碳纤维材料在某住宅阳台加固中的应用

李文军

【摘要】针对住宅中悬挑阳台板钢筋保护层超标引起的抗弯刚度不足现象，从加固处理方案设计、碳纤维修复材料应用方面进行分析，提出应用方案。结果表明，碳纤维修复补强工艺施工简便，达到了结构补强及改善受力性能的目的。

【关键词】阳台板；钢筋保护层超标；抗弯强度不足；加固设计

工程概况

某住宅小区一栋号楼在一次在建工程建筑质量检查中发现，三层至四层部分阳台出现板顶裂缝。经现场勘验、查验设计图及施工过程等多方信息，认为突出的问题是阳台钢筋保护层超标引起的抗弯刚度不足现象，随即要求施工方对保护层厚度超过规范要求的阳台，采取加固措施。

2．碳纤维加固方案设计

阳台板结构为单臂悬挑板，悬挑长度l=1200mm，悬挑板上侧四周为薄板围墙。考虑到住宅工程的阳台空间有限和加固后对使用效果影响最小，最终制定了采用外贴CFRP（碳纤维布材料）加固方法进行加固碳纤维加固方案。这种加固方法具有自重轻，强度高，能灵活运用于抗弯和抗剪加固而不改变室内空间使用，同时具有良好的抗震、抗磨蚀性能。其具体的设计与施工技术方案如下：

2.1 加固前的设计最大弯矩计算

根据建筑规范，计算中荷载设计荷载取值分别为：面荷载=4.34KN/m2;线荷载=2.35KN/m;活荷载=2.0KN/m2。计算简图如图1所示.

其中: P1与P1为阳台板侧边的围墙荷载；q为阳台板自身面荷载，计算值分别为：

P1=0.5*2*2.35*1.2=2.82KN

P2=0.5*2.35*3.0=3.53KN

q=4.34*3.0+2.0=15.02KN/m

则加固后的设计最大弯矩应为：

M0=0.5ql2+P1l1+P2l2

=0.5*15.02*1.22+2.82*0.6+3.53*1.2

=16.75KN.m

2.2 CFRP加固法抗弯设计校核

取阳台板中部最不利位置(即悬挑板根部)的单位宽度板进行计算,同时考虑原受力钢筋的作用。选用0.16mm×300mm 型CFRP（碳纤维布），板顶粘贴3条长为1770mm的单层碳纤维布,并用2条长为3000mm横向纤维布进行锚固，使得加固的抗弯应力可以均匀地分布在阳台板上，同时在建筑外墙内侧贴一条长为3000mm横向锚固纤维布，进一步提高锚固性能，如图2所示。

根据建筑规范，首先计算相对受压区高度x，

x=(fyAy+ffAf)/fcmb

=(310*2512+3500*48)/11*1000=86.07mm

其中各参数取值分别为：fcm=11/mm2; b=1000mm; fy=310N/mm2; ff=3500N/mm2; as=15mm; h0=120-15=105mm;

则采用碳纤维布加固后的弯矩为，

M=(fyAy +0.85* ffAf)(h0-0.5x)

=(310*2512+0.85*3500*48)(105-0.5*86.07)

=17.45KN.m >M0=16.75KN.m

满足设计要求。

3. 施工方案

外贴CFRP加固砼结构的施工流程为：

基处面理→基面清洗→涂刷底胶→粘贴面修补→粘贴CFRP→养护→外表防护处理。

在加固施工中严格按照相关施工规范执行，具体做法如下：

1)砂轮认真清除和打磨基面，裂缝用环氧树脂修补；

2)基面清洗，充分干燥后再进行下一道工序；

3)涂刷底胶，待底胶指触干燥后，进入第二道工序；

4)粘贴面修补，对粘贴面上的凹入部位，用环氧腻子修补，待其干燥后，进入第二道工序；

5)粘贴CFRP，使用FR-E3P结构胶粘贴，CFRP的下料长度，应在现场根据施工经验和作业空间确定；

6)养护，CFRP粘贴后，用聚乙烯板的进行养护；

7)外表防护处理，在表面涂抹砂浆进行防护。

4.结论

碳纤维片的重量轻、强度高、随形性好，能适应各种复杂结构外形的修复补强，对结构重量的影响甚微；碳纤维修复补强工艺施工简便迅速，无需任何夹具、模板和支撑，虽然碳纤维本身的价格高于其他材料，但施工费用大大降低。它免除了钢板补强、混凝土补强等传统方法所需的植筋锚固、装拆夹具、立模、支撑、灌注混凝土、养护、拆模等繁杂的工序和辅助设施，而且占用空间小，即使在高空作业，也只需设置简易工作平台即可。因此，用碳纤维片修复补强混凝土结构的综合造价将低干传统的补强方法，经济效益视具体工程情况而定，越是复杂结构其效益将愈明显。另外，碳纤维片补强有非常良好的抗腐蚀性能和耐久性，不需作任何防腐处理，而粘钢加固则需做定期防锈、防腐处理。因此，碳纤维片修复补强技术具有明显的技术经济效益。

由于碳纤维片修复补强的施工简便迅速、施工周期短、占用空间小，使施工对周围的影响降低到最低限度。例如：城市桥梁、大型公用设施、工业与民用建筑的维修，为了减少施工带来的损失，必要时在一定条件下还可在交通设施正常运营、工厂正常生产的情况下进行作业，因此有一定的社会效益。对受意外灾害，特别是地震灾害引发的房屋、桥梁等混凝土结构物的震损，用碳纤维片快速修复，使城镇人民的生产、生活尽快恢复正常，则其社会效益和环境效益都将是巨大的。

自采用碳纤维布对本工程抗弯性能不足的混凝土阳台板进行了加固设计与施工以来，该小区相关阳台未再出现开裂现象，一致使用至今。

参考文献:

【1】郝玉峰,马晨光碳纤维加固混凝土结构的施工工艺工程质量 2001.No.8

【2】张自荣,张素梅,李允阳 碳纤维加固钢筋混凝土梁杭弯性能试验研究 长春工程学院学报（自然科学版）2001年第2卷第4期

【3】田水，朱墩．纤维增强塑料（FRP）在结构加固工程中的应用．建筑结构，2000,30(3) :40-43

【4】岳清瑞，陈小兵，牢宏远．碳纤维材料（CFR）加固修补混凝土结构新技术.工业建筑，1998，28（11）：l－5.

【5】万颖 碳纤维布用丁钢筋混凝十梁抗弯加固 建筑研究与应用 2001.3

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