碳纤维片材加固混凝土结构技术

第一节碳纤维片材加固混凝土结构技术第一小节总则为使碳纤维片材加固混凝土结构的工程，做到技术可靠、安全适用、经济合理、确保质量，制订本规程。本规程适用于房屋建筑和一般构筑物混凝土结构加固的设计、施工及验收。采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构的设计、施工及验收，除应符合本规程的规定外，尚应遵守国家现行有关标准的规定。采用粘贴碳纤维片材加固的混凝土结构，长期使用的环境温度不应高于60℃。处于特殊环境（腐蚀、放射、高温等）中的混凝土结构采用碳纤维片材加固时，尚应遵守国家现行有关标准的规定，并采取相应的防护措施。采用碳纤维片材加固混凝土结构前，应按国家现行有关标准对原结构进行检测鉴定。采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应由对该加固方法熟悉的设计人员进行设计，并由专业施工队伍进行施工。第二小节材料【1】一般要求采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构加固时，应使用聚丙烯腈基（PAN基）12k或12k以下的小丝束碳纤维片材、配套的改性环氧树脂胶粘剂和表面防护材料。加固用材料应具有质检部门的产品安全性能检测报告和产品合格证；碳纤维片材和配套胶粘剂应具有符合本规程第3.2节和第3.3节规定的安全性能；对配套胶粘剂还应提供耐湿热老化性能指标及施工和使用环境要求。本规程所列碳纤维片材的安全性能指标是对单向碳纤维片材的要求。混凝土、钢筋和其它材料的有关设计指标应按国家现行有关标准采用。【2】碳纤维片材碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净截面面积计算。净截面面积取碳纤维布的计算厚度乘以宽度。碳纤维布的计算厚度应取碳纤维布的单位面积质量除以碳纤维密度。碳纤维板的性能指标应按板的截面（含胶）面积计算，截面（含胶）面积取实测厚度乘以宽度。碳纤维片材的受拉性能应按现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定。单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量不宜低于150g/m2，且不应高于300g/m2。碳纤维板的厚度不宜大于2.0mm，宽度不宜大于200mm，纤维体积含量，对I级板，不应小于65%；对II级板，不宜小于60%，且不应小于55%。【3】配套胶粘剂采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固时，应采用与碳纤维片材配套的底胶、修补胶和具有良好浸渍、粘结能力的结构胶粘剂。配套的改性环氧树脂胶粘剂应按现行国家标准《混凝土结构加固设计规范》GB50367规定的环境条件和试验方法进行耐湿热老化性能检验，其老化后的拉伸剪切强度降低百分率应符合下列要求：对A级胶不得大于10%；对B级胶不得大于15%。【4】表面防护材料对已加固完毕的结构表面应进行防护处理。防护材料的粘结性能应与碳纤维片材表面涂刷的胶粘剂相容，并能可靠粘结。选用的防火材料及其处理方法，应使加固后的建筑物达到要求的防火等级。当被加固的结构处于特殊环境时，应根据具体情况选用有效的防护材料。第三小节设计规定【1】一般规定采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应通过配套的改性环氧树脂胶粘剂将碳纤维片材粘贴于构件表面，使碳纤维片材承受拉力，并与混凝土变形协调，共同受力。碳纤维片材可采用下列方式对混凝土结构构件进行加固：在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固，纤维方向应与加固部位的受拉方向一致。采用环形箍或U形箍对梁、柱构件进行受剪加固，纤维方向宜与构件轴向垂直。采用环向围束粘贴对柱进行抗震加固，纤维方向应与柱轴向垂直。采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应按本规程规定的极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。钢筋和混凝土材料宜根据检测得到的实际强度，按国家现行有关标准确定其相应的材料强度设计指标。碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变，按线弹性应力应变关系确定其相应的应力。碳纤维片材应取置信水平为0.99、保证率为95%的极限抗拉强度作为抗拉强度标准值fcfk。碳纤维片材的极限拉应变cfu应取其抗拉强度标准值fcfk除以弹性模量Ecf。当采用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加固时，应考虑加固后对结构中其它构件或构件的其它性能可能产生的影响。采用粘贴碳纤维片材进行结构加固时，宜卸除作用在结构上的活荷载。如不能在完全卸载条件下进行加固，应考虑二次受力的影响。在受弯加固和受剪加固时，被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应低于C15。加固设计时，应采取措施使原结构、构件不致因碳纤维片材加固部位意外失效而导致坍塌。【2】构造要求当碳纤维布沿其纤维方向需绕过构件转角粘贴时，构件转角处外表面的曲率半径不应小于20mm。碳纤维布沿纤维受力方向的搭接长度不应小于100mm。当采用多条或多层碳纤维布加固时，各条或各层碳纤维布的搭接位置应相互错开。为保证碳纤维片材可靠地与混凝土共同工作，必要时应采取附加锚固措施。【3】受弯加固1、采用碳纤维片材对梁、板构件进行受弯加固时的承载力计算，除应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010对受弯构件正截面承载力计算的基本假定外，尚应符合下列要求：构件达到受弯承载能力极限状态时，碳纤维片材的拉应变按截面应变保持平面的假定确定，但不应超过碳纤维片材的允许拉应变[]；当考虑二次受力影响时，应根据加固的荷载状况，按截面应变保持平面的假定计算加固前受拉区边缘混凝土的初始应变；碳纤维片材的拉应力应取碳纤维片材弹性模量Ecf与其拉应变的乘积Ecf；（4）在达到受弯承载能力极限状态前，碳纤维片材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。对翼缘位于受压区的T形截面受弯构件，当在其受拉面粘贴碳纤维片材进行受弯加固时，应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010关于T形截面构件受弯承载力的计算方法进行计算。计算正截面受弯承载力时，尚应符合下列要求：受压区高度x不宜大于0.8ξbh0，其中界限相对受压区高度ξb应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定计算；加固后受弯承载力的提高幅度不应超过40%；加固后在荷载效应标准组合下受拉钢筋的拉应力不应超过钢筋抗拉强度标准值。当碳纤维片材粘贴于梁侧面的受拉区进行受弯加固时，粘贴区域宜在距受拉区边缘1/4梁高范围内。且宜将侧面碳纤维片材的截面面积乘以折减系数，其中为侧面碳纤维片材的粘贴高度。对受弯加固的构件尚应验算构件的受剪承载力，避免受剪破坏先于受弯破坏发生。对梁、板正弯矩区进行受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至支座边缘。在集中荷载作用点两侧应设置构造的碳纤维片材U形箍（对梁）或横向压条（对板）。碳纤维片材的切断位置距其充分利用截面的距离不应小于按下式计算得出的粘结延伸长度ld，并应延伸至不需要碳纤维片材截面之外不小于200mm。当碳纤维片材延伸至支座边缘仍不满足规定时，应采取下列锚固措施：对于梁，在碳纤维片材延伸长度范围内应设置碳纤维片材U形箍锚固。U形箍宜在延伸长度范围内均匀布置，且在延伸长度端部必须设置一道。U形箍的粘贴高度宜伸至板底面。每道U形箍的宽度不宜小于受弯加固碳纤维布宽度的1/2，U形箍的厚度不宜小于受弯加固碳纤维布厚度的1/2。对于板，在碳纤维片材延伸长度范围内应通长设置垂直于受力碳纤维方向的压条。压条宜在延伸锚固长度范围内均匀布置，且在延伸长度端部必须设置一道。每道压条的宽度不宜小于受弯加固碳纤维布条带宽度的1/2，压条的厚度不宜小于受弯加固碳纤维布厚度的1/2。当碳纤维布延伸至支座边缘时，若延伸长度小于按公式计算所得长度的1/2，应采取可靠的附加机械锚固措施。当采用碳纤维板时，应在其延伸长度端部采取可靠的机械锚固措施。对梁、板负弯矩区进行受弯加固时，碳纤维片材的截断位置距支座边缘的延伸长度对板不小于1/4跨度，对梁不小于1/3跨度。当采用碳纤维片材对框架梁负弯矩区进行受弯加固时，应采取可靠锚固措施与支座连接。当碳纤维片材需绕过柱时，宜在梁侧4范围内粘贴。板受弯加固时，碳纤维片材宜采用多条密布方案。当沿柱轴向粘贴碳纤维片材对柱的正截面承载力进行加固时，碳纤维片材应有可靠的锚固措施。【4】受剪加固1、采用碳纤维片材对钢筋混凝土梁、柱构件进行受剪加固时，应符合下列规定：碳纤维片材的纤维方向应与构件轴向垂直；应优先采用环形箍，也可采用U形箍。对碳纤维板，可采用双L形板形成的U形箍；当碳纤维片材采用环形箍或U形箍布置时，其净间距scf不应大于现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010规定的最大箍筋间距的0.7倍；4U形箍粘贴高度hcf宜取构件截面高度。在U形箍的上端，尚应粘贴纵向碳纤维片材压条。2、构件的受剪截面尺寸应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定。【5】柱的抗震加固柱的抗震加固应采用环向围束式粘贴碳纤维片材的方法。柱端箍筋加密区的总折算体积配箍率应按下列公式计算，并应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010对柱端箍筋加密区体积配箍率的要求。碳纤维片材在箍筋加密区宜连续布置。碳纤维片材两端应搭接成环向围束。碳纤维片材条带的搭接长度不应小于150mm，各条带搭接位置应相互错开。第四小节施工规定【1】一般规定采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构，应由熟悉该技术施工工艺的专业施工队伍承担，并应有加固施工技术方案和安全措施。施工必须按照下列工序进行：施工准备；混凝土表面处理；配制并涂刷底胶；配制修补胶并对混凝土表面不平整处进行填补和找平处理；配制并涂刷结构胶粘剂；粘贴碳纤维片材；表面防护。施工宜在环境温度为5℃以上的条件下进行，并应符合配套胶粘剂要求的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应采用低温固化型的配套胶粘剂或采取升温措施。施工时应考虑环境湿度对胶粘剂固化的不利影响。在进行混凝土表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。胶粘剂配制时，应按产品使用说明书中规定的配比称量并置于容器中，用搅拌器搅拌至色泽均匀。在搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质。应根据现场实际环境温度确定胶粘剂的每次拌和量，并按要求严格控制使用时间。【2】施工准备应认真阅读设计施工图。应根据施工现场和被加固构件混凝土的实际状况，拟订施工技术方案和施工计划。应对所使用的碳纤维片材、配套胶粘剂、机具等做好施工前的准备工作。【3】表面处理应清除被加固构件表面的夹渣、疏松、蜂窝、麻面、起砂、腐蚀等混凝土缺陷，露出混凝土结构层，并修复平整。对较大的孔洞、凹陷、露筋等部位，在清理干净后，应采用粘结能力强的修复材料进行修补。应按设计要求对裂缝进行灌注或封闭处理。被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧曲率半径不应小于20mm。4、混凝土表面应清理干净并保持干燥。【4】涂刷底胶应按胶粘剂生产厂家提供的工艺条件配制底胶。应采用滚筒刷将底胶均匀涂抹于混凝土表面。在底胶表面指触干燥时，立即进入下一工序的施工。【5】找平处理应按产品生产厂家提供的工艺条件配制修补胶。应对混凝土表面凹陷部位用修补胶填补平整，不应有棱角。转角处应采用修补胶修成光滑的圆弧，其曲率半径不应小于20mm。宜在修补胶表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。【6】粘贴碳纤维片材1、应按下列步骤和要求粘贴碳纤维布：应按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；应按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂，并均匀涂抹于粘贴部位；将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压，挤除气泡，使胶液充分浸透碳纤维布；滚压时不得损伤碳纤维布；多层粘贴时应重复上述步骤，并应在纤维表面的结构胶粘剂指触干燥时立即进行下一层粘贴；应在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹结构胶粘剂。2、应按下列步骤和要求粘贴碳纤维板：应按设计要求的尺寸裁剪碳纤维板，并按生产厂家提供的工艺条件配制结构胶粘剂；应将碳纤维板表面擦拭干净至无粉尘。当需粘贴两层时，底层碳纤维板的两面均应擦拭干净；擦拭干净的碳纤维板应立即涂刷结构胶粘剂，胶层中央应呈拱起状，平均厚度不应小于2mm；应将涂有胶液的碳纤维板用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使胶液从两边挤出，保证密实无空洞。当平行粘贴多条碳纤维板时，两条板带之间的空隙不应小于5mm；需粘贴两层碳纤维板时，应连续粘贴。当不能立即粘贴时，再开始粘贴前应对底层碳纤维板重新进行清理。【7】表面防护当需要做表面防护时，应按有关标准的规定处理，并保证防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘贴。【8】施工安全和注意事项碳纤维片材为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。施工过程中应避免碳纤维片材弯折。碳纤维片材配套胶粘剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。胶粘剂的配制和使用场所应保持通风良好。现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。【9】检验及验收碳纤维片材和配套胶粘剂应按工程用量一次进场到位。进场时，应会同监理单位对产品合格证、产品质量出厂检验报告、中文标志和包装完整性进行检查。同时