CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工技术研究

CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工技术研究

程世韬1杨恩建2胡明大3

1新世纪建设集团有限公司；2浙江新邦建设股份有限公司；3温州中海建设有限公司

摘要：CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工技术通过增大截面加固施工的同时，外包CFRP材料，通过浇筑自密实混凝土向外膨胀对外包CFRP材料施加预应力，使CFRP材料提前参与工作与钢筋共同受力发挥最大作用，避免钢筋过早屈服。

关键词：CFRP；圆形柱；施工技术

1前言：

我国建筑行业已持续高速发展数十年，据有关部门统计，截止2012年我国现有城镇房屋建筑面积超250亿平方米。另一部分建筑在使用过程中由于自然因素，如地震、地基沉降、洪涝灾害等的影响；还有一部分建筑因设计过程中出现错误，施工过程中未能达到要求，导致建筑结构的强度、刚度、耐久性大大降低，从而影响建筑物的正常使用[1]。为了达到建筑物节能减排的要求，避免短命建筑的产生，延长建筑物寿命是最有效的方法，因此建筑物加固近年来发展迅速。

由于CFRP材料的弹性模量与构件内部钢筋的弹性模量相似，因此往往会出现构件内部钢筋屈服后，CFRP才发挥作用的情况，这对构件正常使用阶段受力性能改善作用不大。为减少圆柱截面积增加过大，提高CFRP材料使用效率[2]。通过增大截面加固法与CFRP预应力外包法相结合，形成CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工技术。

2工艺原理

CFRP材料是碳纤维预浸在环氧树脂内经过高温高压技术形成的碳纤维增强复合材料。用环氧树脂作为粘结材料，均匀的涂抹在CFRP材料内侧，在CFRP内侧粘贴PET自粘防水卷材。CFRP材料按尺寸剪裁后，在所需加固圆形柱外侧安装塑料环形套箍，将CFRP材料沿塑料环形套箍内径卷曲成圆柱状。在CFRP材料外侧支设模板，在原钢筋混凝土圆柱与CFRP材料之间浇灌自密实混凝土。通过自密实混凝土密实过程中向外扩张的力[3]，对外包CFRP材料施加预应力。预应力CFRP材料可与钢筋共同作用，可在钢筋发生屈服前较早参与工作并发挥最大作用。

3施工工艺流程

CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工工艺流程如图1所示：

图1CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工工艺流程图

4操作要点

4.1圆形柱表面混凝土处理

用电镐对所需加固圆形柱进行界面处理，在混凝土表面凿出凹凸面，凹凸面应分布均匀，凹陷深度与突起高度间的高差应控制在5~8mm间。

4.2涂刷混凝土截面结合剂

为增强原有混凝土柱表面的粘结能力，需对表面处理工序完成后的混凝土柱进行除尘处理。若选择环氧树脂作为界面结合剂，由于环氧树脂易发生凝化反应[4]，树脂胶使用时间应控制在30min内。

4.3安装新增钢筋

加固的受力钢筋与原构件的受力钢筋间的净距不应小于20mm，并应采用短筋焊接连接，箍筋应采用封闭筋或U型箍筋，如图2。

图2柱表面处理及钢筋绑扎

4.5CFRP材料准备

按加固所需尺寸裁剪CFRP材料，剪裁后的CFRP材料可卷起存放，不可折叠，避免碳纤维发生断丝。在剪裁好的CFRP材料内侧粘贴PET自粘防水卷材，防止浇筑混凝土时对CFRP材料造成破坏。CFRP材料及PET自粘防水卷材粘合完毕后按尺寸剪裁，在所需加固圆形柱外侧安装下部塑料环形套箍，将CFRP材料沿塑料环形套箍内径卷曲成圆柱状，卷曲过程中在CFRP材料上沿放置上部塑料环形套箍[5]，卷曲完成后进行粘贴（CFRP材料粘贴时存在搭接处，搭接长度不小于100mm）。

4.6分段支模，分段浇筑，模板支撑

模板安装采用分段支模，分段浇筑的方法。细骨料宜选用中砂或中粗砂，粗骨料宜选用4mm~10mm碎石，外加剂因优先选用聚羧酸系高效减水剂。自密实混凝土密实过程中产生向外扩张的力，用于对外包的CFRP材料施加预应力[6]，如图3a、图3b。

图5加固完成后实物图

5效益分析

CFRP预应力与增大截面组合加固圆形柱施工技术，具有操作简便，施工快捷，施工时只运用到小心器械，大大降低了施工成本。CFRP预应力与增大截面组合加固圆形柱施工工法与传统粘钢加固法相比，由于使用了CFRP材料，CFRP材料比钢材更耐腐蚀，使用年限长，经济效益更高。CFRP预应力与增大截面组合加固圆形柱施工工法与普通粘贴碳纤维加固法相比，能充分利用碳纤维的强度，保证在钢筋屈服前较早参与工作，发挥其最大作用，补强加固效果更明显。CFRP预应力与增大截面组合加固圆形柱施工工法适用范围广，可加固所有因承载力不足导致不能正常使用的圆形钢筋混凝土柱。而工法中采用分段支模，分段浇筑的方法，能更好的将CFRP材料与圆形柱贴合，保证加固效果。本技术施工过程中，产生的能耗低，妥善安排处理所需使用的材料，避免了材料污染周边环境的情况，属于环境友好型技术。

6结论

CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工技术适用于各类建筑中的圆形钢筋混凝土柱（圆柱直径不大于800mm）因承载力过低导致建筑不能正常使用而进行维修加固。经过实际工程应用得到如下结论：

1CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工，具有施工简便，施工功效高，湿作业少，不需要大型施工设备，施工占用场地少的特点。

2CFRP预应力外包与增大截面组合加固圆形柱施工采用CFRP材料，CFRP材料的物理力学性能优于钢材，CFRP材料的强度是钢材强度的10倍，可大大减少圆形柱截面尺寸的增加以及钢筋的用量。

3CFRP预应力外包加固在与粘钢加固效果相同的情况下，使用的CFRP材料较钢材的用量更少，降低了加固的成本，同时CFRP材料可以抵抗各种酸碱的腐蚀，构件加固使用寿命更长。

4CFRP材料内贴PET自粘防水卷材后，按尺寸剪裁。在所需加固圆形柱外侧安装塑料环形套箍（塑料环形套箍用于对CFRP材料进行定型），CFRP材料沿塑料环形套箍内径卷曲成圆柱状并进行粘贴，粘贴部位搭接长度不小于100mm。

5浇筑自密实混凝土时，能充分对外包CFRP材料预先施加外力，使CFRP材料提前参与工作与柱内受力钢筋共同受力发挥最大作用，避免钢筋过早屈服。

参考文献：

[1]程东辉，杨燕红.预应力CFRP布加固负载混凝土柱轴心受压性能研究[J].建筑科学与工程学报，2017，34（4）：34-40.

[2]张凤.预应力CFRP布加固钢—混凝土组合梁受力分析[D].广西科技大学，2013.

[3]程东辉，于雁南，叶旭.预应力CFRP布加固低强度混凝土方柱的力学性能[J].建筑科学与工程学报，2013，30（1）：25-31.

[4]周长东，张蝶.预应力CFRP加固混凝土柱抗震性能的数值分析[J].北京交通大学学报，2010，34（1）：35-39.

[5]霍君华.预应力CFRP布加固腐蚀钢梁及组合梁的力学性能[D].东北大学，2011.

[6]王德选.预应力CFRP布加固钢箱梁与混凝土组合梁力学性能[D].东北大学，2009.