第33卷 增刊2007年12月
四川建筑科学研究
Sichuan B uilding Science
收稿日期2828
作者简介倪国葳()，男，河北唐山人，副教授，硕士，研究方向结构工程。
j @碳纤维布加固方法在某建筑工程中的应用
倪国葳，刘廷权
(河北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063009)
摘 要：在已有的碳纤维布加固混凝土构件的研究成果的基础上，以实际工程中遇到的问题为出发点，通过理论与实践相结合，结合研究成果，针对实际建筑因受气候环境的影响而发生锈蚀钢筋混凝土结构破坏的实际情况，提出相应的加固设计计算方法和施工工艺。对类似的工程质量问题具有一定的参考价值。关键词：碳纤维布；钢筋混凝土；加固；锈蚀
中图分类号:T U375 文献标识码:B 文章编号:1008-1933(2007)增刊-0181-03
0 引 言
由于震害、火灾、碱集料反应及环境影响等原因，造成混凝土构件的损伤，建筑结构受损后由于受到时间和经济条件的限制，损坏的建筑物不可能推倒重建，为了及时有效地恢复损伤结构的正常使用功能，保证人们的基本生活状况，对受损结构进行修复、加固是十分必要的。因此，研究受损后混凝土加固处理及其力学性能，具有重要的工程应用价值。
受损混凝土结构的加固修复是混凝土结构应用领域重要的问题之一。近年来，高性能纤维对比混凝土结构的加固修复的研究较多，但大多是在结构不破损之前提下，为提高结构的承载能力而进行的加固研究。
对混凝土在受损情况下，混凝土结构加固修复是其应用领域更为重要的问题。
碳纤维是目前在混凝土结构加固领域内应用最多的高性能纤维之一,20世纪80年代，日本、美国等发达国家便开始研究这一技术，近年来发展迅猛。碳纤维主要采用布状的形式，外表涂覆一层环氧树脂，依靠环氧类粘结剂粘结于混凝土构件的表面，使两者共同受力，抵抗外来载荷。
本文主要针对锈蚀钢筋混凝土结构采用碳纤维加固方法进行研究，根据试验数据和资料进行理论分析，为碳纤维加固锈蚀钢筋混凝土结构提供加固方法和设计依据；本项目的研究内容，将会对锈蚀或其他原因造成混凝土结构出现的损伤修复问题具有
实际推广应用价值，并会产生较大的社会效益和经济效益。
1 工程实例分析
1.1 工程背景
京唐港某住宅小区，共7栋，砖混结构，始建于1999年，由于某些原因，在主体落成后便停工，内外装修未做。2006年被某开发公司购入，准备继续施工(图1,2)。
图1 加固住宅楼-1
图2 加固住宅楼-2
1.2 检测与分析
该小区住宅楼由于停置达7年之久，出现许多工程问题，通过目测，该小区住宅楼板板底锈斑处处可见，严重空鼓，保护层大部分剥落，沿钢筋方向通长裂缝。梁、板裂缝因钢筋锈蚀膨胀而引起裂缝。
1
81:200702:1971-:E -m a il:t ng w he ut .edu
构件混凝土严重碳化，混凝土疏松，钢筋锈蚀严重。大部分板底钢筋外露，钢筋受力截面削弱，危及结构安全，影响人的情绪。根据设计图纸及现场混凝土、钢筋的腐蚀情况，相关质量检测部门决定此工程需经加固方能继续施工。
钢筋混凝土由钢筋骨架、水泥、砂、石、水和添加剂的混合材料浇筑凝结硬化而成。钢筋在混凝土碱性环境下，表面形成一层钝化膜，以保护钢筋不致于锈蚀破坏，但是，在环境及腐蚀介质长期作用下，介质的渗透和混凝土的腐蚀，将使这一保护层渐渐失去作用。特别是处在海边或者大量含氯的工作环境中，盐溶液会通过混凝土的毛细孔渗透到混凝土内部，又遇水分蒸发，使混凝土中溶液达到饱和状态，氯离子比其他阴离子更易渗入钝化膜与铁离子结合形成易溶的2价铁与氯化物的复合物(绿锈)。氯盐促使
钢筋锈蚀。
混凝土中氯离子超标，一方面破坏了钢筋的保护膜，使钢筋锈蚀；另一方面又由于受潮湿空气影响，形成电解液，促使钢筋产生电化学腐蚀，钢筋加速氧化，锈蚀加快。钢筋有效断面缺损，体积膨胀，混凝土发生胀裂。
通过采集多个混凝土试样及取芯试样，经力学及化学分析及现场勘察，得出以下结论：钢筋锈蚀是混凝土保护层胀裂的主要原因：一方面，由于大气环境和海洋环境中氯离子入侵引起腐蚀；另一方面，施工质量问题，混凝土保护层厚度不够，甚至有些构件没有保护层。
现场调查及检测结果:(1)混凝土强度基本能达到设计要求，混凝土表面强度较内部小;(2)混凝土顺筋裂缝为纵向连通;(3)混凝土表面剥落严重;
(4)钢筋锈蚀十分严重，受拉区钢筋截面损伤，部分已达50%。
2 加固方案设计、施工与质量控制
2.1 加固方案的选择
纵观国际现有结构加固和翻新改造技术大体可分为6大类:(1)加大截面法;(2)外包钢加固法;
(3)粘钢法;(4)预应力加固法;(5)改变结构传力途径加固法;(6)碳纤维加固法。实践证明，碳纤维加固法具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、易加工、自重轻、易手工操作等优点。碳纤维加固由于其突出的材料力学性能以及高效率，被认为是最具前途的结构加固方法，各种加固方法的比较见表1。
表1 各种加固方法的比较
项目
加大截
面法
外包
钢法
粘钢法
改变结
构传力
途径法
预应力
加固法
碳纤维
加固法
增体积大中中大中小
增质量大中中小中小
工时长较长较长较长长短
工人数多多多多多少
需空间大大大大大小
需机械需要需要需要需要需要不需要
抗腐蚀耐久性差差差差差好
2.2 碳纤维布加固设计原理与计算
对于钢筋腐蚀引起钢筋截面积减少，钢筋强度降低，且钢筋与混凝土之间粘结力损失引起强度降低。在进行加固时，应针对结构锈蚀程度来计算纵向碳纤维布数量，以提高承载力。建议计算公式如下:
钢筋直径损失与顺筋裂缝关系式:
ΔD=645.71W+56.2(1)式中 ΔD———钢筋直径损失(μm);
W———裂缝宽度(mm)。
钢筋截面损失率与构件承载力降低公式:
12M
d
/M
+0127ρ
s
%-12=0(2)
式中 M
d
———锈蚀构件承载力;
M
———正常构件承载力;
ρ
s%———钢筋截面损失率。
由式(1),(2)可以得到构件裂缝宽度与构件承载力降低关系式:
12M
d
/M
+10.89W-11.05=0(3)通过上式可以得出构件承载力的降低值，来计算纵向碳纤维布的需要量。
2.3 碳纤维布加固的施工
2.3.1 材料来源
上海同砼碳纤维布有限公司生产的碳纤维布：型号CFS2- 3.55-220-012-100，生产日期200613，生产批号:20060301，及HCJ碳纤维胶粘剂，批号:2006-02-28-3-A+。
2.3.2 辅助工具及材料准备
专用滚筒、刮板、角向磨光机、剪刀、凿子、榔头、钢丝刷、注射器、台秤、灰刀、脚手架、丙酮、风帽、防护眼镜、防尘罩等。
2.3.3 施工工艺
()钢筋除锈(图3)
①清除被加固构件表面剥落、疏松、蜂窝腐蚀等劣化混凝土;
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1
②剔除锈蚀钢筋外包混凝土，使钢筋外露;
③用钢丝刷和角磨机除去钢筋表面的锈蚀层;
④用丙酮或无水酒精擦拭钢筋表面至露出钢筋
本质。
图3 楼板破坏
(2)基面处理(图4,5)
①将构件表面突出部分磨平，露出砂、石、水泥;
②裂缝部分用修复材料修复磨平;
③压缩空气除去表面粉尘，用丙酮擦拭表面。
图4 基面处理-1
图5 基面处理-2
图6 粘贴碳纤维布
(3)涂刷底胶(图)
用滚筒或刷子将底胶均匀涂刷于混凝土表面。
要求浸透于混凝土孔隙内，待胶固化后，再进行下一
工序。
(4)平处理
①混凝土表面凹陷部分用平材料填补平整;
②转角处应用平材料修复为光滑的圆弧，半
径不小于20mm;
③平材料干燥后，进行下一工序。
(5)粘贴碳纤维布(图6)
①据设计要求尺寸裁剪碳纤维布;
②配制浸渍树脂胶均匀涂抹于所要粘贴部位;
③粘贴碳纤维布，用滚筒沿纤维方向多次滚压,
挤除气泡，使树脂胶充分浸透碳纤维布;
④碳纤维布表面均匀涂抹一层面胶;
⑤注意碳纤维布的搭接长度不小于100mm，端
部用横向碳纤维布固定，起翘部分用注射器补胶。
(6)表面防护处理(图9)
为保证胶的耐久性、耐火性等性能，可在表面涂
抹砂浆或喷防火涂料进行保护，本工程为了满足下
一道工序(房屋内装修)考虑，采取了板底用水泥砂
浆拉毛处理，来增加表面粘结力。
2.4 注意事项
(1)施工温度应在5℃～35℃范围内，相对湿度
不大于70%。
(2)每一道工序结束后，均应按工艺要求进行
检查，并做好相关验收记录，自检报告及隐蔽工程验
收(图8)。
(3)碳纤维是导电体，施工时注意远离电源。
(4)因现场采用丙酮等易燃物品，施工现场禁
止吸烟。
(5)施工中注意配带防尘罩及防护眼镜等安全
保护设施。
(下转第8页)
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1
2007增刊倪国葳，等：碳纤维布加固方法在某建筑工程中的应用
7
17
值。
f=1
10
M
k
l2
E I
≤l
250
(2)
4.2 节点设计
(1)连接板节点设计
弦杆及腹杆采用在连接钢板上焊接连接，如图6所示。焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为8mm。
水平：焊缝长度150mm,[形围焊缝，双侧双面焊。
竖直：焊缝长度50mm，双侧双面焊。
经验算，焊缝强度满足要求。
(2)支座节点计算
支座采用钢梁与连接钢板焊接，连接钢板与预埋钢板焊接，如图5所示，连接钢板尺寸为-12×300×250，焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为6 mm。预埋钢板尺寸为-14×360×300。焊缝采用E43型焊条，焊脚尺寸为10mm。
碳纤维布加固方法支座设计荷载为:M y=29108kN m,M x=3156 kN m,N=330145kN。
进行了槽钢与锚板焊接强度和锚筋计算[4]。
槽钢与锚板焊接强度验算:
σ
f
β
f
2
+τ2f=<f�ωf(3)锚筋面积验算:
A
s
≥V
αγαυf
y
+M
1-3αγα
b
f
y
Z
(4)
A s≥
M
014αγα
b
f
y
Z
(5) 5 结 论
经施工实践，本钢结构加固设计较好地解决了冷却塔高位开大洞所带来的施工难题，为类似的高位洞口加固设计提供了借鉴。
参考文献:
[1] 宋国秉，郁 淇，许荣熙，等.火力发电厂土建施工[M].北京:
水利电力出版社,1991.
[2] 朱伯龙，陆洲导，吴虎南.房屋结构灾害检测与加固[M].上
海：同济大学出版社,1995.
[3] 河北三建公司.双曲冷却塔施工[M].北京：中国电力出版社,
1982.
[4] G B500017-2003钢结构设计规范[S].
[5] G B500010-2002混凝土结构设计规范[S].
(上接第183页)
(6)施工现场应保证通风，照明良好。
(7)建议制作样板间。
图9 表面防护处理
4 结 论
盐污染引起的钢筋锈蚀，破坏结构构件受力，对房屋产生的危害性是值得工程人员关注的重大问题。加强施工质量管理，严格控制材料质量，针对特殊环境采取对应的措施尤为重要。从对本文所涉及的工程实例加固修缮效果来看，加固处理技术可行，效果良好，加固处理后，通过了相关质检验证，使用一年多来，未见异常。由此可见，碳纤维加固混凝土技术所具有的技术及经济上的优良性能，势必会使其在建筑加固领域占据重要地位，具有良好的发展空间及前景。
参考文献:
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2007增刊冯志强，等：双曲线排烟冷却塔通风筒高位开孔洞口钢结构加固设计
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