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碳纖維在某通信機(jī)房加固中的應(yīng)用論文
摘要：碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡(jiǎn)稱CFRP）是一種新興的高強(qiáng)材料，最早應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。近年來在土木工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法，碳纖維加固技術(shù)是一種新型高效的加固修復(fù)技術(shù)，它具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維加固技術(shù)是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及改善受力性能的目的。此項(xiàng)技術(shù)在美國、日本等發(fā)達(dá)國家已成熟運(yùn)用，在20世紀(jì)90年代后期國內(nèi)才開始碳纖維加固技術(shù)的研究與應(yīng)用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統(tǒng)的理論。
關(guān)鍵詞：碳纖維 加固
1、工程概況
隨著通信事業(yè)的迅速發(fā)展，各地通信公司相繼增設(shè)了一批通信機(jī)房。因通信設(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。某通信公司傳輸機(jī)房位于一辦公樓三層樓面上，機(jī)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(jié)構(gòu)為主次梁現(xiàn)澆板體系（混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，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，樓板無需加固，而主次梁正截面需進(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。
2、材料特性
⑴本工程使用了日本進(jìn)口的碳纖維布（ST200），其主要性能指標(biāo)見表1。
表1 碳纖維布主要性能指標(biāo)
型號(hào)
單位面積質(zhì)量
（g·cm-2）
設(shè)計(jì)厚度
mm
設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)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(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠，其主要性能指標(biāo)見表2
表2 JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠主要性能指標(biāo)
種類
拉伸強(qiáng)度
MPa
壓縮強(qiáng)度
MPa
剪切強(qiáng)度
MPa
適用溫度
℃
可使用時(shí)間
min
基底樹脂
（JGN-E）
-
-
-
0～38
15～30
修補(bǔ)樹脂
（JGN-F）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞40
粘結(jié)樹脂
（JGN-D）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞60
3、加固設(shè)計(jì)
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(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。
3.2設(shè)計(jì)方法
3.2.1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)≥2a’時(shí)，
fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (1)
Mu≤ σcfAcf (h-/2)+ fyAs (h0-/2)- fy’As’ (/2-as’)
當(dāng)<2a’時(shí)，
fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf (2)
Mu≤ σcfAcf (h- as’)+ fyAs (h0- as’)
3.2.2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≤cfbh時(shí)，其極限彎矩：
Mu≤fyAs (h0- 0.5gcfbh)+Ecf[εcf ]·Acf（1-0.5cfb） (3)
其中，界限相對(duì)受壓區(qū)高度：
cfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）
3.3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
3.3.1按實(shí)用公式計(jì)算
首先估算混凝土受壓區(qū)高度≈12mm<2as’
根據(jù)公式(2),解得:
Acf=53.1mm2
3.3.2按規(guī)程公式計(jì)算
界限相對(duì)高度：
cfb=0.8×0.003/(0.0033+0.01)=0.1985
≈12mm<cfbh=89.3mm
根據(jù)公式（3），解得：
Acf=51.7mm2
3.3.3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。
3.4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
3.4.1按實(shí)用公計(jì)算
首先估算混凝土受壓區(qū)高度: ≈29.5mm<2as’
根據(jù)公式(2),解得:
Acf=112.1mm2
3.4.2按規(guī)程公式計(jì)算
界限相對(duì)受壓區(qū)高度:
cfb=0.1985
≈29.5mm<cfbh=89.3mm
根據(jù)公式(3),解得: Acf=109.3mm2
3.4.3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。
3.5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?/p>
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
4、加固施工
4.1施工準(zhǔn)備
粘貼碳纖維加固工藝,施工質(zhì)量至關(guān)重要,直接關(guān)系到加固效果的好壞。為確保工程質(zhì)量，工程開工前對(duì)每個(gè)施工環(huán)節(jié)、環(huán)境因素、人員素質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致周密的考慮，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(jī)將粘貼部位打磨平整，U型箍轉(zhuǎn)角處打磨成R≥20mm的圓弧狀，用吹風(fēng)機(jī)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(nèi)部，以提高混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)力。
⑷用整平材料補(bǔ)樹脂（JGN-F）修復(fù)，填補(bǔ)不平整部位。
⑸涂刷粘結(jié)樹脂（JGN-D），隨即開始粘貼碳纖維布，多層粘貼時(shí)重復(fù)步驟（5）。
⑹粘貼完最后一層碳纖維布后再涂刷一道粘結(jié)樹脂（JGN-D）。
4.3施工要點(diǎn)
因?yàn)橥ㄑ腹緜鬏敺繉俪鞘猩�工程中的重點(diǎn)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(diǎn)：
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(fù)打磨平整，去除混凝土劣化部位，凹陷、缺陷處用修補(bǔ)膠找平。
⑵粘貼碳纖維布時(shí)必須兩人密切配合，一人拉緊碳纖維布，一人用刮板從一側(cè)邊刮邊貼，保證不留氣泡，粘貼緊密。實(shí)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(qū)粘貼，做好標(biāo)記，保證搭接長(zhǎng)度≥150mm。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)錘測(cè)及邵氏硬度計(jì)測(cè)試，施工質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良，取得了良好的加固效果。
5、結(jié)語
工程實(shí)踐證明，CFRP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。
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