一、工程概況
　　由于事業(yè)發(fā)展的需要，某廠房需要增加一臺(tái)設(shè)備。因該設(shè)備荷載較大，一般民用建筑達(dá)不到使用要求。為確保使用安全，需對(duì)原建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)加固等工作。某廠房為三層混凝土框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)需在二層樓面上增加一臺(tái)設(shè)備，使用活載（6.0KN/m2）超過原樓面使用活載2.5KN/m2。原樓面結(jié)構(gòu)為主次梁現(xiàn)澆板體系（混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，板受力筋為Ⅰ級(jí)鋼筋，梁受力筋為Ⅱ級(jí)鋼筋）。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算表明，樓板和主次梁正截面需進(jìn)行加固。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較，并征得業(yè)主的同意，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。
　　二、材料特性
　　1、本工程使用了進(jìn)口的HEROMAN碳纖維，其主要性能指標(biāo)見表1。
　　（1）、產(chǎn)品說明
　　HEROMAN碳纖維是將高強(qiáng)碳纖維編織成布，再用專用膠粘劑粘貼在混凝土表面上，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。
　　（2）、產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)
　　a高強(qiáng)度、重量輕、厚度薄；
　　b施工便捷，施工質(zhì)量易保證；
　　c耐久性和耐腐蝕性俱佳；
　　d抗疲勞性能好，適合被加固結(jié)構(gòu)的各種形狀。
　　表1碳纖維布主要性能指標(biāo)
　　

　　2、粘貼用樹脂采用HEROMAN碳纖維配套建筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見表2
　　（1）、產(chǎn)品說明
　　HEROMAN碳纖維膠系A(chǔ)、B雙組分改性環(huán)氧類膠粘劑，是碳纖維加固的專用膠種。
　　（2）、產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)
　　a底涂膠具有粘度低、滲透力強(qiáng)，能很好滲入混凝土表面縫隙，與混凝土結(jié)合力強(qiáng)
　　b固化后的膠層物理機(jī)械性能和強(qiáng)韌性能優(yōu)異
　　c觸變性強(qiáng)、施工流淌少
　　d抗老化、耐介質(zhì)（酸、堿、水）性能好
　　e室溫固化、不含揮發(fā)性溶劑、粘結(jié)強(qiáng)度高
　　
　　表2HEROMAN碳纖維配套主要性能指標(biāo)
　　　　
　　三、加固設(shè)計(jì)
　　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(jì)算與普通混凝土梁有所不同，其基本假定為：
　　（1）受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)；
　　（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；
　　（3）碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf。
　　因本工程建成后未經(jīng)裝修使用，加固設(shè)計(jì)時(shí)忽略碳纖維二次受力的影響。
　　2設(shè)計(jì)方法
　　（1）實(shí)用公式
　　根據(jù)極限狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，由平衡條件可得：
　　當(dāng)χ≥2a’時(shí)，
　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf(1)
　　Mu≤σcfAcf(h-χ/2)+fyAs(h0-χ/2)-fy’As’(χ/2-as’)
　　當(dāng)χ<2a’時(shí)，
　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf(2)
　　Mu≤σcfAcf(h-as’)+fyAs(h0-as’)
　　（2）規(guī)程公式
　　根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，當(dāng)混凝土受壓區(qū)高度x≤ξcfbh時(shí)，其極限彎矩：
　　Mu≤fyAs(h0-0.5gξcfbh)+Ecf[εcf]•Acf（1-0.5ξcfb）(3)
　　其中，界限相對(duì)受壓區(qū)高度：
　　ξcfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）
　　3次梁加固設(shè)計(jì)
　　次梁截面：b×h=400mm×500mm，As=As’=1018mm2
　　截面彎矩：Mu=242Kn•m
　　（1）按實(shí)用公式計(jì)算
　　首先估算混凝土受壓區(qū)高度χ≈12mm<2as’
　　根據(jù)公式(2),解得:
　　Acf=53.1mm2
　　（2）按規(guī)程公式計(jì)算
　　界限相對(duì)高度：
　　ξcfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985
　　χ≈12mm<ξcfbh=89.3mm
　　根據(jù)公式（3），解得：
　　Acf=51.7mm2
　　（3）設(shè)計(jì)結(jié)論
　　兩種計(jì)算結(jié)果相比較，其誤差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程設(shè)計(jì)誤差許可范圍之內(nèi)。
　　采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布兩層（Acf=66.6mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。
　　4主梁加固設(shè)計(jì)
　　主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2，As’=1960mm2
　　極限彎矩:Mu=450Kn•m
　　（1）按實(shí)用公計(jì)算
　　首先估算混凝土受壓區(qū)高度:χ≈29.5mm<2as’
　　根據(jù)公式(2),解得:
　　Acf=112.1mm2
　　（2）按規(guī)程公式計(jì)算
　　界限相對(duì)受壓區(qū)高度:
　　ξcfb=0.1985
　　χ≈29.5mm<ξcfbh=89.3mm
　　根據(jù)公式(3),解得:
　　Acf=109.3mm2
　　（3）設(shè)計(jì)結(jié)論
　　兩種計(jì)算結(jié)果相比較,其誤差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程設(shè)計(jì)誤差許可范圍之內(nèi)。
　　采取在梁底粘貼400mm寬碳纖維布3層（Acf=133.2mm2），可滿足設(shè)計(jì)和使用要求。
　　5構(gòu)造做法
　　為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側(cè)粘貼100mm寬U型箍3道,在主次梁相交處每側(cè)粘貼100mm寬U型箍?jī)傻馈?br /> 　　1－柱邊3個(gè)U型箍，寬100mm，間距100mm；
　　2－次梁每側(cè)2個(gè)U型箍，寬100mm，間距100mm；
　　3－碳纖維3層
　　四、碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝
　　1、根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理
　　（1）將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；
　　（2）裂縫修補(bǔ)。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；
　　（3）將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
　　（4）清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。
　　2、底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）
　　（1）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)；
　　（2）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
　　（3）底層涂料固化后，表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光；
　　（4）注意在氣溫小于5C，相對(duì)濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結(jié)露可能而無可靠保證措施時(shí)，均不得施工。
　　3、環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)
　　（1）構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇剑�修�?fù)至表面平整；
　　（2）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)使之平順。
　　4、貼碳纖維片
　　（1）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受彎折。貼片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷纖維片，每段長(zhǎng)度一般不超過6rn；。
　　（2）碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；
　　（3）按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；
　　（4）貼片時(shí)，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維片上對(duì)此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。
　　5、養(yǎng)護(hù)
　　粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。
　　6、涂裝
　　根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
　　五、碳纖維（片材）加固處理要點(diǎn)
　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對(duì)梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。
　　1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。
　　2、按設(shè)計(jì)要求對(duì)破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時(shí)，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.
　　3、涂刷底層樹脂：用專用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時(shí)即進(jìn)行下一道工序施工。
　　4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。
　　5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。
　　6、在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
　　7、必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。
　　六、注意事項(xiàng)
　　1、碳纖維片材選擇注意事項(xiàng)
　　碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。
　　2、碳纖維（片材）粘貼注意事項(xiàng)
　　①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。
　　②按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.
　　③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。
　　④擦拭干凈的碳纖維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.
　　⑤將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時(shí)，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.
　　⑥需粘貼兩層碳纖維片材時(shí)，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應(yīng)對(duì)底層碳纖維片材重新做好清潔工作。
　　⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。
　　⑧施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。
　　⑨樹脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。
　　⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號(hào)的粘貼樹脂，這樣才能對(duì)樹脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制。
　　七、對(duì)碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望
　　碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點(diǎn)：
　　1、施工簡(jiǎn)便迅速，無需模板、夾具、支撐等；
　　2、不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設(shè)計(jì)厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對(duì)結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計(jì)；
　　3、能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；d）可以多層粘貼。可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)部位重疊粘貼。
　　八、結(jié)語
　　工程實(shí)踐證明，碳纖維加固技術(shù)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)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(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達(dá)到了業(yè)主的要求，其綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益良好，具有較大的推廣使用價(jià)值。