碳纖維布在鋼筋混凝土結構加固施工中的應用

2025-06-24 00:00:00柳毅

佛山陶瓷 2025年4期

1前言

碳纖維布具有質量輕、耐腐蝕性強、較強的抗老化能力等特點，在結構加固方面得到了廣泛的應用。將其用在鋼筋混凝土結構加固方面，施工較為便利，只需通過樹脂類材料將碳纖維布粘貼到結構構件表面就會形成復合材料體CFRP，且會和相關結構構件充分結合、形成一體，能夠有效增強結構構件性能，對其進行加固。

2碳纖維布在鋼筋混凝土結構加固施工內容2.1碳纖維布加固技術應用前提

碳纖維布加固技術主要適用于鋼筋混凝土結構中承載力不足或出現裂縫的情況。但并非所有的構件破壞都能使用該技術，當混凝土強度等級低于C15時不能使用碳纖維布加固技術。如果構件破壞嚴重，如出現大面積混凝土剝落、鋼筋嚴重銹蝕等情況，僅使用碳纖維布加固可能無法達到預期效果，需要綜合考慮其他加固方法或進行結構重建。

2.2碳纖維布加固鋼筋混凝土梁構件

2.2.1適用情況及加固方法

對于底部出現裂縫的梁，若裂縫寬度較小，可先對裂縫進行修補處理，然后在梁底部受拉區域粘貼碳纖維布進行加固。粘貼寬度應根據梁的跨度、裂縫寬度等因素確定，一般為 100mm-300mm 。碳纖維布從梁的一端粘貼至另一端，粘貼層數通常為1-3層，具體層數需根據梁的承載力需求進行計算確定。

當梁出現通縫時，應先對裂縫進行高壓注漿等方式進行處理，確保裂縫內部填充密實。然后在梁底部及側面受拉區域大面積粘貼碳纖維布進行加固，粘貼寬度可適當增加至 300mm-500mm ，粘貼層數也相應增加，一般為3-5層。碳纖維布從梁的兩端向中間粘貼，在梁的轉角處應進行收口處理，可采用專用的收口膠或附加一層碳纖維布進行加強[2]。

2.2.2施工流程

（1）施工準備：清理梁表面，去除油污、浮漿等雜質，露出堅實的混凝土層，同時對梁的裂縫進行修補處理，確保表面平整無缺陷。

（2）表面處理：對梁表面進行打磨處理，以提高碳纖維布與混凝土之間的粘結力。涂抹底層膠或界面劑，以增強碳纖維布與混凝土之間的粘結效果。

（3）碳纖維布粘貼：將碳纖維布裁剪成適當尺寸，并用浸漬膠或專用膠水均勻涂抹在其表面。對于底部裂縫的梁，將碳纖維布粘貼在梁底部受拉區域；對于通縫的梁，將碳纖維布粘貼在梁底部及側面受拉區域。確保粘貼牢固、無氣泡和褶皺。對于多層粘貼的情況，應確保每層之間的粘結效果，并逐層進行滾壓處理。

（4）固化養護：粘貼完成后，應對碳纖維布進行固化養護處理，以確保其粘結效果和性能穩定，養護期間應避免對梁進行外力作用或振動干擾。

2.3碳纖維布加固鋼筋混凝土柱構件

2.3.1適用情況及加固方法

當鋼筋混凝土柱構件承載力不足或需要提高抗震性能時，可采用碳纖維布橫向包裹的方式進行加固。對于不同的柱截面尺寸和承載力需求，碳纖維布的包裹層數和寬度有所不同。一般來說，柱截面較小、承載力需求較低時，可采用2-3層碳纖維布，包裹寬度為 200mm- 300mm ；柱截面較大、承載力需求較高時，可采用3-5層碳纖維布，包裹寬度為 300mm-500mm 。碳纖維布從柱底部開始包裹，向上連續粘貼至柱頂部，在柱的轉角處應進行收口處理，可采用專用的收口膠或附加一層碳纖維布進行加強。

2.3.2加固原理

通過碳纖維布的作用能夠實現對內部混凝土的限制，混凝土柱在較強軸向壓力的作用下會發生一定程度的橫向膨脹，這就會使得外包碳纖維布在環向產生一定的伸長量，也就會提升側向的約束能力。在利用碳纖維布進行混凝土限制過程中會在不同時期形成不同的受力形式，在初期混凝土還處在線彈性階段，并不會產生較大的橫向變形，所以也不會造成碳纖維較大的橫向變形，會在混凝土峰值應力周邊形成分界點。隨著混凝土構件負載的增加，其變形逐漸增大，在達到極限值后就會產生非常強烈的橫向膨脹變形，環向約束力有所增加，也提升了混凝土的極限壓應變，使得鋼筋所具備的塑性變形能力充分發揮出來，能夠大幅提升構件的延性。

2.4碳纖維布加固鋼筋混凝土框架節點

2.4.1適用情況及加固方法

在較為強烈的地震影響下，鋼筋混凝土框架結構會出現一定程度的破損甚至坍塌，其主要原因在于節點受到了破壞，所以對鋼筋混凝土框架節點采取措施進行抗震加固是非常必要的。利用碳纖維布加固鋼筋混凝土框架節點時，首先需要評估節點的現狀及所需達到的性能目標，然后根據評估結果設計加固方案，包括選擇合適的碳纖維布類型、確定鋪設層數和方向等。

對于輕微損壞的節點，可在節點表面粘貼一層或兩層碳纖維布進行加固，粘貼寬度為 100mm-200mm ，從節點核心區向外粘貼至梁、柱表面一定距離。

對于嚴重損壞的節點，可在節點核心區及周邊梁、柱表面粘貼多層碳纖維布進行加固，粘貼寬度為 -500mm ，碳纖維布從節點核心區向四周粘貼，在轉角處進行收口處理。

2.4.2施工流程

（1）評估與設計：評估節點的現狀及所需達到的性能目標，根據評估結果設計加固方案。（2）卸荷處理：加固前應對所加固的構件盡可能卸荷。（3）表面清理：對框架節點表面進行清理和處理，去除表面的油污、浮漿等雜質，露出混凝土結構新面。（4）涂布底膠：在節點表面涂布底膠，以提高碳纖維布與混凝土之間的粘結力。（5）碳纖維布粘貼：按照設計要求裁剪碳纖維布，并涂抹粘貼樹脂后粘貼在節點表面。粘貼過程中要確保碳纖維布平整無褶皺，并充分浸潤粘貼樹脂。（6）固化養護：粘貼完成后進行固化養護，確保碳纖維布與混凝土之間的粘結力達到設計要求。

碳纖維布加固后，節點的承載能力顯著提高，能夠有效抵抗外部荷載的作用，并且碳纖維布加固能夠增強節點的抗震承載力、延性和剛度，提高框架結構的整體抗震性能。另外，碳纖維布對混凝土裂縫的擴展具有顯著的約束作用，能夠延緩節點的破壞過程。通過碳纖維布加固，可以延長鋼筋混凝土框架節點的使用壽命，減少維修和加固的頻率。

3碳纖維布在鋼筋混凝土結構加固施工中的案例分析

3.1工程概況

某綜合性辦公樓采取的是框架混凝土結構形式，獨立基礎設施，共包括4層，其中1層高度 4.5m，2-4 層高度 3.3m ，整體建筑面積約。此辦公樓是在原有辦公樓周邊新建項目，建筑的原有外立面主要采取的是真石漆，之后按照實際需要變更為干掛石材的形式。為了確保建筑結構的穩定性，需要通過計算分析判定建筑所需加固區域，采取針對性措施對其進行加固處理。

3.2建筑加固設計分析

第一，計算分析。因為此建筑屬于新建項目，所以并沒有對原有建筑結構實施相關檢測鑒定。但是此建筑外立面進行了相應變更則會對整個建筑的結構載荷產生影響，為了能夠最大程度保證整個結構的安全性，有必要對外墻面載荷開展復核驗證。通過計算分析、軟件仿真分析可知原有的結構基礎所具備的承載性能、框架混凝土梁柱所具備的承載性能都可以滿足變更需求，無需對其實施加固處理。但是某些樓層的邊框梁底配筋則無法滿足變更的需求，需要采取必要的措施進行加固處理，否則容易引發此建筑結構的安全隱患[3]。

第二，加固方案設計。通過分析可知，該建筑結構的鋼筋混凝土梁底配筋有所不足，針對此問題初期設定增大梁底截面積、梁粘貼碳纖維布加固的方案進行處理。① 梁底增大截面加固措施。該措施需要經過較為復雜的流程，包括鑿除保護層一植筋一進行鋼筋綁扎一進行模板支設一進行灌漿料的澆筑一混凝土的養護，內容較多、施工周期較長。

② 梁粘貼碳纖維布加固措施。此種加固方案只要經過簡單的操作流程就可完成，首先對于梁底和側部混凝土表面進行打磨，然后進行碳纖維布的粘貼，最后對于碳纖維布表面進行防護即可，施工周期相對較短。

通過兩種方案的對比可知，粘貼碳纖維布的方案施工周期相對較短且成本較低，所以該工程確定采用粘貼碳纖維布的方式進行鋼筋混凝土的加固。在確定碳纖維布粘貼方案時要計算相應參數指標，具體情況如表1所示。

遵照《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）的相關標準，按照如上參數指標，最終確定鋼筋混凝土梁底部粘貼碳纖維布加固采取2道（每層厚度 0.167mm ）I級碳纖維布，可以有效滿足該工程梁承載性能需要。

第三，碳纖維布加固施工的具體方式。

① 進行準確的施工選材。按照該工程的具體參數指標，確定選取高強I級的碳纖維布，單層厚度約0.167mm ，其單位面積質量約。施工所用的粘結用膠主要為A級結構膠，嚴格控制其性能指標，保證其滿足國家標準《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》（GB50728-2011）的相關要求[4]。

② 具體施工內容。為了保證碳纖維布的粘貼質量，一定要確保其施工遵照相關標準來進行，包括：《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》（GB50550-2010）《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）等。在具體施工時要特別注意如下幾個方面：

一方面，為了確保良好的施工質量，需要嚴格控制施工環境溫度，一般情況下施工要在 5% 以上情況下進行，同時要確保施工環境滿足所用樹脂的溫度要求。一旦環境溫度低于 5% ，需要挑選滿足低溫環境的相應樹脂，或者采取對應的升溫措施來控制環境溫度。

另一方面，利用硬質毛刷來對混凝土構件進行清理，通過高效洗滌劑清理掉構件表面的油污雜物，之后用冷水將其沖洗干凈，之后再對粘接面實施打磨處理，一般情況下要打磨掉 2-3mm 厚度，確保全新的表面顯露出來，之后要通過無油壓縮空氣來將表面徹底吹掃干凈，在保證表面徹底干燥之后就可以通過脫脂棉沾丙酮將其擦拭干凈。需要注意的是，為了確保碳纖維布的粘貼充分性，若是存在轉角區域，需要將其打磨成半徑≥25mm 的圓弧。

然后，進行粘浸膠的配置。主要采取雙組份的粘浸膠進行纖維布的粘貼，要利用不同的器具對兩個組份分別進行攪拌，之后嚴格遵照說明書的規定對兩種組份進行混合配制，通過攪拌器將其充分攪拌，保證均勻性。需要注意的是，膠進行攪拌時要沿著同個方向來進行，防止空氣的進入而產生氣泡，一般情況下每次的配置量 lt;3kg 為適宜。

之后要對碳纖維布進行裁剪和粘貼。要根據構件加固現場的實際情況確定碳纖維布的裁剪尺寸，裁剪之后要將配置好的粘浸膠均勻的涂抹到混凝土粘貼面以及碳纖維布上，特別是對于拐角等特殊位置可以適度增加膠量。然后將適宜尺寸的碳纖維布拉緊對齊之后輕壓到粘貼位置，之后通過專門的器具（包括：刮板、滾筒等）順著同個方向多次輥壓，完全將內部氣體排出，一直到有膠料滲出即可。在手指觸碰纖維布感覺干燥之后就可以進行下層的粘貼，同時要在最后一層的碳纖維布表層涂抹粘浸膠來進行防護。對于某些特殊位置來說，如果纖維布長度不足則可以采取搭接的方式，但是要確保搭接長度？200mm 。

3.3碳纖維布加固效果評估

3.3.1加固前后梁受力變化分析

（1）加固前梁的受力狀況

已知設計截面彎矩值為 324kN.m ，這是加固前梁在現有結構體系下的受力表現，表明梁底配筋不足，無法滿足外立面變更后的荷載需求。

（2）加固后梁的受力提升估算

1）碳纖維布的力學貢獻計算

采用2道I級碳纖維布，每層厚度 0.167mm ，纖維抗拉強度設計值，纖維 $0.007＼$ O