碳纤维加固技术在改造工程中的应用

碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，近年来发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。
　　采用碳纤维布加固具有以下几个优点：1、抗拉强度高，是普通钢材的10倍；2、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；3、自重轻（约200g/m2），密度只有普通钢材的1/4；基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广，适合任何形状；4、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），没有湿作业，易于操作，经济性好；5、适用范围广，施工工期短。
　　1、工程概况
　　四平市站前住宅楼，建造于90年代初，底部框架剪力墙结构结构，底部2层框架，上部4层住宅。原设计1，2层为餐厅（活荷载为2.5KN/ m2）,厨房（活荷载为4.0KN/ m2）设在一层。现计划重新装修开设肯德鸡连锁店，将厨房移到2层，原1层厨房位置设售餐台。由于功能改变导致荷载增大，原2层局部梁将不能满足设计要求，需要加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，决定采用碳纤维复合材料进行加固。
　　2、材料特性
⑴本工程使用德国进口的碳纤维布（C200），其主要性能指标见表1：
表1：碳纤维布主要性能指标
型号
单位面积质量
（g/cm-2）
设计厚度
mm
抗拉强度
fcf (Mpa)
弹性模量
Ecf (Mpa)
UDO200
200
0.111
4900
2.3×105 　
⑵粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶，其主要性能指标见表2：
表2：配套胶主要性能指标
种类
拉伸强度
MPa
压缩强度
MPa
剪切强度
Mpa
适用温度
℃
可使用时间
min

基底树脂
（JGN-E）
-
-
-
0～38
15～30

修补树脂
（LGN-F）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞40

粘结树脂
（JGN-D）
＞28
＞50
＞18
0～38
＞60
　　3、加固设计
3.1基本假定
碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：
受拉区混凝土的作用忽略不计；
梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；
（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：σcf=Ecf×εcf且εcf3.2加固设计
根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS 146:2003）［1］的规定，采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除，故不考虑二次受力的影响。
取A轴梁跨中为例
梁截面：b×h=350mm×650mm，C30混凝土，原梁配有As0 = 2900mm2 As0＇=980mm2
设计弯矩：Mu=510Kn·m 按原设计计算弯矩设计值：
x=( fyAs－fy＇As＇)/ fcb=115mm
Mu= fcbx (h0－x/2)+ fy＇As＇ (h0－a’)
= 14.3x350x115x(585-57.5)+300x980(585-40)=463.6 kN·m
本设计采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布3层（Acf=99.9mm2）, 按规程公式计算
碳纤维片材厚度折减系数：km=1-ncfEcftcf/420000=1-3x2.3x105x0.111/420000＝0.818
[εcf]= kmεcfu=0.017>0.01 取[εcf]=0.01
界限相对高度： ξcfb=0.8Xεcu/(εcu+[εcf])=0.8×0.0033/((0.0033+0.01)=0.1985
混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf应按下列公式进行计算：
1）、fcbx=fyAs－fy＇As＇+Ecfεcf Acf
2)、x＝0.8εcu/εcu+εcf
解得：ξcfbh＝0.1985x650＝129