《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS_146-2003)介绍.pdf

第 卷 第“期建筑结构 年“月 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 （ . 0 , - . 4 1 8 2 3 - 7 8 6 A - 2 （ ） . 4 , . 4 5 B , - / C - 3 . 1 . 3 5 0 . 8 4 . 4 3 6 7 - / / . D 3 , 5 C 0 - 2 /，; , . 3 , . 4 0 2 8 7 3 - 0 , - 0 - 3 , 4 . 3 5 6 C 2 - / 3 2 . C 0 7 - 0 5 . 6 / 5 4 7 5 C C 6 . 3 5 0 . 8 4 / 8 1 / 0 2 - 4 9 0 , - 4 . 4 93 8 4 3 2 - 0 - / 0 2 3 0 2 - /; . 0 , B , - 5 2 -9 - 4 - 2 5 6 2 6 - /，0 - 2 A / 5 4 7 / A 8 6，A 5 0 - 2 . 5 6 C 2 8 C - 2 0 . - /，7 - / . 9 4 5 4 78 C - 2 5 0 . 8 4A - 0 , 8 75 4 7E - 2 . 1 . 3 5 0 . 8 4A - 0 , 8 7，3 8 4 / 0 2 3 0 . 8 4，F 5 6 . 0 3 , - 3 G . 4 9，5 C C - 4 7 . D5 4 7 . 6 6 A . 4 5 0 . 8 4 B “ ’ 3 5 2 8 41 . - 2 2 - . 4 1 8 2 3 - 7C 8 6 A - 2 6 5 A . 4 5 0 -；3 8 4 3 2 - 0 - / 0 2 3 0 2 - /；/ 0 2 - 4 9 0 , - 4 . 4 9；/ C - 3 . 1 . 3 5 0 . 8 4 一、 引言 碳纤维片材加固混凝土结构作为一项科技含量很 高的新的结构外部粘贴加固修复技术， 虽然在我国研 究、 应用只有短短的几年时间， 但在广大科技人员的共 同努力下， 有关研究成果不断出现， 工程应用范围不断 扩大， 已产生了巨大的经济效益和较好的社会效益， 现 在该技术的巨大科技优势已为广大业主、 土木和材料 界工程技术人员和设计、 施工单位所认同。 碳纤维片 材加固修复混凝土结构技术规程（ ’ “ ） 是 我国第一个纤维增强材料加固修复混凝土结构技术领 域的技术标准， 它的编制和实施是为了在确保碳纤维 片材加固工程质量的前提下， 大力发展该项新技术， 获 得更好的经济效益和社会效益， 并使该新技术在混凝 土结构加固领域中的应用规范化， 也为今后相关标准 和规范的编制打下良好的基础。 二、 规程的特点和适用范围 碳 纤 维 片 材 加 固 修 复 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 （ ’ “ ） 适用于碳纤维片材加固修复房屋和 一般构筑物的混凝土结构的设计、 施工和验收。对于 混凝土结构因设计失误、 施工错误、 材料质量不符合要 求、 结构荷载的增加、 使用功能的改变和因遭受火灾、 水灾、 风灾及地震等灾害使结构和构件遭到损坏等均 可采用碳纤维片材加固修复新技术来进行加固修复处 理。另外对于铁路工程、 公路工程、 港口工程和水利水 电工程的混凝土结构用碳纤维片材进行加固也是可行 的。同时， 国内外研究和工程经验表明， 对砌体结构、 钢结构、 木结构等也可以采用碳纤维片材进行加固， 但 应结合结构具体情况并参照本规程的规定执行。在执 行本规程的同时， 尚应配合使用和遵守其他现行国家 标准、 规范， 如 混凝土结构设计规范 等。 三、 基本原则 由于在混凝土结构外部粘贴碳纤维片材进行结构 加固的设计、 施工和检验都具有一定的特殊性， 同时要 与已有国家规范、 标准协调， 所以在保证安全适用、 经 济合理、 确保质量的前提下， 需遵守下列基本原则 （） 用碳纤维片材加固修复混凝土结构前， 应按照 国家现行有关标准和规范对原有结构进行检测鉴定或 评估。通过检测鉴定评定结构及其构件的可靠性程 度， 为碳纤维片材加固修复混凝土结构设计和施工提 供基本依据。我国已有 工业厂房可靠性鉴定标准 和 民用建筑可靠性鉴定标准 等标准。 （） 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术作为一 项新型结构加固技术， 具有不同于其它加固方法的特 殊性， 规程强调应由对碳纤维复合材料性质及加固设 计有经验的专业设计人员进行设计， 也应由熟悉该技 术的专业施工队伍施工， 以保证该技术的有效实施。 （） 保证加固修复后结构的可靠性， 应使结构或构 件在碳纤维片材加固修复失效的情况下不产生结构倒 塌等严重破坏。 （） 采用粘贴碳纤维片材加固修复的混凝土结构， 长期使用环境温度不应高于“ H。这是常温固化树 脂类粘结材料的要求， 同时也是因为一般混凝土结构 I“ 使用温度是低于此温度的。当采用与碳纤维片材相配 套的高温固化树脂类粘结材料， 且有可靠依据时， 可不 受此规定限制。对处于特殊环境 （腐蚀、 放射、 高温等） 下的混凝土结构采用碳纤维片材进行加固修复时， 还 应遵守相应的国家现行有关标准和规范的规定， 并应 采取相应的防护措施。 （） 当采用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加 固修复时， 应考虑加固后对结构中的其它构件或构件 的其他性能可能产生的影响， 保持加固前后结构体系 的完整性和可靠度水平不降低。 四、 材料 规程适用于高强度型的碳纤维布和碳纤维板， 其 本构关系呈典型的弹性材料的应力应变关系 （图“） ， 对于其他类型的碳纤维片材可以参照执行， 但必须有 可靠的试验或工程依据， 这也是今后研究的一个方向。 图“碳纤维片材 应力应变关系 材料的配套使用问题是碳纤维 片材加固混凝土结构的关键问题之 一， 由于不同的碳纤维片材与不同的 树脂类粘结材料之间的复合效应不 同， 粘结质量有较大的差别， 因此， 要 求在采用粘贴碳纤维片材对混凝土 结构进行加固修复时， 使用的碳纤维 片材、 树脂类粘结材料及表面防护材料必须配套、 协 调， 这是加固成功的一个关键， 原则上应有试验资料证 明粘结材料与配套碳纤维片材的粘结效果， 这是为了 避免因粘结材料与碳纤维片材不配套而造成加固效果 降低或加固失效。根据目前国内应用情况， 规程中只 列出了单向碳纤维片材性能指标的最低要求， 即碳纤 维片材及配套树脂类粘结材料应具有的物理力学性能 指标、 配套树脂类粘结材料的耐久性能指标及施工和 使用环境要求， 如表“所示， 同时要求加固修复用 材料应具有产品合格证和质检部门的产品性能检测报 告。由于目前市场上使用的加固材料种类很多、 性能 各异， 为了保证工程质量， 加固修复用材料的基本要求 是碳纤维片材和配套粘结材料各自产品的性能必须符 合本规程的规定才能作为混凝土结构加固修复用材 料， 而使用不满足规定的产品进行结构加固修复会导 致加固失效甚至造成严重事故。另外， 为了保证材料 之间的配套和协调， 对材料粘结性能指标建立了标准 检验方法， 作为附录列入本规程中。 规程规定单层碳纤维布单位面积碳纤维质量不宜 低于“ ／’ ， 不宜高于 ／’ 。在施工质量有可靠 保证时， 单层碳纤维布单位面积碳纤维质量可提高到 * ／’ 。碳纤维板的厚度不宜大于 ’’， 宽度不 宜大于 ’’， 纤维体积含量不宜小于* ,。这是因 为试验研究和工程经验证明， 单层碳纤维布的单位面 积碳纤维质量越大， 施工时浸渍树脂越不容易完全浸 透， 施工质量越难以保证。碳纤维板过厚或过宽， 施工 质量均较难保证， 在设计和施工时， 都应尽量使用宽度 较小的碳纤维板。材料研究表明碳纤维板中碳纤维体 积含量在* ,- ,时性能最好， 故本规程建议碳纤 维板中纤维体积含量不宜低于* ,。设计与施工单 位对此应予以重视。 碳纤维布片材加固混凝土结构的耐火性能是许多 业主和工程技术人员关心的问题之一， 由于碳纤维片 材本身不具有足够的防火能力， 加上碳纤维片材主要 起加固修复作用， 并不是作为防火材料应用的， 故规程 要求在碳纤维片材加固混凝土结构后， 应对已加固修 复完的结构表面进行防护处理， 表面防护材料应与浸 渍树脂或粘结树脂可靠粘结， 选用的防火材料及其处 理方法应使加固后建筑物达到要求的防火等级； 当被 加固结构处于其它特殊环境时， 应根据具体情况选择 有效的防护材料。 碳纤维片材的主要力学性能指标要求表 性能碳纤维布碳纤维板 抗拉强度标准值 . / 0 （12 3） 弹性模量“. /（12 3） 4 “5“ “ 4 5“ 伸长率 （,） “ 4 “ 4 底层树脂及找平材料性能指标 （1 2 3）表“ 性能性能指标要求 正拉粘结强度 4 12 3且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值6 0 浸渍树脂和粘结树脂性能指标 （1 2 3）表 ““ ““ “ “ 性能性能指标要求性能性能指标要求 拉伸剪切强度 “ 正拉粘结强度 4 ， 且不小于被加固混 凝土抗拉强度标准值 ““ 6 0 拉伸强度 弹性模量 ““ “ 压缩强度 - 伸长率 （,） ““ “ 4 弯曲强度 五、 设计规定 碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的受弯加固、 受剪加固和柱的抗震加固中研究和应用最多， 相应计 算理论也较为成熟， 规程列出了这三种加固形式的设 计计算方法和构造规定。除此以外， 碳纤维片材也可 用于受拉构件的加固， 用于轴心受压构件的加固。 在受弯加固时， 也可采用对碳纤维片材施加预应 力的方法提高加固效果。碳纤维片材也可用于剪力墙 以及壳体、 筒仓、 烟囱等特种结构的加固， 虽有研究表 明这些加固方法是有效的， 但相应计算理论和方法的 研究尚不充分， 应用也较少， 故目前暂未列入本规程。 应用中， 当有可靠依据时， 可采用这种加固方法。 - 碳纤维片材应采用配套树脂类粘结材料粘贴于构 件表面， 在构件受力过程中应与构件保持变形协调， 应 采取措施保证不发生粘贴面的过早剥离而导致加固效 果显著降低。规程中的设计计算方法均是基于这一前 提建立的， 且主要按 建筑结构设计统一标准 以概率 理论为基础的极限状态设计法确定有关加固计算方 法， 使其与结构设计规范协调。 采用粘贴碳纤维片材进行结构加固修复， 必要时 宜卸除结构上的活荷载作用。当不能完全卸载进行加 固时， 应考虑二次受力的影响。 图构件转角处 粘贴示意图 构 造 方 面 主 要 有 如 下 几 点， 当碳纤维布沿其纤维方向 需绕构件转角处粘贴时， 应进 行导角处理， 且采用规定的材 料时转角处构件外 表 面 的 曲 率半径应不小于 “ （图） ， 这样可以保证碳纤 维 片 材 的 受力和传力均匀。另外碳纤维布沿纤维受力方向的搭 接长度应不小于 “ “ 。当采用多条或多层碳纤维 布加固时， 各条或各层碳纤维布之间的搭接位置宜相 互错开。为保证碳纤维片材能可靠地与混凝土共同工 作， 必要时应采取附加锚固措施。 受弯加固要点 考虑到碳纤维片材加固修复混凝土结构的特殊 性， 对梁、 板构件受弯加固的承载力计算除应符合现行 国家规范钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基 本假定外， 还应符合下列要求 ） 达到受弯承载力极限 状态时碳纤维片材的拉应变根据截面应变保持平面的 假定确定， 但不应超过碳纤维片材允许拉应变； ） 当考 虑二次受力影响时， 应根据加固时的荷载状况， 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取碳纤维片材弹性 模量与其拉应变的乘积； ’） 达到受弯承载力极限状态 前， 碳纤维片材与混凝土之间不发生粘结剥离破坏。 根据试验与理论分析研究， 粘贴碳纤维片材进行 受弯加固时构件的破坏形态主要有 ） 受拉钢筋先达 到屈服， 然后受压区混凝土压坏， 此时碳纤维片材未达 到其允许拉应变； ） 受拉钢筋先达到屈服， 然后碳纤维 片材超过其允许拉应变， 并达到极限拉应变而拉断， 而 此时受压区混凝土尚未压坏； ） 加固量过大， 在受拉钢 筋达到屈服前受压区混凝土压坏； ’） 在达到正截面极 限承载力前， 碳纤维片材与混凝土产生剥离破坏。规 程规定对受弯加固按前两种破坏形态进行设计计算。 对于第种破坏形态通过控制加固量上限来避免， 即 通过受压区高度的限制来控制。第’种破坏形态属于 脆性破坏， 且碳纤维片材中的应力很小， 必须避免， 一 般通过构造或锚固措施予以保证， 规程中有具体的阐 述， 不再赘述。 试验研究表明， 碳纤维片材加固混凝土结构构件 有多种破坏形态， 除了与普通混凝土构件相同的以外， 还有一些特殊的破坏形态， 如碳纤维片材的剥离破坏 等。构件达到破坏极限状态时， 碳纤维片材的极限抗 拉强度往往不能得到完全发挥， 此时应以达到破坏极 限状态时碳纤维片材所达到的应变值来确定其贡献。 同时， 由于碳纤维片材在最终拉断时表现为显著的脆 性， 因此即使对在构件破坏时碳纤维片材可达到其极 限抗拉强度的情况， 也应选择小于其极限拉应变的允 许拉应变作为设计极限状态的标准， 以保证有足够的 可靠度。由于加固量过大时容易产生过早的剥离破 坏， 而碳纤维片材的强度不能充分发挥， 设计中通过限 制受压区高度的方法予以解决。 受剪加固方法 规程中碳纤维片材的受剪承载力是根据加固后构 件达到最大受剪承载力时碳纤维片材的应变发挥程度 确定的。受剪计算公式均是按碳纤维片材纤维方向与 构件轴向垂直的情况给出的， 当采用其它方向粘贴碳 纤维片材时， 相应的受剪计算公式应有可靠的依据。 抗剪加固的构造措施中， 应优先采用封闭粘贴形 式， 因形粘贴和侧面粘贴易产生剥离破坏， 影响碳 纤维片材加固作用的发挥， 故当采用形粘贴和侧面 粘贴时， 应增加附加粘贴面积， 提高抗剥离承载力。试 验表明， 对于形粘贴， 当采取可靠的机械锚固措施 时， 与封闭粘贴具有同样效果。 一般情况下， 对结构 （构件） 的加固是局部的。加 固后结构体系的受力有可能改变， 因此， 加固设计中应 进行验算， 保证不发生脆性破坏。例如在受弯加固后 避免剪切破坏先于受弯破坏发生等。考虑到实际工程 中某些结构的混凝土强度可能低于现行国家规范的最 低强度等级要求， 但如果结构混凝土强度过低， 与碳纤 维片材的粘结强度较低， 易产生脆性显著的剥离破坏， 碳纤维片材也不能充分发挥作用， 因此被加固结构的 混凝土强度不宜过低。而对于封闭粘贴碳纤维片材约 束的混凝土， 当封闭碳纤维片材搭接构造满足本规程 的规定时， 封闭粘贴碳纤维片材约束混凝土的抗压强 度可以得到提高， 故被加固结构的混凝土强度等级最 低可放宽至 “。 抗震加固方法 规程中抗震加固设计方法采用总折算体积配箍率 限制方法进行加固量计算。采用碳纤维片材缠绕加固 混凝土柱可以约束混凝土的变形， 从而提高混凝土抗 * 压强度， 降低轴压比， 但这方面的研究目前还不充分， 规程中没有给出明确的定量计算公式， 当有可靠依据 时， 可以考虑轴压比降低的影响。柱的抗震加固必须 采用封闭式粘贴并有可靠连接， 搭接长度比受弯、 受剪 加固时的搭接长度要长一些， 以保证加固效果。 六、 施工规定 与其他加固方法相比， 外部粘贴碳纤维片材加固 结构的施工方法具有一定的特殊性， 必须遵循下列工 序进行 施工准备、 表面处理、 涂刷底层树脂、 找平处 理、 粘贴碳纤维片材、 表面防护。这种三步式施工方法 已经实践证明具有较好的效果和较高的效率。 研究结果表明， 在底层树脂表面指触干燥到完全 固化期间进行下一步工序施工的粘结效果最好， 当有 试验依据时也可以在底层树脂完全固化后进行下一步 工序。树脂的指触干燥是指树脂达到凝胶的状态， 用 手指触摸树脂表面有凝胶的感觉， 但不会粘附树脂的 状态。 试验研究和工程经验证明， 只有浸渍树脂充分浸 透在碳纤维布中才能保证碳纤维布的粘贴质量， 否则 对粘贴质量有很不利的影响。用专用滚筒滚压碳纤维 布时， 可以向一个方向， 也可以从中间向两个方向滚 动， 但不允许来回反复滚动， 以免损伤碳纤维， 影响粘 结质量。研究结果表明， 在浸渍树脂表面指触干燥到 完全固化期间进行下一步工序施工的粘结效果最好， 当有试验依据时也可以在浸渍树脂完全固化后进行下 一层碳纤维布的粘贴。 施工现场的环境温度必须符合粘结材料的使用温 度才能保证粘贴质量， 如果不能满足， 必须采取措施使 其满足要求后再进行粘贴。当环境湿度不超过 “ 时， 可以不考虑环境湿度对常温固化树脂的不利影响， 当然如果采用适用于潮湿环境的粘结材料时可不受此 限制。配制底层树脂、 找平材料、 浸渍树脂和粘结树脂 时均应满足产品给出的要求， 在施工中应根据施工进 度和环境温度控制每次的拌合量， 以保证在粘结材料 的规定使用时间内有效地使用拌合好的粘结材料。由 于碳纤维片材为导电材料， 施工碳纤维片材时应远离 电气设备及电源， 或采取可靠的防护措施， 并应保障工 人人身安全， 采取有效的劳动保护措施。 七、 检验与验收 规程规定了从材料检验、 隐蔽工程以及各项工序 质量检验等的检验形式、 检验位置、 检验数量、 检验方 法等， 符合一般工程质量检验要求和碳纤维片材加固 修复混凝土结构技术质量检验的特殊要求。 碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻 轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查， 总有效 粘结面积不应低于 。当碳纤维布的空鼓面积小 于 ““ “ “’’ 时， 可采用针管注胶的方式进行补救。 空鼓面积大于 ““ “ “ ’’ 时， 宜将空鼓处的碳纤维片 材切除， 重新搭接贴上等量的碳纤维片材， 搭接长度应 不小于 “ “ ’’。这种检查方法经实践检验是有效、 简 便的， 适用于任何条件下的碳纤维片材与混凝土粘结 质量的检查。主要要求有经验的人员完成。 其中现场施工质量检验方法列入附录中， 这是参 考国内外的有关施工检验资料和国内实践经验开发出 来的具有创新性的方法， 该方法在检验设备、 取样方 式、 数据计算与处理、 质量判据等方面都作出了规定。 八、 结语 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 对已 经成熟的碳纤维片材加固修复混凝土结构的有关技术 作出了比较详尽的规定和论述， 这里仅作一简单的介 绍， 当然， 规程还有一些有待于补充和完善的地方， 这 也是今后工作内容之一， 希望关心该技术发展的人士 提出各自的见解， 提供有关的研究成果， 共同促进 * 混凝土结构技术在我国的发展。 （上接第, 页） - .砌体结构设计规范 （/ 0 “ “ “ - “ “ ）1 “ “ 1 2 .唐岱新， 龚绍熙， 周炳章1砌体结构新规范的理解与应用1中国建 筑工业出版社， “ “ 1 .建筑抗震设计规范 （/ 0 “ “ “ “ ）1 “ “ 1 , .龚绍熙， 周 瑛， 陈力奋等1墙梁的内力分析与简化计算1建筑结 构， “ “ ，- （）1 .混凝土结构设计规范 （/ 0 “ “ “ “ “ ）1 “ “ 1 3 .墙梁专题组1墙梁研究专题综合报告1华南工学院， 3 21 .易文宗， 杨永新1连续墙梁试验研究和计算1西安冶金建筑学院 学报， ， - （）1 “ .龚绍熙， 郭乐工1连续墙梁竖向荷载试验和受剪承载力计算1见 现代砌体结构， 中国建筑工业出版社， “ “ “1 .龚绍熙， 李 翔， 张晔等1连续墙梁的试验研究、 有限元分析和 承载力计算1建筑结构， “ “ ，- （）1 .龚绍熙， 吴承霞1框支墙梁在均布荷载作用下承载力的试验研究 与塑性分析1建筑结构， ， （ ）1 - .庄一舟1底部框剪组合结构体系的模型试验研究1博士学位论 文， 大连理工大学， ,1 2 .梁兴文， 王庆霖， 易文宗1框支连续墙梁抗震性能研究及设计计 算1建筑结构学报， 3， （2）1 .龚绍熙， 李 翔等1框支墙梁的试验研究、 有限元分析和承载力 计算1建筑结构， “ “ ，- （）1 , .李 翔1框支墙梁组合抗震性能与设计方法的研究1硕士学位论 文， 同济大学， 31 .龚绍熙等1框支墙梁抗震计算与构造研究 （综合报告及分项报 告）1同济大学， 31 3 .龚绍熙， 李 翔， 张晔等1框支墙梁的低周反复荷载试验及抗 震承载力计算1建筑结构， “ “ ，- （2）1 .梁兴文， 王庆霖， 梁羽风1底部框架抗震墙砖房／比例模型拟 动力试验研究1土木工程学报， 3，- （,）1 “ .王凤来1底层大开间框剪组合墙结构框支墙梁试验研究1博士学 位论文， 哈尔滨建筑大学， 1 .高小旺， 孟俊义， 廖兴祥等1七层底层框架抗震墙砖房／比例 模型抗震试验研究1建筑科学， ， （2）1 .夏敬谦， 黄泉生， 丁世文等1八层底两层框剪组合墙模型房屋模 拟地震振动台试验1见 第二届全国砌体建筑结构学术交流会论 文集， 成都， 21