混凝土结构补强新技术论文.docx

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混凝土结构补强新技术论文

碳纤维补强技术在建筑工程改造中的应用

天津第四市政建筑工程有限公司

第一项目项目经理部

安鹏于洪涛

碳纤维补强技术在建筑工程改造中的应用

天津第四市政建筑工程有限公司第一项目部安鹏于洪涛

中文摘要：

碳纤维结构补强技术，是钢筋混凝土结构体外补强的一种新技术。

在国外已经成熟，并得到广泛认同，我们将该项技术应用于天津市政设计院办公楼改造工程中，取得了良好效果。

关键词：

碳纤维砼结构加固碳纤维片正拉粘结强度拉拔试验同条件混凝土试块抗压对比试验

一、碳纤维补强技术简介：

1．砼结构的损坏原因：

·设计不周、施工缺陷；

·年久老化；

·受酸、碱、盐侵害，风化、水的渗透、冻融循环；

以上原因直接导致砼风化、疏松、剥落、开裂和钢筋锈蚀，使结构物裂缝扩展、刚度降低、挠度增大，承载力削弱甚至丧失，以致结构物涉险服役，严重的不堪使用。

2、技术原理：

碳纤维补强的基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单项排列成束，用环氧树脂浸渍形成为碳纤维增强复合材料片材。

将片材用专门配制的环氧树脂粘贴在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维片即可与钢筋共同受力。

由于碳纤维片分担了荷载，就降低了钢筋的应力，而使结构得到加固补强。

3、碳纤维材料特性：

高强度碳纤维片的抗拉强度可达3400KN/mm2，比钢材高7～10倍。

弹性模量有2.35×105N/mm2至3.8×105N/mm2等几种，与钢筋相近或略高。

因此，有很好的与钢筋共同工作的性能。

由于采用了不同配比、性能各异的环氧树脂材料，可以使界面树脂渗入混凝土中，片材紧随构件外形粘结，粘结用的树脂材料有具有较高的粘结强度，能有效传递碳纤维片与混凝土两种材料间的应力，保证不产生界面的粘结剥离。

4．应用类型：

（1）公路、桥梁工程：

（2）建筑工程：

二、工程简介及方案选择、设计：

（一）工程简介：

本工程为某办公主楼改造及接建工程。

原建筑始建于1988年，为地上主体七层（局部八层），地下一层钢筋混凝土框架结构建筑。

由于建筑内部使用功能老化，而且业主拟在办公楼七层屋顶接建一层作为会议及娱乐使用，因而需对其主体进行拆改、加固、接层等工作。

（二）砼结构补强方案的确定：

1．碳纤维补强方法与传统补强方法的比较：

（1）传统补强方法的劣势：

传统补强方法主要有加大截面法、体外预应力法和外包钢筋法几种。

加大截面积法：

主要是将截面加宽、加厚、加高，以容纳新增钢筋。

此法很有效，但增加结构体积和自重，造成肥梁胖柱、施工工序繁多、用工多、施工期长，且要用大型机械，还必须有很大施工空间；

体外预应力法：

是在梁下加受拉弦杆，和立柱一起形成反拱架，补强效果好，但是结构高度增大很多；

外包钢板法：

难于紧贴原结构表面，且不耐腐蚀，必须定期防锈。

（2）碳纤维补强方法的优势：

·高强轻质的碳纤维；

·良好的防护效果；

·施工性能超群；

·卓越的防水、防腐蚀性能。

2．方案选择：

针对本工程的实际情况，并考虑到经济、效果等方面因素，决定综合采用碳纤维加固法和SCM砼结构加大截面法对原混凝土结构进行加固、改造。

3．碳纤维补强方案的设计：

（1）材料选择：

选用台湾安固公司提供的“AEC”系列碳纤维片材，其力学性能如下：

品名

单位面积重量

g/㎡

单层厚度

㎜

设计弹性模数

N/㎜2

设计抗压强度

N/㎜2

伸长率

（εμ）%

AEC-200

200

0.111

2.35×105

4200

1.7

AEC-300

300

0.165

2.35×105

4200

1.7

P5板材

1.3

1.68×105

3100

1.7

（2）加固方案：

在此次天津市政设计研究院办公楼碳纤维加固工程中，拟采用如下加固方案：

1混凝土框架梁抗弯及抗剪加固补强：

A.对设计承载力不足的主梁，采取在底部正弯矩区通长粘贴碳纤维片进行结构抗弯加固；

B.在主次梁相交处次梁两侧的主梁部位“U”型环包碳纤维片对框架梁进行抗剪加固补强。

2对混凝土框架柱进行抗剪加固补强

依据天津市房屋鉴定院提供的鉴定报告，采用等效代换的原则进行设计计算。

其碳纤维加固方案为：

在框架柱两端头部位环包碳纤维片进行抗剪加固补强。

（3）加固构件类型

1柱：

2梁：

3节点处理：

三、施工技术措施：

1、工艺流程：

原混凝土构件表面处理截面复原及不平整面修整底漆AEC补强贴覆养护复原

2、具体施工技术要求：

（1）原混凝土构件表面处理：

A.用砂轮机将砼表面劣化层除去；

B.以高压空气枪将粉尘及松动物质去除，并确保其充分干燥、表面平整无灰尘。

（2）截面复原及不平整面修整：

A.面层上有剥落、孔隙、蜂窝的部位要先研磨去除，再以高强腻子进行修复，而对于大区域凹洞处修补则以SCM无收缩水泥砂浆进行填补；

B.不平整面以砂轮机磨平。

（3）底漆：

A.将底漆的主剂、硬化剂和催化剂依规定配比均匀搅拌，一次搅拌量为在使用时间内施工量；

B.施工面以滚筒毛刷含浸底漆均匀涂布，涂布量随施工面的状况不同而定。

涂布次数依现场状况决定是否涂布第二道，涂布第二道时必须等第一道初干后；

C.底漆干燥时间约0.5~3小时。

（4）AEC补强贴覆：

A.涂布接着树脂前必须先确认底漆状况为干燥；

B.纤维贴片预先以所设计尺寸裁切；

C.将双组份粘合剂以所规定配比称重后均匀搅拌；

D.施工面以滚筒毛刷含浸接着树脂均匀涂布，其使用量随砼表面状况不同而斟酌使用；

E.将纤维贴片平顺的贴合在含浸树脂的涂布面，并以刮刀沿着纤维方向用力刮平以除去气泡和贴平贴片；

F.以硬橡胶滚轮沿着纤维方向来回滚压以充分含浸树脂和除去气泡；

G.纤维贴片搭接时，纤维方向交接处搭接长度必须大于10㎝。

（5）养护：

平均温度在20摄氏度以上，初期硬化养护时间约1天。

（6）复原：

A.待粘贴碳纤维完工后，现涂以积层用树脂，再喷洒砂或细石于其上，以增加表面覆着力；

B.待砂或细石沾粘于完工表面而且干燥后，即可进行粉饰层施工。

四、检测方案：

（一）、检测内容：

1、碳纤维片及配套环氧树脂的实验室抽样试验；

2、同条件混凝土试块抗压对比试验；

3、碳纤维片正拉粘结强度现场模拟拉拔试验。

（二）、具体检测方法：

1、碳纤维片及配套环氧树脂的实验室抽样试验：

施工进场后，在现场监理的监督下对工程中所采用的碳纤维片及配套环氧树脂进行现场取样。

将取样封存后由业主委托具有国家认证检测资质的检测单位对试样进行碳纤维片的抗压强度及环氧树脂的相关性能的检测试验。

其中主要包括：

碳纤维片的抗拉强度、抗拉弹性模量及延伸率，环氧树脂的粘结强度、弹性模量、拉伸剪切强度及拉伸强度等指标的检测。

并由检测单位出具检测报告。

2、同条件混凝土试块抗压对比试验：

现场制作两组C30的混凝土试块，进行同条件养护达到28天之后，在一组试块上依据碳纤维对混凝土柱的加固方式进行补强处理，养护7天后，再进行混凝土抗压强度试验；另一组砼试块作为对比。

经检测，碳纤维加固后的强度比未加固的混凝土试块的强度提高170%，满足本工程对加固后结构的使用要求。

3、碳纤维片正拉粘结强度现场模拟拉拔试验：

由天津市房屋鉴定院进行检测，采用现场模拟纤维布正拉粘结强度的方法进行，检测仪器为TJ-10型碳纤维粘结强度检测仪，检测部位为二层4轴~B轴，2轴~B轴的框架柱，共布置1个测组（4个测点）进行检测，破坏形式均为砼自身破坏，质量判定为：

合格标准。

五、工程实施效果：

碳纤维补强后的主体结构经业主、设计、监理三方验收，加固后的市政设计院办公楼除能更大限度地适应未来使用功能的要求外，还能提高结构的耐久性、安全性和整体结构的外观，总体实施效果良好。

随着碳纤维补强技术的优越性在工程领域得到普遍认同，这项技术的应用将会愈来愈广泛。

随着有关科研的发展，工程实践经验的积累，新应用领域的进一步探索与开拓，这项技术将更加成熟、更加完善。