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設備。因該設備荷載較大，一般民用建筑達不到使用要求。為確保使用安全，需對原建筑進行結構驗算、結構加固等工作。某廠房為三層混凝土框架結構，現(xiàn)需在二層樓面上增加一臺設備，使用活載（6.0KN/m2）超過原樓面使用活載2.5KN/m2。原樓面結構為主次梁現(xiàn)澆板體系（混凝土強度等級C25，板受力筋為Ⅰ級鋼筋，梁受力筋為Ⅱ級鋼筋）。結構驗算表明，樓板和主次梁正截面需進行加固。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟技術可行性比較，并征得業(yè)主的同意，決定采用碳纖維復合材料進行加固。
　　二、材料特性論文
　　1、本工程使用了進口的HEROMAN碳纖維，其主要性能指標見表1。
　　（1）、產(chǎn)品說明
　　HEROMAN碳纖維是將高強碳纖維編織成布，再用專用膠粘劑粘貼在混凝土表面上，達到加固補強的目的。
　　（2）、產(chǎn)品優(yōu)點
　　a高強度、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，適合被加固結構的各種形狀。
　　表1碳纖維布主要性能指標
　　項目 技術指標
　　 Ⅰ型
　　單位面積重量，g/m² 200
　　抗拉強度，Mpa 3100
　　彈性模量，Mpa 2.1×105
　　厚度，mm 0.111
　　2、粘貼用樹脂采用HEROMAN碳纖維配套建筑結構膠，其主要性能指標見表2
　　（1）、產(chǎn)品說明
　　HEROMAN碳纖維膠系A、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)點論文
　　a底涂膠具有粘度低、滲透力強，能很好滲入混凝土表面縫隙，與混凝土結合力強
　　b固化后的膠層物理機械性能和強韌性能優(yōu)異
　　c觸變性強、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、粘結強度高
　　
　　表2HEROMAN碳纖維配套主要性能指標
　　物理性能 項目 HEROMAN碳纖維配套
　　粘度mPa.s A組部分25℃ ≤7500
　　力學性能 可操作時間 ≥30min
　　膠體抗壓強度MPa 25℃3天 ≥75
　　膠體抗拉強度MPa 25℃3天 ≥30
　　膠體彎曲強度MPa 25℃3天 ≥40
　　正拉粘接強度MPa 25℃3天 ≥2.5(C30混凝土破壞)
　　耐久性能 人工老化抗剪強度 強度下降≤10%
　　
　　三、加固設計
　　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；
　　（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；
　　（3）碳纖維材料采用線彈性應力-應變關系：σcf=Ecf×εcf。
　　因本工程建成后未經(jīng)裝修使用，加固設計時忽略碳纖維二次受力的影響。
　　2設計方法論文
　　（1）實用公式
　　根據(jù)極限狀態(tài)應力應變關系，由平衡條件可得：
　　當χ≥2a’時，
　　fcmbx+fy’As’=fyAs+σcfAcf(1)
　　Mu≤σcfAcf(h-χ/2)+fyAs(h0-χ/2)-fy’As’(χ/2-as’)
　　當χ<2a’時，
　　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混凝土結構技術規(guī)程》的規(guī)定，當混凝土受壓區(qū)高度x≤ξcfbh時，其極限彎矩：
　　Mu≤fyAs(h0-0.5gξcfbh)+Ecf[εcf]•Acf（1-0.5ξcfb）(3)
　　其中，界限相對受壓區(qū)高度：
　　ξcfb=0.8εcu/（εcu+[εcf]）
　　3次梁加固設計
　　次梁截面：b×h=400mm×500mm，As=As’=1018mm2
　　截面彎矩：Mu=242Kn•m
　　（1）按實用公式計算
　　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)程公式計算
　　界限相對高度：
　　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）設計結論
　　兩種計算結果相比較，其誤差［δ=（53.1-51.7）/53.1=2.64%］在工程設計誤差許可范圍之內(nèi)。
　　采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布兩層（Acf=66.6mm2），可滿足設計和使用要求。
　　4主梁加固設計
　　主梁截面：b×h=500mm×550mm，As=2233mm2，As’=1960mm2
　　極限彎矩:Mu=450Kn•m
　　（1）按實用公計算
　　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)程公式計算
　　界限相對受壓區(qū)高度:
　　ξcfb=0.1985
　　χ≈29.5mm<ξcfbh=89.3mm
　　根據(jù)公式(3),解得:
　　Acf=109.3mm2
　　（3）設計結論
　　兩種計算結果相比較,其誤差［δ=（112.1-109.3）/112.1=2.5%］在工程設計誤差許可范圍之內(nèi)。
　　采取在梁底粘貼400mm寬碳纖維布3層（Acf=133.2mm2），可滿足設計和使用要求。
　　5構造做法
　　為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力,在梁端每側粘貼100mm寬U型箍3道,在主次梁相交處每側粘貼100mm寬U型箍兩道。
　　1－柱邊3個U型箍，寬100mm，間距100mm；
　　2－次梁每側2個U型箍，寬100mm，間距100mm；
　　3－碳纖維3層
　　四、碳纖維加固補強的施工工藝論文
　　1、根據(jù)設計確定粘貼碳纖維的范圍進行基底處理
　　（1）將砼構件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達到結構密實部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進行必要的處理。對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分進行修補復原；
　　（2）裂縫修補。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；
　　（3）將構件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復后的段差盡量平順。用磨光機把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；
　　（4）清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。
　　2、底層涂刷（底層涂料具有較強的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）
　　（1）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應在可使用時間內(nèi)用完為準；
　　（2）用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；
　　（3）底層涂料固化后，表面有凸起部分時要用砂紙磨光；
　　（4）注意在氣溫小于5C，相對濕度大于85，砼表面含水率在8以上，有結露可能而無可靠保證措施時，均不得施工。
　　3、環(huán)氧膩子對構件表面殘缺的修補
　　（1）構件表面凹陷部位應用環(huán)氧膩子填平，修復至表面平整；
　　（2）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩子填補使之平順。
　　4、貼碳纖維片
　　（1）為了防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受彎折。貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷纖維片，每段長度一般不超過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樹脂，稱為下涂；
　　（4）貼片時，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此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。
　　5、養(yǎng)護
　　粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護24h達到初期固化，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強構件表面，涂刷耐火涂層和色彩。
　　五、碳纖維（片材）加固處理要點
　　在進行結構加固處理前，先對梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進行加固施工。
　　1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層。
　　2、按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，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件轉角處粘貼時，轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于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即進行下一道工序施工。
　　4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補平整，且不應有菱角。
　　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，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結劑粘貼下一層。
　　6、在最后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
　　7、必要時進行表面防護及外觀處理。
　　六、注意事項
　　1、碳纖維片材選擇注意事項
　　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，則構件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補強的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關鍵。
　　2、碳纖維（片材）粘貼注意事項
　　①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。
　　②按設計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，對底層碳纖維片材兩面均應擦拭干凈。
　　④擦拭干凈的碳纖維片材應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.
　　⑤將涂有粘結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，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼碳纖維時，兩片之間孔隙應不小于5mm.
　　⑥需粘貼兩層碳纖維片材時，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應對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)境溫度條件下進行，并應符合配套樹脂的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時，應使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。
　　⑧施工時應考慮環(huán)境濕度對樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應大于4％。
　　⑨樹脂配制時應按產(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)場實際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴格控制使用時間。
　　⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應使用不同型號的粘貼樹脂，這樣才能對樹脂施工的可操作時間和固化時間進行有效控制。
　　七、對碳纖維加固補強技術的展望
　　碳纖維用于砼結構的修復補強雖然時間不長，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：
　　1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；
　　2、不增加結構重量，碳纖維片重量200g/m.～300g/m，設計厚度0.1l1mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對結構自重影響可忽略不計；
　　3、能適應各種結構外形的補強；d）可以多層粘貼。可根據(jù)設計要求，在一個部位重疊粘貼。
　　八、結語
　　工程實踐證明，碳纖維加固技術對于混凝土結構及構件的補強加固效果十分理想，在基本不增大梁的截面尺寸及自重的前提下，該技術在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均達到了業(yè)主的要求，其綜合經(jīng)濟效益和社會效益良好，具有較大的推廣使用價值。