碳纤维布加固修复建筑结构技术浅析
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摘要：文中主要针对建筑结构加固中碳纤维布修复技术的应用优势及性能进行分析。
1研究背景
1.1事故破坏类型占比
在工程项目建设里，如今使用最多的建筑结构是钢框架结构。但是由于其设计与制造还存在不足，再加上施工过程中会遭遇高温、低温等情况，或者遇到腐蚀性物质、承重超负荷及施工管理不当等因素，这些都可能会对钢框架结构造成损坏，引发各种安全事故（见表1）［1］。因此，钢框架结构的加固与修复一直是建筑行业的重点内容。
1.2技术背景
自1981年以来，德国迈尔首先在埃巴赫桥的加固工程中使用了粘贴碳纤维复合材料（CFRP）的方法。随着CFRP增强混凝土技术相关研究的不断深入，其技术性与方法得到了长足发展。在2000年以来，对碳纤维加固修复钢结构技术的研究持续开展，这一技术在研究中取得了阶段性的成果，并在实际的工程施工过程中得以应用。碳纤维布加固技术在应用中表现出的优势是传统钢框架结构加固技术无法比拟的（见表2）。
2碳纤维在加固工程中的特性
（1）碳纤维加固技术主要使用碳纤维布，这类材料属于混合型原料，没有屈服点或塑性区。因此，该材料的强度较高，质量较轻，同时具有更好的耐腐蚀性和抗疲劳性等，所表现出的物理特性非常明显。（2）粘贴碳纤维布材料可以建造出更好的建筑工程结构，提高工程结构的约束力和内应力。因此，碳纤维原材料应用在部分工程建筑的支撑点构件加固施工全过程中，合理提高了建筑结构的极限承载能力，保证了建筑结构整体安全系数和可靠性。（3）碳纤维的抗压强度通常为3500MPa，弹性模量为235×10MPa，厚度范围为0.12~0.45mm，在粘贴碳纤维布的实际加固施工中，操作步骤比较简单，工作周期时间短，有较好的施工经济效益［2］。
3碳纤维在建筑结构加固改造工程中的应用优势
（1）应用范围更广。应用碳纤维进行加固，可替代其他抗弯建筑钢筋，广泛应用于经济适用房，而其他工业建筑是抗震抗裂的，有的可以用来修复必须加强和抗腐蚀的结构。（2）碳纤维具有良好的整体防潮保养效果。在应用碳纤维进行建筑整体加固时，可使用环保碳氧聚氨酯树脂防水密封胶，解决混凝土结构整体表面涂层的防潮问题，由于环保碳氧聚氨酯树脂本身具有较好的防潮保养特性，所以采用碳纤维加固防潮技术，能有效提高整体防潮保养效果。（3）碳纤维增强整体施工的操作方法比较简单，因为这种碳纤维增强原材料重量较轻，同时，所有的工程都可以在很短的施工时间内完成。（4）碳纤维加固工法更有利于切割，根据具体的工程建筑加固工作要求，所有工程建筑内部结构中的碳纤维均可任意切割，加固作业完成后，不会对碳纤维加固材料产生不良影响，同时能大幅增强建筑视觉效果。（5）新型碳纤维结构在工程建筑中具有很强的抗腐蚀和耐高温能力，碳纤维建筑原材料具有较高的耐高温性和可靠性，在实际应用时不会受环境影响，可以有效延长建筑物使用寿命。
4试验研究
4.1试验材料
钢框架结构加固管理系统是一种复合型耐久性管理体系，加固原材料必须能与原结构紧密结合，并赋予原结构额外的抗压和抗弯强度。试验中，采用新日铁公司生产的通用碳纤维布和高强碳纤维布代替传统加固技术中的厚钢板。碳纤维布和钢板的主要物理性能见表3［3］，选用防腐涂料作为粘合剂。组合原材料取代了传统的焊接、铆接和螺栓连接加工工艺，试验表明，常用的结构加固粘结材料的强度和韧性必须足够，才能避免加固构件在钢框架结构塑性变形时产生的粘结破坏，保证内应力在碳纤维布与钢构件之间的有效传递。此外，钢筋施工规范等要素的满足条件中，必须有适度的干燥标准、时间、固化粘度和固化收缩率、流动性等。粘接原材料有钢构件底部环氧树脂和碳纤维布粘接环氧树脂两种，为了验证不同环氧树脂的实际粘接效果，选择了五种不同的粘接材料。
4.2试件设计
试验1：碳纤维布加固修复钢构件抗拉特性：本实验基于在钢架结构缺陷部位碳纤维布的粘接，对碳纤维布对钢框架结构缺损部位的修复效果进行检测。不锈钢板和原材料强度的提高，以牺牲承载能力。实验分三批，选取两种样品。在实验里需要对以下主要参数进行研究：粘接量、粘接原材料、粘接方法、粘接加工工艺和粘接长度。试验2：粘贴碳纤维复合材料加固及钢框架结构试件疲劳特性修复：在修复吊车梁圆弧端模型试件的疲劳裂纹的处理上应用三种方案，经过各种加固技术并在一定的疲劳内应力幅效应下，改善钢框架结构的疲劳特性。
4.3荷载与位移的数据采集
试验前，需要校准张力压力传感器和压力表，试验过程中，试样纵向承载力的大小的确定来源于手夹泵上安装的压力表的读数值，整个水平连续加载的过程中，样本的大小不会发生变化。试样水平承载力的大小由组装在推拉门的顶部的拉压传感器传输到动态电阻应变计，由XY函数记录仪绘制的图形得出纵向承载力的大小。在上承重梁的顶部安装位移计，需要充分考虑在承载力水平下橡胶支座出现滚动的情况。为了消除橡胶支座滚动的危害，可另外安装一个位移计以及一个墙体上方的位移计在下承重梁的顶部，按全接力法减小，承受动态电阻应变，以准确获取承载力水平下的墙体变形量的准确数据。X-Y函数公式计算它的大小，相应的图形将由记录仪绘制、导出。为准确测量墙体上方的侧角，在其上方中间位置安装测斜仪，接收电阻应变计上的静态数据，并根据数显计数器指示读数，以便对墙体顶点水平位移进行修正。
5碳纤维布在建筑结构加固改造工程中的应用
5.1碳纤维布加固在多种混凝土受力构件中的应用
基于上述相关内容，可以认识到碳纤维结构加固施工方法的一些关键优势，有效选择原材料可以确保碳纤维和各种混凝土承重构件得到充分利用，碳纤维加固可为工程建筑提供混凝土，在工程建筑加固和施工承载力水平上可合理满足各种混凝土承载力构件的高技术要求。第一个是用碳纤维构件增强的混凝土的前横截面，在反复使用碳纤维原料加固方法的基础上，对此类加固方法进行试验，发现碳纤维复合材料构件加固后，明显提高了混凝土部分构件的承载抗压强度，构件的承载能力得到再度提升。当出现裂纹时，发现间隙的总宽度显著减小。当用碳纤维原料增强的某些构件的承载力和抗压强度达到一定值时，混凝土截面构件上产生的缝隙总数明显变少，构件的表层遍布整个构件。顶部更对称。二是这种碳纤维增强混凝土构件在施加内力时。将各种碳纤维复合材料均匀地盘绕在混凝土结构施工柱上，灌封时注意各种碳纤维复合材料的对称性，不仅可以有效提高工程建筑柱的抗压强度，还能提高混凝土柱结构的可靠性，除了工程建筑混凝土上的柱子外，碳纤维增强施工方法也可以应用于工程建筑混凝土的圆柱体，有效地增加所有圆柱体的承载力，在一定的载荷和工作压力作用下，应用该类钢筋时，混凝土构件受力后会产生一定的侧向变形，而碳纤维加固方法对侧向变形的管束具有一定的实用效果，能给予一定的侧向承载约束，从而合理提高受力构件的侧向承载特性。最后，在一些老式工程建筑中，应用这种碳纤维底部加固施工方法，可以显著提高混凝土结构主要构件的防潮、抗弯冲刷性能。施工人员还应根据具体的建筑工程设计要求，选择有效合理的加固方法，适当设置支撑点总数，进一步提高混凝土结构构件的抗弯抗裂性能。在一些较老的碳纤维加固施工方法中，人们通常选择应用结构卷曲或粘胶加固，以显示碳纤维复合材料加固的优点，使其能够达到一定的加固施工和结构抗压强度增加的实际效果，而这种加固施工方法所提供的作用也比较理想，但也存在一定的技术缺陷。这种加固方法比较复杂，短期内无法进行。因此，建议在加固施工中使用一种加固U型复合碳纤维原材料进行粘贴，从而达到更好的结构加固实际效果。
5.2碳纤维布加固的步骤与工艺流程
在逐步进行碳纤维加固结构的施工前，整个建筑的主体结构和表面的表层部分应进行底漆底层加固，后期应根据实际工程施工规定，进行科学合理的部分底胶粘接。混合并准备加固工作。同时，在必须加固的部位涂上底层粘合剂，待表面完全恢复光洁度后，再涂一层新的底漆粘合剂，两层粘合剂的相互影响，在每层铺上碳纤维塑料薄膜和底漆，以保持纤维层。为确保碳纤维复合材料墙体加固的质量能够真正达到并保证实际效果，施工团队必须在施工前做好结构底层墙体表面的清理工作，去除底层表面的残留物。一切清理干净，只露出混凝土结构表面的坚固部分，如果仍有一定量的残留物，应立即清理墙面，确保工程建筑结构表面平整，结构上的一些缝隙要及时处理。建议技术专业施工队综合区分缝隙总宽度，尽早进行缝隙填充和封闭，在整个建筑施工设计过程中，粘合剂的大量使用并不一定涉及其他结构，碳纤维粘接加固所必须使用的各种粘合剂，碳纤维粘合加固中需要使用的各种粘合剂最好一次性使用完，二次使用会容易发生一定的结构质变，无法完全达到最终的钢筋混凝土粘合加固效果。碳纤维加固工作完成之后，需要组织施工人员对本次加固的施工效果进行检查，如果发现空鼓或存在翘边的现象，要及时对其做出修补处理。
6结语
一般来说，碳纤维建筑装饰材料的加固对于专业技术人员来说更具优势，在大中型建筑行业中，属于新型工程建筑加固的专用材料。与一些普通的加固材料相比，碳纤维原材料加固技术的实际操作要求相对较低，无需使用一些大中型工程机械设备，可人工操作，施工过程相对简单，施工时不易对建筑结构本身造成伤害，同时可提高建筑结构的稳定性，保证其具有一定的承载能力。
参考文献
［1］宁宝宽，胡海涛，徐永泽，等.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁力学性能试验［J］.建筑结构，2020，50（6）：5.
［2］鲁艳蕊，马凤华，别治明.碳纤维复合材料加固古建筑木结构技术应用研究［J］.塑料科技，2020，48（4）：135-140.
［3］葛文杰，宗耀锋，仇胜伟，等.碳纤维布粘贴加固BFRP筋-ECC-混凝土组合梁受弯性能研究［J］.建筑结构学报，2021，42（S01）：10.
作者:胡文 单位:山东建科建筑设计有限责任公司
