碳纤维片材加固技术在通信基站建设中的应用

碳纤维片材加固技术在通信基站建设中的应用抗震加固网 2010-08-24 12:31:20 作者:SystemMaster1 概述碳纤维片材复合材料是一种高强度、高弹性模量的高科技材料，利用树脂类胶结材料将其粘贴于混凝土表面，使碳纤维与混凝土牢固地粘在一起并共同工作，达到加固结构，提高结构承载力和抗震性能，修补构件缺陷的目的。

在国内，碳纤维材料在混凝土结构中的应用研究只有十多年的历史。

碳纤维材料具有优异的力学性能，施工工艺简便且加固效果可靠，得到普遍的赞同和认可，与以往的加固方法如外包混凝土法、植筋法、体外预应力法、外包型钢加固法和粘钢法相比较，具有十分突出的优点。

随着通信技术的迅猛发展，通信基站的建设任务也在不断增加。

尤其在城市里，早先解决的是网络信号覆盖范围问题。

随着移动手机用户数量的发展，基站设备在扩容的同时，基站的数量也在网络优化中不断地增加。

与此同时，在城市里选站址给工程建维人员带来很多不便，首先所选站址与拟建站址的经纬度偏差不能太远，否则影响信号覆盖效果。

历经周折，所选的建筑房屋却由于其使用活荷载过小等承重问题，不能排放基站设备而不得不放弃，不能在理想位置建设基站成为遗憾，另外选址工作还需重新开始，延误了基站建设的工期。

临时架设槽钢只是解决(避开)了板的承重问题，但对梁的承重加固却束手无策。

以下介绍碳纤维布加固混凝土梁板的设计原理和计算方法，且编制了程序使设计人员摆脱了繁琐计算，提出了比较适合碳纤维布的施工方法，便于建设维护人员在基站房屋加固施工过程中进行有效的管理验收。

2 碳纤维的加固设计碳纤维材料的优点：耐腐蚀性强；强度高，碳纤维布的抗拉强度标准值fctk≥3000MPa，相当于钢筋HRP235抗拉强度的十多倍；自重轻，碳纤维布厚度有0.111mm和0.167mm 2种（重量仅为200g/m2和300g/m2），碳纤维布条带宽度有100mm、150mm、200mm和300mm 4种规格；加固效果基本不占用原建筑空间；施工周期短。

加固设计参照国家有关标准,采用以概率理论为基础的极限状态设计法进行计算。

采用碳纤维布对梁板构件进行受弯加固时的承载力计算，加固构件正截面受弯承载力按下列公式计算。

①当混凝土受压区高度x＞ξ c f bh，且＜ξ b ho时:M ≤ fcbx(ho-x/2)+ fy’As’(ho-α’)+Ecfεcf Acf(h-ho)混凝土受压区高度x和受拉面上碳纤维片材的拉应变εcf 应按下列公式确定：fcbx = fyAs - fy’As’ + Ecf εcf Acfx = 0.8εcu h / (εcu +εcf +εi)②当混凝土受压区高度x≤ξ c f b h时：M ≤fyAs(ho-0.5ξ c f bh)+Ecf[εcf] Acfh(1-0.5ξ c f b)③当混凝土受压区高度x＜2a’时:M ≤fyAs(ho-a’)+Ecf[εcf] Acf (h-a’)正截面受弯加固时尚应满足下列要求。

①受压区高度x ≤0.8ξbho，其中界限相对受压区高度ξb按现行国家标准的混凝土结构设计规范确定；②加固后受弯承载力的提高幅度不宜超过40%；③加固后在荷载效应标准组合下受拉钢筋的拉应变不宜超过钢筋抗拉强度标准值；④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。

采用碳纤维布对梁板构件进行受剪加固时，加固构件斜截面受弯承载力按下列公式计算。

Vb ≤ Vbrc + VbcfVbrc = 2 ncf ωcf tcf φεcfv Ecf hcf / (scf+ωcf)εcfv = 2(0.2 + 0.12λb) εcfu / 3由于碳纤维加固计算公式考虑的因素较多，实际工程中要确定较多的参数，手算较为复杂。

很多设计人员实际中往往采用将碳纤维布简单换算成等效钢筋面积，再按常规钢筋混凝土单筋矩形截面受弯构件的正截面承载力设计公式进行计算。

笔者认为这样做，一方面没有考虑在加固过程中双筋配筋梁承载力提高极为有利的一面；另一方面很容易造成加固后梁受弯承载力的提高幅度超过40%，即使设计上使用承载力不到那么多，也使梁板的性质产生了变化，一旦梁板破坏，表现的是脆性破坏，也就是常规结构设计中超筋破坏，这是不允许的；其三，给建设单位造成不必要的经济浪费。

3 碳纤维的加固计算程序笔者编制了碳纤维加固程序，程序利用microsoft office为操作平台，利用Excel中强大的函数功能而编辑的源程序；利用PowerPoint的演示和超级链接功能而编辑的用户界面。

这个程序的特点和功能有以下几点。

①在电脑桌面点击本软件图标后，按F5进入用户界面。

根据需要，点击选项，分别打开梁受弯加固计算、梁受剪加固计算、柱受剪加固计算和柱抗震加固计算的程序。

把各种基本数据输入到相应的单元地址中，不需进行屏幕切换，就可得到初算的结果。

根据初算情况，可随意调整有关基本参数，直到获得满意的且经济合理的计算结果为止，然后打印出计算结果表。

②由于源程序是通过超级链接保存在其他不可修改的单元地址，避免了设计人员的误操作而破坏程序的精确性。

③在程序中设置了碳纤维片材应变εcf的控制值：当碳纤维片材拉应变εcf大于碳纤维片材允许拉应变[εcf]时，应调整碳纤维片材的面积。

④为避免加固量过大而导致超筋性质的脆性破坏，程序自动判别受压区高度x是否小于0.8ξ b ho，当显示“不满足”时应调整相应的基本参数。

⑤为避免加固量过大及加固后构件的裂缝宽度和变形，规范中规定了“加固后受弯承载力的提高幅度不宜超过40%”，程序中显示了提高的比例值，当大于40%时提示“超过40%”应调整。

⑥程序中考虑了受压钢筋对梁承载力的贡献，设置了梁加固前后构件能承担的弯矩值，供设计人员直观比较，核实是否达到了加固的要求。

⑦程序中给出了不需要碳纤维片材截面之外的延伸长度。

⑧程序同样适用现浇板的加固。

4 碳纤维加固的施工粘贴碳纤维布加固工艺，其施工质量直接关系到加固效果的好坏，为确保工程质量，工程应由具备专业加固公司施工，施工单位开工前对每个施工环节、环境因素、人员素质进行细致周密的考虑，拟定施工方案和施工计划，并需对施工现场进行清理。

选择施工单位尤为重要，对于施工过程，建设单位可随时监督核实。

4.1定位放线首先熟悉施工图纸，明确加固部位和范围，然后在构件上弹线（其轮廓线要大于实贴尺寸20mm，以便打磨）。

4.2混凝土基层处理应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣质混凝土，露出混凝土结构层。

被粘贴的混凝土表面应打磨平整（一般1mm~3mm），除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面，混凝土面平整度≤4mm/m。

转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径应≥20mm。

清洗过程首先用脱脂棉丝擦拭混凝土粘贴面，去除表面浮灰；然后用脱脂棉丝沾丙酮（纯度80%以上）擦拭2~3遍；最后，在粘贴前再清洗一遍混凝土面，应清理干净并保持干燥。

4.3裁剪下料按照设计尺寸并结合实际情况将纤维布准确下料，要求不乱丝、不断丝。

4.4涂刷底层树脂按照产品工艺规定配制底层树脂，表面指触干躁后立即进行下道工序。

4.5找平处理混凝土表面凹陷部位用专门找平材料填补平整，不应有棱角；内转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径应不小于20mm，表面指触干躁后立即进行下道工序。

4.6粘贴①按照产品工艺规定配制粘贴树脂，并均匀涂抹于粘贴部位；②将纤维布表面擦拭干净且无粉尘；③纤维布表面擦拭干净后立刻涂刷粘结树脂，胶层应呈突起状，平均厚度≥2mm。

④将涂有粘贴树脂的纤维布轻压于需要粘贴部位，采用橡皮滚筒顺纤维方向多次滚压，挤出气泡，使树脂从两边溢出，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布并保证密实无空鼓。

当平行粘贴纤维布时，其间距需＞5mm。

⑤粘贴多层纤维布时，应在纤维表面的浸渍树脂指触干躁后立即进行下一层粘贴。

如不能立即粘贴，需要在粘贴前应对底层纤维布重新做好清洁工作。

⑥应在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂，且粘贴碳纤维后需要对粘贴层进行防火处理。

4.7检验及验收碳纤维布于混凝土之间的粘贴质量必须保证其有效粘贴面积＞95%，施工质量满足《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》。

5 结束语碳纤维加固具有很多优越性，但也存在着一定的局限性，不是任何场合都可应用碳纤维加固，加固中应注意以下几点。

①碳纤维只能单向受拉，所以不能用于受压状态下的加固。

②粘贴碳纤维加固时，必须粘贴成直线，若有弧形、曲线或内凹处碳纤维加固就失效了。

③碳纤维的受弯加固应按《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》进行计算，不宜直接采用等强度换算法计算，因为等强度换算法不受加固后承载力提高幅度的限制，且受压区高度x也不受控制，易造成脆性破坏；也不考虑加固构件在受力后碳纤维片材允许拉应变的控制值，由此易造成碳纤维片材超过允许拉应变达到极限拉应变而拉断。

④一般情况下，现浇板的原活荷载为2.0kN/m2的民用建筑用房，通过碳纤维加固后作为通信机房使用，活荷载可提高到3.5 kN/m2以上。

⑤通信机房重新布置由于工艺需要，在现浇板上开馈线孔(400×600等)，均可通过碳纤维加固洞口，能保证原结构的安全。

⑥碳纤维布加固不适用预制板的加固。

参考文献［1］CECS 146：2003，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2003.［2］侯发亮. 建筑结构粘贴加固的理论与实践[M].武汉：武汉大学出版社，2003.。