝土结构的脆性破坏。　（４）碳纤维分条粘贴加固效果优于整幅粘贴。　（５）碳纤维粘贴应有可靠的锚固，锚固长度应通　过计算决定，必要时应另加锚固设施。　避开夏季中午高温时段施工，必要时可对胶液进行适　当的降温处理Ｌ４ｊ。　（３）搅拌不充分，造成未反应的成分在表面析　出、施工环境潮气重，涂膜上结霜、施工环境气温低，　反应过慢、构件表面低于环境温度，水气在表面集结，　被加固构件湿度大或混凝土未达到龄期会造成胶层　表面发粘（初凝时粘手）、发白（表面仿佛有一层云雾　不透明）或出汗（表面有一层油脂）的现象。施工前必　要时可对胶液进行加温处理或对配好的胶液进行熟　化处理、对加固构件进行加温、保温、除湿处理，尽可　能避免同时进行施工构件附近的大面积湿作业（如墙　面抹灰等）。　（４）混凝土基层表面凹凸不平，打磨、找平施工　不正确、一次粘贴的碳纤维布过宽且混凝土表面不　平、拐角弧度不一致则会引起碳纤维与基层产生空　鼓，影响碳纤维布的加固效果。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　（６）纤维布互相衔接（接长）的部位采取重叠结　构，重叠部分长度不小于１０　ｃｍ。　（７）被加固的混凝土结构构件，其现场实测混凝　土强度等级不得低于Ｃ１５，且混凝土表面的正拉粘结　强度不得低于１．５　ＭＰａ。　（８）粘贴碳纤维布应尽量避开障碍物，如遇无法　清除的障碍物而需截断时，在截断部位要予以适当处　理，具体措施应视不同情况而定。　修复。施工前必须将混凝土表面凸出部分打磨平整，　凹陷部分用找平胶修补平整，粘贴碳纤维时，应用刮　刀或滚筒在纤维表面沿同一方向（或始终从中问向两　边）涂刮、滚压，不得来回运动，尽量使用窄条碳纤维　布，打磨及找平时保证拐角弧度一致。若已出现空鼓　现象，可根据空鼓面积的大小进行胶液补注或切割重　贴。当碳纤维布的空鼓面积小于１０　０００　ｍｍ　时，可　采用针管注胶的方式进行补救，空鼓面积大于　１０　０００　ｍｍ　时，宜将空鼓处的碳纤维布切除，重新搭　接贴上等量的碳纤维布，搭接长度应不小于１００　ｍｍ。　（下转第４７０页）　《工程与建设》２００６年第２ｏ卷第５期４６５　（９）虽然碳纤维能承受很大的静载，但碳纤维不　适宜应用于承受反复荷载构件的加固。采用碳纤维　对混凝土结构构件进行加固时，尚应采取措施卸除或　大部分卸除作用在结构上的活荷载。　３碳纤维加固施工中应注意的问题　（１）配胶比例不正确（固化剂用量不足）或加错　材料、胶液搅拌不均匀、施工或固化环境温度过低，湿　度过大、产品储存条件差或储存时间过长而失效，容　维普资讯 http://www.cqvip.com

网的绑扎，再装定位网片安装波纹管，然后绑扎面层　钢筋。波纹管安装后，所有３　、４　、５　束钢绞线宜先　穿设在波纹管中，一则减小了混凝土浇筑后穿束的难　度，再则能更好的保证管道位置的准确，线型的平顺。　混凝土通过输送泵或吊车运至梁面，先浇筑梁端各　ｌＯ　ｍ范围内的桥面板，也即墩顶两侧的负弯矩区段。　待混凝土强度达到９Ｏ％后，张拉位于负弯矩区段桥　面板内的纵向预应力筋，并锚于桥面板的端部，最后　终形成连续体系。　４结束语　（１）施工方法简单，实现了桥梁施工的工厂化、　装配化，保证了施工质量，提高了施工效率和桥梁的　安全可靠性。　（２）施工过程中无需大量支架，并且极大减轻了　吊装重量，特别适用于跨越深谷地区的高架桥。　再浇筑剩余部分的桥面板。　一（３）减少了桥面接缝，降低了车辆行驶过程中的　颠簸，提高了行车的舒适程度。　（４）与同等跨径、同等截面尺寸的简支梁相比，　柏年河大桥采用的组合式连续梁的承载力更大，可减　联连续后，即可拆除临时支座，从而由简支体　系转变为连续体系，最后进行桥面系的施工。　３组合式连续梁的施工方法　（１）立模，浇筑预应力梁，待混凝土达到强度要　求后，张拉第一类预应力筋２和第二类预应力筋３，　其中第二类预应力筋３采用连接器进行张拉。　（２）安装临时支座，逐孔吊装、架设已预制好的　预应力梁。　小截面尺寸，降低自重，增大结构的跨径。可以说，其　综合了连续梁自身受力性能好与简支梁施工方法简　单的优点。　（５）柏年河大桥采用的这种新结构体系　］可广　泛应用于中小跨径的连续梁桥，具有推广应用价值。　［参考文献］　［１］范立础．预应力混凝土连续梁［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　１９８８．　（３）绑扎横隔板内的钢筋，浇筑横隔板，实现同　一跨的预应力梁的横向连续，也可以在横隔板内设置　预应力筋，张拉后以提高其横向刚度。　（４）绑扎桥面板钢筋网，安装定位波纹管，第二类　预应力筋３在张拉一次后，继续穿设在桥面板内的波　Ｅｚ；范立础．桥梁工程ＥＭ３．北京：人民交通出版社，２００１．　Ｅ３３邵旭东．桥梁工程［ＭＪ．武汉：武汉理工大学出版社，２００２．　Ｅ４３黄国斌．移动模架在东海大桥浅滩段现浇箱梁施工中的应ｆ｝】　［Ｊ］．世界桥梁，２００４，（增刊）：７４—７６．　［５］瞿尔仁，夏晓梅，殷永高，等．合安高速公路柏年河大桥单梁承载　力试验研究［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００１，２４（３）：　３４５—３４９．　纹管中，其余的波纹管内穿有直线的纵向预应力筋６。　（５）浇筑墩顶两侧负弯矩区段的桥面板５，待混　凝土强度达到要求后，张拉桥面板内的直线纵向预应　力筋６，以及二次张拉第二类预应力筋３，并均锚固于　负弯矩区段桥面板５的两端。　Ｅ６３李国红，蔡敏，瞿尔仁．混凝土连续梁桥的动态性能测试分析　［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００２，２５（６）：５２４—５２７．　（６）浇筑剩余部分的桥面板７；拆除临时支座，最　（上接第４６５页）　（５）碳纤维布粘贴完毕后２４　ｈ内严禁扰动，达　实践证明，用碳纤维增强聚合物进行结构加固改　造与其它方法（如粘钢、植筋、扩大截面等）相比，【大１其　到加固效果后严禁其它安装单位对碳纤维有任何的　人为损伤。　具有施工效率高、质量容易保证、不增加自重、无需定　期维护等优点，并且由于其性价比具有明显优势，相　信会越来越广泛地逐渐替代传统的其它加固技术　走向普及。　４结束语　碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术是近　年来兴起的一项新型加固技术。在土木工程中的应　用主要是利用树脂类黏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。该　［参考文献］　［１］柳炳康，吴胜兴，周安．工程结构鉴定与加固［Ｍ］．北京：，１・ｌ　建筑工业出版社，２０００．　［２］ＣＥＣＳ　１４６：２００３，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程ｒｓ］．　Ｅ３３　ＧＢ５３０６７－－２００６，混凝土结构加固技术规范Ｅｓ３．　Ｅ４３林科六．碳纤维布在结构加固工程中的应用［Ｊ］．红水河，２ｏ０６，　（１）．９３—９５．　项技术在我国起步很晚，但近年来发展十分迅速，在　众多领域得到了广泛的应用。　４７０　《工程与建设》２００６年第２ｏ卷第５期