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摘要：文中主要針對建筑結(jié)構(gòu)加固中碳纖維布修復技術的應用優(yōu)勢及性能進行分析。

關鍵詞：碳纖維布；加固修復；建筑結(jié)構(gòu)

1研究背景

1.1事故破壞類型占比

在工程項目建設里，如今使用最多的建筑結(jié)構(gòu)是鋼框架結(jié)構(gòu)。但是由于其設計與制造還存在不足，再加上施工過程中會遭遇高溫、低溫等情況，或者遇到腐蝕性物質(zhì)、承重超負荷及施工管理不當?shù)纫蛩?，這些都可能會對鋼框架結(jié)構(gòu)造成損壞，引發(fā)各種安全事故（見表1）［1］。因此，鋼框架結(jié)構(gòu)的加固與修復一直是建筑行業(yè)的重點內(nèi)容。

1.2技術背景

自1981年以來，德國邁爾首先在埃巴赫橋的加固工程中使用了粘貼碳纖維復合材料（CFRP）的方法。隨著CFRP增強混凝土技術相關研究的不斷深入，其技術性與方法得到了長足發(fā)展。在2000年以來，對碳纖維加固修復鋼結(jié)構(gòu)技術的研究持續(xù)開展，這一技術在研究中取得了階段性的成果，并在實際的工程施工過程中得以應用。碳纖維布加固技術在應用中表現(xiàn)出的優(yōu)勢是傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)加固技術無法比擬的（見表2）。

2碳纖維在加固工程中的特性

（1）碳纖維加固技術主要使用碳纖維布，這類材料屬于混合型原料，沒有屈服點或塑性區(qū)。因此，該材料的強度較高，質(zhì)量較輕，同時具有更好的耐腐蝕性和抗疲勞性等，所表現(xiàn)出的物理特性非常明顯。（2）粘貼碳纖維布材料可以建造出更好的建筑工程結(jié)構(gòu)，提高工程結(jié)構(gòu)的約束力和內(nèi)應力。因此，碳纖維原材料應用在部分工程建筑的支撐點構(gòu)件加固施工全過程中，合理提高了建筑結(jié)構(gòu)的極限承載能力，保證了建筑結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)和可靠性。（3）碳纖維的抗壓強度通常為3500MPa，彈性模量為235×10MPa，厚度范圍為0.12~0.45mm，在粘貼碳纖維布的實際加固施工中，操作步驟比較簡單，工作周期時間短，有較好的施工經(jīng)濟效益［2］。

3碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)加固改造工程中的應用優(yōu)勢

（1）應用范圍更廣。應用碳纖維進行加固，可替代其他抗彎建筑鋼筋，廣泛應用于經(jīng)濟適用房，而其他工業(yè)建筑是抗震抗裂的，有的可以用來修復必須加強和抗腐蝕的結(jié)構(gòu)。（2）碳纖維具有良好的整體防潮保養(yǎng)效果。在應用碳纖維進行建筑整體加固時，可使用環(huán)保碳氧聚氨酯樹脂防水密封膠，解決混凝土結(jié)構(gòu)整體表面涂層的防潮問題，由于環(huán)保碳氧聚氨酯樹脂本身具有較好的防潮保養(yǎng)特性，所以采用碳纖維加固防潮技術，能有效提高整體防潮保養(yǎng)效果。（3）碳纖維增強整體施工的操作方法比較簡單，因為這種碳纖維增強原材料重量較輕，同時，所有的工程都可以在很短的施工時間內(nèi)完成。（4）碳纖維加固工法更有利于切割，根據(jù)具體的工程建筑加固工作要求，所有工程建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的碳纖維均可任意切割，加固作業(yè)完成后，不會對碳纖維加固材料產(chǎn)生不良影響，同時能大幅增強建筑視覺效果。（5）新型碳纖維結(jié)構(gòu)在工程建筑中具有很強的抗腐蝕和耐高溫能力，碳纖維建筑原材料具有較高的耐高溫性和可靠性，在實際應用時不會受環(huán)境影響，可以有效延長建筑物使用壽命。

4試驗研究

4.1試驗材料

鋼框架結(jié)構(gòu)加固管理系統(tǒng)是一種復合型耐久性管理體系，加固原材料必須能與原結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，并賦予原結(jié)構(gòu)額外的抗壓和抗彎強度。試驗中，采用新日鐵公司生產(chǎn)的通用碳纖維布和高強碳纖維布代替?zhèn)鹘y(tǒng)加固技術中的厚鋼板。碳纖維布和鋼板的主要物理性能見表3［3］，選用防腐涂料作為粘合劑。組合原材料取代了傳統(tǒng)的焊接、鉚接和螺栓連接加工工藝，試驗表明，常用的結(jié)構(gòu)加固粘結(jié)材料的強度和韌性必須足夠，才能避免加固構(gòu)件在鋼框架結(jié)構(gòu)塑性變形時產(chǎn)生的粘結(jié)破壞，保證內(nèi)應力在碳纖維布與鋼構(gòu)件之間的有效傳遞。此外，鋼筋施工規(guī)范等要素的滿足條件中，必須有適度的干燥標準、時間、固化粘度和固化收縮率、流動性等。粘接原材料有鋼構(gòu)件底部環(huán)氧樹脂和碳纖維布粘接環(huán)氧樹脂兩種，為了驗證不同環(huán)氧樹脂的實際粘接效果，選擇了五種不同的粘接材料。

4.2試件設計

試驗1：碳纖維布加固修復鋼構(gòu)件抗拉特性：本實驗基于在鋼架結(jié)構(gòu)缺陷部位碳纖維布的粘接，對碳纖維布對鋼框架結(jié)構(gòu)缺損部位的修復效果進行檢測。不銹鋼板和原材料強度的提高，以犧牲承載能力。實驗分三批，選取兩種樣品。在實驗里需要對以下主要參數(shù)進行研究：粘接量、粘接原材料、粘接方法、粘接加工工藝和粘接長度。試驗2：粘貼碳纖維復合材料加固及鋼框架結(jié)構(gòu)試件疲勞特性修復：在修復吊車梁圓弧端模型試件的疲勞裂紋的處理上應用三種方案，經(jīng)過各種加固技術并在一定的疲勞內(nèi)應力幅效應下，改善鋼框架結(jié)構(gòu)的疲勞特性。

4.3荷載與位移的數(shù)據(jù)采集

試驗前，需要校準張力壓力傳感器和壓力表，試驗過程中，試樣縱向承載力的大小的確定來源于手夾泵上安裝的壓力表的讀數(shù)值，整個水平連續(xù)加載的過程中，樣本的大小不會發(fā)生變化。試樣水平承載力的大小由組裝在推拉門的頂部的拉壓傳感器傳輸?shù)絼討B(tài)電阻應變計，由XY函數(shù)記錄儀繪制的圖形得出縱向承載力的大小。在上承重梁的頂部安裝位移計，需要充分考慮在承載力水平下橡膠支座出現(xiàn)滾動的情況。為了消除橡膠支座滾動的危害，可另外安裝一個位移計以及一個墻體上方的位移計在下承重梁的頂部，按全接力法減小，承受動態(tài)電阻應變，以準確獲取承載力水平下的墻體變形量的準確數(shù)據(jù)。X-Y函數(shù)公式計算它的大小，相應的圖形將由記錄儀繪制、導出。為準確測量墻體上方的側(cè)角，在其上方中間位置安裝測斜儀，接收電阻應變計上的靜態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)顯計數(shù)器指示讀數(shù)，以便對墻體頂點水平位移進行修正。

5碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)加固改造工程中的應用

5.1碳纖維布加固在多種混凝土受力構(gòu)件中的應用

基于上述相關內(nèi)容，可以認識到碳纖維結(jié)構(gòu)加固施工方法的一些關鍵優(yōu)勢，有效選擇原材料可以確保碳纖維和各種混凝土承重構(gòu)件得到充分利用，碳纖維加固可為工程建筑提供混凝土，在工程建筑加固和施工承載力水平上可合理滿足各種混凝土承載力構(gòu)件的高技術要求。第一個是用碳纖維構(gòu)件增強的混凝土的前橫截面，在反復使用碳纖維原料加固方法的基礎上，對此類加固方法進行試驗，發(fā)現(xiàn)碳纖維復合材料構(gòu)件加固后，明顯提高了混凝土部分構(gòu)件的承載抗壓強度，構(gòu)件的承載能力得到再度提升。當出現(xiàn)裂紋時，發(fā)現(xiàn)間隙的總寬度顯著減小。當用碳纖維原料增強的某些構(gòu)件的承載力和抗壓強度達到一定值時，混凝土截面構(gòu)件上產(chǎn)生的縫隙總數(shù)明顯變少，構(gòu)件的表層遍布整個構(gòu)件。頂部更對稱。二是這種碳纖維增強混凝土構(gòu)件在施加內(nèi)力時。將各種碳纖維復合材料均勻地盤繞在混凝土結(jié)構(gòu)施工柱上，灌封時注意各種碳纖維復合材料的對稱性，不僅可以有效提高工程建筑柱的抗壓強度，還能提高混凝土柱結(jié)構(gòu)的可靠性，除了工程建筑混凝土上的柱子外，碳纖維增強施工方法也可以應用于工程建筑混凝土的圓柱體，有效地增加所有圓柱體的承載力，在一定的載荷和工作壓力作用下，應用該類鋼筋時，混凝土構(gòu)件受力后會產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，而碳纖維加固方法對側(cè)向變形的管束具有一定的實用效果，能給予一定的側(cè)向承載約束，從而合理提高受力構(gòu)件的側(cè)向承載特性。最后，在一些老式工程建筑中，應用這種碳纖維底部加固施工方法，可以顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的防潮、抗彎沖刷性能。施工人員還應根據(jù)具體的建筑工程設計要求，選擇有效合理的加固方法，適當設置支撐點總數(shù)，進一步提高混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎抗裂性能。在一些較老的碳纖維加固施工方法中，人們通常選擇應用結(jié)構(gòu)卷曲或粘膠加固，以顯示碳纖維復合材料加固的優(yōu)點，使其能夠達到一定的加固施工和結(jié)構(gòu)抗壓強度增加的實際效果，而這種加固施工方法所提供的作用也比較理想，但也存在一定的技術缺陷。這種加固方法比較復雜，短期內(nèi)無法進行。因此，建議在加固施工中使用一種加固U型復合碳纖維原材料進行粘貼，從而達到更好的結(jié)構(gòu)加固實際效果。

5.2碳纖維布加固的步驟與工藝流程

在逐步進行碳纖維加固結(jié)構(gòu)的施工前，整個建筑的主體結(jié)構(gòu)和表面的表層部分應進行底漆底層加固，后期應根據(jù)實際工程施工規(guī)定，進行科學合理的部分底膠粘接?；旌喜蕚浼庸坦ぷ?。同時，在必須加固的部位涂上底層粘合劑，待表面完全恢復光潔度后，再涂一層新的底漆粘合劑，兩層粘合劑的相互影響，在每層鋪上碳纖維塑料薄膜和底漆，以保持纖維層。為確保碳纖維復合材料墻體加固的質(zhì)量能夠真正達到并保證實際效果，施工團隊必須在施工前做好結(jié)構(gòu)底層墻體表面的清理工作，去除底層表面的殘留物。一切清理干凈，只露出混凝土結(jié)構(gòu)表面的堅固部分，如果仍有一定量的殘留物，應立即清理墻面，確保工程建筑結(jié)構(gòu)表面平整，結(jié)構(gòu)上的一些縫隙要及時處理。建議技術專業(yè)施工隊綜合區(qū)分縫隙總寬度，盡早進行縫隙填充和封閉，在整個建筑施工設計過程中，粘合劑的大量使用并不一定涉及其他結(jié)構(gòu)，碳纖維粘接加固所必須使用的各種粘合劑，碳纖維粘合加固中需要使用的各種粘合劑最好一次性使用完，二次使用會容易發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)質(zhì)變，無法完全達到最終的鋼筋混凝土粘合加固效果。碳纖維加固工作完成之后，需要組織施工人員對本次加固的施工效果進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)空鼓或存在翹邊的現(xiàn)象，要及時對其做出修補處理。

6結(jié)語

一般來說，碳纖維建筑裝飾材料的加固對于專業(yè)技術人員來說更具優(yōu)勢，在大中型建筑行業(yè)中，屬于新型工程建筑加固的專用材料。與一些普通的加固材料相比，碳纖維原材料加固技術的實際操作要求相對較低，無需使用一些大中型工程機械設備，可人工操作，施工過程相對簡單，施工時不易對建筑結(jié)構(gòu)本身造成傷害，同時可提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證其具有一定的承載能力。

參考文獻

［1］寧寶寬，胡海濤，徐永澤，等.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁力學性能試驗［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（6）：5.

［2］魯艷蕊，馬鳳華，別治明.碳纖維復合材料加固古建筑木結(jié)構(gòu)技術應用研究［J］.塑料科技，2020，48（4）：135-140.

［3］葛文杰，宗耀鋒，仇勝偉，等.碳纖維布粘貼加固BFRP筋-ECC-混凝土組合梁受彎性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2021，42（S01）：10.

作者:胡文 單位:山東建科建筑設計有限責任公司