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碳纖維在某通信機房加固中的應用論文
摘要：碳纖維增強聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡稱CFRP）是一種新興的高強材料，最早應用于航空航天等高科技領域。近年來在土木工程領域中的研究與應用得到了迅速發展。較之傳統的結構加固方法，碳纖維加固技術是一種新型高效的加固修復技術，它具有高強、高效、施工便捷、使用面廣等優點。碳纖維加固技術是利用改性環氧樹脂類膠結材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達到結構補強及改善受力性能的目的。此項技術在美國、日本等發達國家已成熟運用，在20世紀90年代后期國內才開始碳纖維加固技術的研究與應用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統的理論。
關鍵詞：碳纖維 加固
1、工程概況
隨著通信事業的迅速發展，各地通信公司相繼增設了一批通信機房。因通信設備荷載較大，一般民用建筑達不到使用要求。為確保使用安全，需對原建筑進行結構驗算、結構加固等工作。某通信公司傳輸機房位于一辦公樓三層樓面上，機房使用活載（6.0KN/m2）超過原辦公樓使用活載2.5 KN/m2。原樓面結構為主次梁現澆板體系（混凝土強度等級C40，板受力筋為Ⅰ級鋼筋，梁受力筋為Ⅱ級鋼筋）。結構驗算表明，樓板無需加固，而主次梁正截面需進行加固。經過方案論證和經濟技術可行性比較，并征得業主的同意，決定采用碳纖維復合材料進行加固。
2、材料特性
⑴本工程使用了日本進口的碳纖維布（ST200），其主要性能指標見表1。
表1 碳纖維布主要性能指標
型號
單位面積質量
（g·cm-2）
設計厚度
mm
設計抗拉強度
fcf / MPa
彈性模量
Ecf / MPa
ST200
200
0.111
3400
2.3×105
⑵粘貼用樹脂采用國產JGN型建筑結構膠，其主要性能指標見表2
表2 JGN型建筑結構膠主要性能指標
種類
拉伸強度
MPa
壓縮強度
MPa
剪切強度
MPa
適用溫度
℃
可使用時間
min
基底樹脂
（JGN-E）
-
-
-
0～38
15～30
修補樹脂
（JGN-F）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞40
粘結樹脂
（JGN-D）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞60
3、加固設計
3.1基本假定
用碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計算與普通混凝土梁有所不同，其基本假定為：（1）受拉區混凝土的作用忽略不計；（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；（3）碳纖維材料采用線彈性應力-應變關系：σcf=Ecf×εcf。因本工程建成后未經裝修使用，加固設計時忽略碳纖維二次受力的影響。
3.2設計方法
3.2.1實用公式
根據極限狀態應力應變關系，由平衡條件可得：
當≥2a’時，
fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (1)
Mu≤ σcfAcf (h-/2)+ fyAs (h0-/2)- fy’As’ (/2-as’)
當<2a’時，
fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (2)
Mu≤ σcfAcf (h- as’)+ fyAs (h0- as’)
3.2.2規程公式
根據《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》的規定，當混凝土受壓區高度x≤cfbh時，其極限彎矩：
Mu≤fyAs (h0- 0.5gcfbh)+Ecf[εcf ]·Acf（1-0.5cfb） (3)
其中，界限相對受壓區高度：
cfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）
3.3次梁加固設計
次梁截面：b×h=400mm×500mm，As =As’=1018mm2
截面彎矩：Mu=242Kn·m
3.3.1按實用公式計算
首先估算混凝土受壓區高度≈12mm<2as’
根據公式(2),解得:
Acf=53.1mm2
3.3.2按規程公式計算
界限相對高度：
cfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985
≈12mm<cfbh=89.3mm
根據公式（3），解得：
Acf=51.7mm2
3.3.3設計結論
兩種計算結果相比較，其誤差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程設計誤差許可范圍之內。
采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布兩層（Acf=66.6mm2），可滿足設計和使用要求。
3.4主梁加固設計
主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2 ，As’=1960mm2
極限彎矩: Mu=450Kn·m
3.4.1按實用公計算
首先估算混凝土受壓區高度: ≈29.5mm<2as’
根據公式(2),解得:
Acf=112.1mm2
3.4.2按規程公式計算
界限相對受壓區高度:
cfb=0.1985
≈29.5mm<cfbh=89.3mm
根據公式(3),解得: Acf=109.3mm2
3.4.3設計結論
兩種計算結果相比較,其誤差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程設計誤差許可范圍之內。
采取在梁底粘貼400mm寬碳纖維布3層（Acf=133.2mm2），可滿足設計和使用要求。
3.5構造做法
為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側粘貼100mm寬U型箍3道,在主次梁相交處每側粘貼100mm寬U型箍兩道。
1－柱邊3個U型箍，寬100mm，間距100mm；2－次梁每側2個U型箍，寬100mm，間距100mm；3－碳纖維3層
4、加固施工
4.1施工準備
粘貼碳纖維加固工藝,施工質量至關重要,直接關系到加固效果的好壞。為確保工程質量，工程開工前對每個施工環節、環境因素、人員素質進行了細致周密的考慮，對施工現場進行了清理。
4.2施工步驟
⑴清除加固梁底及U型箍處吊筋等障礙物。
⑵用砂輪機將粘貼部位打磨平整，U型箍轉角處打磨成R≥20mm的圓弧狀，用吹風機清除浮塵并刷丙酮去脂。
⑶涂刷基底樹脂（JGN-E）使其滲透至混凝土內部，以提高混凝土與碳纖維之間的粘結力。
⑷用整平材料補樹脂（JGN-F）修復，填補不平整部位。
⑸涂刷粘結樹脂（JGN-D），隨即開始粘貼碳纖維布，多層粘貼時重復步驟（5）。
⑹粘貼完最后一層碳纖維布后再涂刷一道粘結樹脂（JGN-D）。
4.3施工要點
因為通迅公司傳輸房屬城市生命線工程中的重點部位，加之本工程加固工作量大，在施工中特別注意以下幾點：
⑴混凝土與碳纖維布之間界面處理和好壞直接影響到混凝土梁的加固效果。因此梁底面及U型箍處必須反復打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷處用修補膠找平。
⑵粘貼碳纖維布時必須兩人密切配合，一人拉緊碳纖維布，一人用刮板從一側邊刮邊貼，保證不留氣泡，粘貼緊密。實踐證明，刮板粘貼碳纖維布效果很好，碳纖維布空鼓率基本為零。
⑶注意搭接區粘貼，做好標記，保證搭接長度≥150mm。
經現場錘測及邵氏硬度計測試，施工質量達到優良，取得了良好的加固效果。
5、結語
工程實踐證明，CFRP加固技術對于混凝土結構及構件的補強加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，該技術在施工工期、材料耐久性、施工質量等方面均達到了業主的要求，其綜合經濟效益和社會效益良好，具有較大的推廣使用價值。
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