碳纤维加固设计规范.docx

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碳纤维加固设计规范

碳纤维加固设计规范

篇一：

混凝土结构碳纤维加固规范混凝土结构碳纤维加固规范

（本文由：

上海鼎峰加固工程整理）

利用高强非金属纤维类材料，如碳纤维、玻璃纤维等对结构进行加固的方法，具有耐久性好，施工简便，不加大截面，不增加荷载，外形美观等优点，已成功用于多种结构的抗震、抗弯和抗剪加固。

但是，碳纤维加固方法也有其适用范围，本文通过几个工程实例，分析用碳纤维加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。

1、碳纤维用于抗震加固

试验研究表明，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[1]。

另外，剪力墙作为主要抗侧力构件，其破坏形态不外乎受弯延性破坏（中高剪力墙）或受剪脆性破坏（低剪力墙）。

将碳纤维用于加固剪力墙，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。

但应指出，用碳纤维对柱或剪力墙进行加固时，由于碳纤维本身属预柔性材料，通过结构胶与被加固结构粘结，这就要求被加固结构混凝土须满足一定的强度要求，才有可能发挥碳纤维的加固效果。

以下以实际工程为例说明碳

纤维加固钢筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。

工程概况和加固方案

某多层钢筋混凝土框架结构，施工验收时发现有9根框架柱混凝土强度不能满足设计要求，致使轴压比过大，无法满足轴压比限值所需的延性要求，对此确定采用碳纤维布对柱进行包裹的加固方案。

其理由一方面是碳纤维的包裹对柱混凝土产生环箍作用，可在一定程度上提高混凝土的轴心抗压强度；另一方面，碳纤维对柱的横向约束作用还可显著提高柱在水平荷载下的延性，满足轴压比的延性要求。

加固材料采用美国赫氏单向碳纤维布环氧复合材料。

通过对承载力和延性的计算，对强度较低的3根柱采用沿整个柱高范围包裹3层碳纤维布的方案，对其他6根柱采用沿整个柱高度范围内包裹2层碳纤维布的方案。

加固承载力和延性分析

经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。

原结构为800㎜×800㎜框架柱，层高。

根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪承载力的提高可按下式计算[2]：

VCFS=νρCFSfCFSbho

对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为：

VCFS=2νtfCFSho

式中，t为包裹的碳纤维厚度，fCFS为碳纤维的极限抗拉强度，ho为混凝土截面有效高度，ν为碳纤维布受剪系数，按下式计算：

式中n为轴压比，λ为剪跨比，λsv+λCFS为总配箍特征值。

设计混凝土强度为C40，按此计算，单根柱的抗剪承载力应为1312KN。

对强度较低的3根柱，最低混凝土强度为，未加固时的抗剪承载力为1031KN。

包裹3层碳纤维，可算出承载力提高值为319KN，则加固后总承载力为1350KN，高于设计承载力。

对另6根柱，最低混凝土强度为35Mpa，未加固时的抗剪承载力为1209KN。

包裹2层碳纤维，可算出承载力的提高值为246KN，加固后总承载力为1455KN，也高于设计承载力。

根据有关试验结果，当轴压比确定时，碳纤维加固柱延性系数μ随强剪弱弯系数Vs/VM基本呈线性增长。

当轴压比为时，有如下拟合公式[3]：

μ=-+/VM

由上式可见，碳纤维抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系数就越大。

另外，根据文献[4]，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比有如下关系：

上式表明，当轴压比增大时，为保持延性系数不变，

应适当增加配箍率。

按保守估算，对本工程假设由于混凝土强度降低导致柱轴压比增大值为，则对应所需的配箍特征系数增量为，而本加固方案新增碳纤维配箍特征系数为，完全能满足要求。

由上述分析可见，当用碳纤维加固钢筋混凝土柱以提高抗震能力时，应根据承载力和延性指标确定碳纤维布的用量。

2、碳纤维用于楼板抗弯加固

碳纤维材料由于具有很高的抗拉强度，可以用于混凝土构件的抗弯加固。

碳纤维用于抗弯加固时，纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向，另外，计算加固结构的抗弯承载力时，也应考虑对碳纤维极限强度的折减。

下面以工程实例说明碳纤维抗弯加固方法。

工程概况

某现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，原楼板厚120㎜，现拟在其上增加一大型鱼缸。

重，鱼缸底座尺寸×（图2）。

由于新增荷载较大，须对原结构进行加固。

内力分析

鱼缸合力作用点离剪力墙轴线。

内力计算采用有限元法，将楼板按1m宽板带划分为若干单元。

原结构荷载中，

恒载考虑板的自重，装修层按水磨石地面考虑，活载标准值取/㎡。

剪力墙部位对板带的约束按固定支座考虑，柱对梁的约束亦按固定支座考虑，梁板节点按刚接计算。

主要内力计算结果说明如下。

⑴在鱼缸作用下，板的弹性挠度为㎝左右，满足正常使用要求，但前提是板的抗弯能力能够抵抗新增的荷载。

⑵放置鱼缸部位的楼板在剪力墙部位新增的负弯矩为·m，在板跨中部位新增的正弯矩为·m，而原结构所能抵抗的弯矩基本与原荷载持平。

板的抗剪能力也足以承担新增荷载。

⑶梁L10在与梁ZL3相交的部位，其负弯矩也超出抗弯能力·m，梁L10的跨中正弯矩超出·m。

根据上述计算结果，原结构在鱼缸作用下抗弯能力不足，可采用碳纤维结合粘钢加固。

加固方案

首先，楼板负弯矩区在剪力墙部位需要加固，由于碳纤维不易锚固，故采用粘钢板加固法，本文不予详述。

对于楼板正弯矩区，可采用粘贴碳纤维布的方法加固。

研究表明，一方面，当加固碳纤维布用量较大时，在楼板承载力极限状态所能达到的强度较低，无法充分发挥其强度；另一方面，若减少碳纤维材料用量，其在承载力极限状态

可达到较高的应力，但由于碳纤维弹性模量与钢材接近，在正常使用极限状态下板就可能由于挠度过大而破坏。

另外，碳纤维材料易发生脆性破坏，强度也应按保守取值。

加固板的抗弯承载力按平衡条件计算，根据文献[5]，碳纤维材料的极限拉应力取为极限强度的一半。

根据计算结果，拟沿短跨方向粘贴双层200㎜宽纤维布，每两块纤维布间净距也为200㎜，加固方案.

3、碳纤维加固方法的适用性

如上所述，碳纤维可成功地用于混凝土结构的抗震、抗剪和抗弯加固。

但应该指出，由于碳纤维加固结构固有的一些受力特点，许多混凝土结构问题不适于用碳纤维进行加固，因此有必要对其适用性作出分析。

刚度问题

当混凝土楼、屋盖结构由于刚度不足，导致变形过大、开裂严重而影响使用时，不适合用粘贴碳纤维布的方法加

固。

研究表明，对于梁、板等横向受力构件，当用碳纤维进行加固时，在正常使用极限状态，碳纤维对结构刚度的提高作用小于10%，或基本没有提高。

碳纤维抗弯加固的适用范围

当混凝土结构由于抗弯承载力不够，采用碳纤维布进行加固时，加固结构的破坏形态一方面取决于原结构的配筋情况，另一方面取决于碳纤维的用量。

现假设原结构为

适筋构件，则加固结构的破坏形态可分为如下三种情况。

⑴碳纤维用量较少。

破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可以达到较高的拉应变。

⑵碳纤维用量适中。

破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可达到某一中等拉应变。

⑶碳纤维用量较多。

破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维应变很低。

上述三种情况，第三种情况由于碳纤维用量大且强度利用率低，不宜采用。

第一种加固方法适用于截面高度较大的梁，第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。

这主要是由于对板或扁梁而言，在碳纤维未达到很高的拉应变时，结构就可能由于变形过大而破坏。

具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。

抗扭问题

关于用碳纤维材料进行混凝土结构的抗扭加固，目前国内外进行的研究很少。

从混凝

土结构的受扭破坏机理上看，不论使碳纤维的纤维方向垂直于轴线，还是平行于轴线，均可以约束扭转斜裂缝的发展，起到一定的加固效果。

但是，由于用碳纤维进行加固时，一方面构件裂缝已经形成，裂缝分布已经确定；另一方面由于碳纤维的极限应变可高达10000με以上，而普通钢筋应变不到XXμε

即已屈服，若应变加到4000με以上时混凝土裂缝宽度已开展很大，必然开始向其他表面发展，结构即已接近破坏，而此时碳纤维所能达到的应力可能还很低，因此碳纤维加固受扭构件的效果有必要通过进一步研究确定。

4、结论

⑴碳纤维加固法可用于对混凝土结构抗弯、抗剪和抗震加固，但各有适用范围。

计算承载力时，应根据试验结果考虑碳纤维强度的折减。

⑵碳纤维加固法不适于混凝土结构由于刚度不足，变形过大，在正常使用极限状态的加固。

当用于抗扭加固时，虽能起一定的作用，但并不经济，需通过进一步试验研究确定。

篇二：

碳纤维加固技术规程前言

根据中国工程建设标准化协会（98）建标协字第13号文《关于下达1998年第二批推荐性标准编制计划的函》的要求，制订本规程。

本规程包括总则、术语和符号、材料、加固设计方法和构造要求、施工、检验及验收等内容。

本规程是在总结近年来国内各高校和科研单位的研究成果以及各设计、施工单位采用碳纤维片材进行结构加固的实践经验，参考国外大量相关资料，并进行了大量试算和调研的基础上制订

的。

根据国家计委计标[1986]1649号文《关于请中国工程

建设标准化委员会负责组织推荐性工程建设标准试点工作的通知》要求，现批准协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，编号为CECS146：

XX，推荐给工程设计、施工、使用单位采用。

本规程由中国工程建设标准化协会建筑物鉴定与加固委员会归口管理，由国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心（北京市海淀区西土城路33号中冶集团建筑研究总院内，邮编：

）负责解释。

在使用中如发现需要修改或补充之外，请将意见和资料径寄解释单位。

主编单位：

国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心

副主编单位：

四川省建筑科学研究院

参编单位：

清华大学、中国电子工程设计院、中国建筑科学研究院、同济大学、武

汉钢铁（集团）公司、西安建筑科技大学、武汉大学、东南大学、江苏

省建筑科学研究院、上海伽锢建筑材料有限公司

主要起草人：

乐清瑞叶列平罗苓窿陈小兵李荣娄宇胡孔国陈瑜颜子涵陈义军张誉张小冬马永欣高作平

张继文张轲毛星明沈琨顾瑞南杨勇新

涂庆胜

中国工程建设标准化协会XX年3月31日目次

1总则

（1）2

术语、符号

（2）

术语

（2）

符号

（2）3

材料（5）

一般要求（5）

碳纤维片材

（5）

配套树脂类粘结材料?

（6）

表面防护材料

（7）4设计规定?

（8）

一般规定（8）

一般构造要求

（9）

受弯加固（9）

受剪加固（17）柱的

抗震加固（19）5施工

规定（21）

一般规定

（21）

施工准备

（21）

表面处理

（22）

涂刷底层树脂

（22）

找平处理

（22）

粘贴碳纤维片材?

（22）

表面防护

（23）

施工安全和注意事项

（23）6检验及验收

（25）附录A碳纤维片

材配套树脂类粘结材料与混凝土的正拉粘结强度测定方法

（26）附录B碳纤维片材加固混凝土结构施工质量现场

检验方法（30）本

规程用词说明（34）附：

条文说明（35）

1总则

为促进碳纤维片材加固混凝土结构技术的发展，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量，制订本规程。

本规定适用于房屋建筑和一般构筑物混凝土结构加固的设计、施工及验收；铁路工程、公路工程、港口工程和水利水电等工程中混凝土结构的加固和砌体结构、木结构加固中的共性技术，可参照本规程的有关规定执行。

采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构的设计、施工及验收，除应符合本规程的规定外，尚应遵守国家现行有关标准的规定。

采用碳纤维片材加固的混凝土结构，长期使用的环境温度不应高于60℃。

处于特殊环境（腐蚀、放射、高温等）下的混凝土结构采用碳纤维片材加固时，尚应遵守国家现行有关标准的规定，并采取相应的防护措施。

采用碳纤维片材加固混凝土结构前，应按国家现行有关标准对原结构进行检测鉴定或评估。

采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应由对该加固方法熟悉的设计人员进行设计，并由专业施工队伍进

行施工。

2术语、符号术语

碳纤维片材carbonfiberreinforcedpolymerlaminate

碳纤维布和碳纤维板的总称。

碳纤维布carbonfibersheet

连续碳纤维单向或多向排列，未经树脂浸渍的布状制

品。

碳纤维板carbonfiberplate

连续碳纤维单向或多向排列，并经树脂浸渍固化的板

状制品。

底层树脂primer

用于基底处理的树脂。

找平材料puttyfillers

用于对加固构件表面进行找平处理的材料。

浸渍树脂saturatingresin

用于粘贴并浸透碳纤维布的树脂。

粘结树脂adhesives

用于粘贴碳纤维板的树脂。

符号

作用效应和抗力

M——弯矩设计值；

Mi——加固前受弯构件计算截面上实际作用的初始弯

矩；

Vb——梁的剪力设计值；

Vc——柱的剪力设计值；

σcf——碳纤维片材的拉应力；Εcf——碳纤维片材的拉应变；

εi——考虑二次受力影响时，加固前构件在初始弯

矩作用下，截面受拉边缘混凝土的初始应变；

εcfv——达到受剪承载能力极限状态时碳纤维片材的应变。

材料性能

Ecf——碳纤维片材的弹性模量；

fcfk——碳纤维片材的抗拉强度标准值；

fcf——碳纤维片材的抗拉强度设计值；εcfu——碳纤维片材的极限拉应变；

[εcf]——碳纤维片材的允许拉应变；

τcf——碳纤维片材与混凝土间的粘结强度设计值。

几何参数

Acf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的截面面积；

bcf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的宽度；

hcf——侧面粘贴碳纤维片材的高度；

hcf0——侧面粘贴碳纤维片材的截面面积形心至受压区外边缘的距离；

ld——碳纤维片材从强度充分利用截面向外延伸所需的粘结长度；

scf——碳纤维片材条带的净间距；

tcf——单层碳纤维片材的厚度；wcf——碳纤维片材条带的宽度。

计算系数及其他

km——碳纤维片材厚度折减系数；ncf——碳纤维片材的粘贴层数；

φ——碳纤维片材受剪加固形式系数；υ——碳纤维片材的有效约束系数；

ξcfb——碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高

度；

λb——梁受剪截面的剪跨比；λc——柱的剪跨比；

ρv——总折算体积配箍率。

其它符号参见现行国家标准《混凝土结构设计规范》

GB50010。

3材料

—般要求

采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构加固时，应使用碳纤维片材、配套树脂类粘结材料和表面防护材料。

加固用材料应具有质检部门的产品性能检测报告和产品合格证；碳纤维片材和配套树脂类粘结材料应具有符合本规程第节和第节规定的物理力学性能；对配套的树脂类粘结材料还应提供耐久性能指标及施工和使用环境要求。

本规程所列碳纤维片材的性能指标是对单向碳纤维片材的要求。

对双向或多向碳纤维片材，可参照采用。

混凝土、钢筋和其它材料的有关设计指标应按国家现行有关标准采用。

碳纤维片材

碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净截面面积计算，净截面面积取碳纤维布的计算厚

篇三：

碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146-

XX（XX修改）

1总则

为使碳纤维片材加固混凝土结构的工程，做到技术可靠、安全适用、经济合理、确保质量，制订本规程。

本规程适用于房屋建筑和一般构筑物混凝土结构加固的设计、施工及验收。

采用粘贴碳纤维片材加固混凝

土结构的设计、施工及验收，除应符合本规程的规定外，尚应遵守国家现行有关标准的规定。

采用粘贴碳纤维片材加固的混凝土结构，长期使用的环境温度不应高于60℃。

处于特殊环境（腐蚀、放射、高温等）中的混凝土结构采用碳纤维片材加固时，尚应遵守国家现行有关标准的规定，并采取相应的防护措施。

采用碳纤维片材加固混凝土结构前，应按国家现行有关标准对原结构进行检测鉴定。

采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应由对该加固方法熟悉的设计人员进行设计，并由专业施工队伍进行施工。

·1·

2术语、符号术语

碳纤维片材carbonfiberreinforcedpolymer

laminate碳纤维布和碳纤维板的总称。

碳纤维布

carbonfibersheet

连续碳纤维单向或多向排列，未经胶粘剂浸渍的布状制品。

碳纤维板carbonfiberplate

连续碳纤维单向或多向排列，并经胶粘剂浸渍固化的板状制品。

底胶primer

用于基材处理的胶粘剂。

修补胶repair

adhesive

用于对混凝土基材表面缺陷进行修补和找平处理的胶粘剂。

结构胶粘剂structuraladhesive

用于浸渍、粘贴碳纤维布和板材等结构加固材料的专用胶粘剂。

符号

作用效应及抗力

M——弯矩设计值；

Mi——加固前受弯构件计算截面上实际作用的初始弯矩；Vb——梁的剪力设计值；Vc——柱的剪力设计值；

σcf——碳纤维片材的拉应力；?

cf——碳纤维片材的拉应变；

i——考虑二次受力影响时，加固前构件在初始弯矩作用下，截面受拉边缘

混凝土的初始应变；

·2·

cfv——达到受剪承载能力极限状态时碳纤维片材的应变。

材料性能

Ecf——碳纤维片材的弹性模量；fcfk——碳纤维片材的抗拉强度标准值；fcf——碳纤维片材的抗拉强度设计值；

——碳纤维片材的极限拉应变；?

cfu

[?

cf]——碳纤维片材的允许拉应变；

τcf——碳纤维片材与混凝土间的粘结强度设计值。

几何参数

Acf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的截面面积；bcf——受拉面上粘贴的碳纤维片材的宽度；hcf——U形箍粘贴的高度；

hcfo——侧面粘贴碳纤维片材的截面面积形心至受压区外边缘的距离；

ld——碳纤维片材从强度充分利用截面向外延伸所需的粘结长度；scf——环形箍或U形箍的净间距；

tcf——单层碳纤维片材的厚度；wcf——环形箍或U形箍的宽度。

计算系数及其它

km——碳纤维片材厚度折减系数；ncf——碳纤维

片材的粘贴层数；φ——碳纤维片材受剪加固形式系数；?

—

—碳纤维片材的有效约束系数；

ξcfb——碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对

受压区高度；λλ

bc

——梁受剪截面的剪跨比；——柱的剪跨比；

v——总折算体积配箍率。

其它符号参见现行国家标准《混凝土结构设计规范》

GB50010。

·3·

3材料一般要求

采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构加固时，应使用聚丙烯腈基（PAN基）12k或12k以下的小丝束碳纤维片材、配套的改性环氧树脂胶粘剂和表面防护材料。

加固用材料应具有质检部门的产品安全性能检测报告和产品合格证；碳纤维片材和配套胶粘剂应具有符合本规程第节和第节规

定的安全性能；对配套胶粘剂还应提供耐湿热老化性能指标及施工和使用环境要求。

本规程所列碳纤维片材的安全性能指标是对单向碳纤维片材的要求。

混凝土、钢筋和其它材料的有关设计指标应按国家现行有关标准采用。

碳纤维片材

碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净截面面积计算。

净截面面积取碳纤维布的计算厚度乘以宽度。

碳纤维布的计算厚度应取碳纤维布的单位面积质量除以碳纤维密度。

碳纤维板的性能指标应按板的截面（含胶）面积计算，

截面（含胶）面积取实测厚度乘以宽度。

碳纤维片材的安全性能指标应符合表的要求。

表碳纤维片材的安全性能指标

·4·

注：

L形板的安全性及适配性检验合格指标按高强度Ⅱ级条形预成型板（条形板）采用。

碳纤维片材的受拉性能应按现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定。

单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量不宜低于

150g/m2，且不应高于300g/m2。

碳纤维板的厚度不宜大于，宽度不宜大于200mm，纤维体积含量，对I级板，不应小于65%；对II级板，不宜小于60%，且不应小于55%。

配套胶粘剂

采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固时，应采用与碳纤维片材配套的底胶、修补胶和具有良好浸渍、粘结能力的结构胶粘剂。

底胶、修补胶和结构胶粘剂的安全性能应分别符合表–1、表–2和–3的要求。

表–1底胶的安全性能指标

注：

本表中的性能指标，除标有强度标准值外，均为平均值。

表–2修补胶的安全性能指标

注：

本表中的性能指标均为平均值。

·5·