碳纖維布加固吊車梁施工技術(shù)分析

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20世紀80年代以來，纖維布修補技術(shù)作為一種高效率、低成本的先進結(jié)構(gòu)修復方法，已在土木工程中得到了很大重視并進行了廣泛地研究與應用。目前，纖維布加固混凝土技術(shù)已經(jīng)相對成熟。但是由于鋼材的性質(zhì)與混凝土的性質(zhì)有著本質(zhì)的差別，加固鋼結(jié)構(gòu)與加固混凝土的技術(shù)相差很大，碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的破壞方式多為界面破壞，目前國內(nèi)外對于纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的研究還處于初步的探索研究階段，真正在工程上的應用并沒有大規(guī)模的展開［1-3］。Mertz等人最早進行FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗研究［4］。他們對粘貼各種形式的FRP加固鋼結(jié)構(gòu)橋梁進行了試驗研究，采用4種加固方案進行加固后，強度分別增加了42%，71%，41%和37%，結(jié)果表明夾芯-CFRP板技術(shù)是最有效的。2000年，Miller對4個足尺鋼梁進行了試驗［5］，在鋼梁受拉翼緣粘貼碳纖維板加固后，其剛度和極限承載力都有了極大的提高。Sen等通過在鋼梁受拉翼緣外側(cè)粘貼碳纖維板［6］，對加固前后試件的強度和剛度進行了比較。試驗結(jié)果表明極限強度的提高幅度為46%～109%。國內(nèi)方面，趙啟林等［7］描述了一種碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的“反拱預應力技術(shù)”，在理論推導上說明了技術(shù)可以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力。楊勇新等采用碳纖維布與鋼材的拉伸剪切試驗，通過改變黏結(jié)劑種類、碳纖維布層數(shù)、纖維布寬度、鋼板材質(zhì)、鋼板厚度、溫度等因素，進行了14組42個試件的拉伸剪切試驗，分析研究在各因素影響下黏結(jié)界面上的應力分布特點、黏結(jié)剪切破壞過程、破壞特征、碳纖維布應變發(fā)展及分布規(guī)律。得出碳纖維布與鋼材的黏結(jié)應力分布規(guī)律和黏結(jié)剪應力-滑移曲線，對于實際加固工程應用和規(guī)范完善具有參考價值［8］。前人對于碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展進行了相關(guān)的理論和試驗研究，但是，由于采用碳纖維布進行鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)還處于初級階段，針對工程實例的結(jié)構(gòu)加固施工方法不夠系統(tǒng)和完善。本文對碳纖維布加固鋼吊車梁的施工關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的介紹。

1碳纖維布加固吊車梁的特點

在工業(yè)廠房中，吊車梁能否正常運行直接影響著生產(chǎn)的正常進行，尤其對于煉鋼廠房，通常吊車噸位大甚至超載，而且運行頻繁，使得吊車梁破損開裂現(xiàn)象時有發(fā)生。工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)吊車梁系統(tǒng)的破壞大多是由于疲勞引起的，而且對于煉鋼廠房使用時室內(nèi)溫度較高等因素影響，大多數(shù)吊車梁未達到設計使用年限就發(fā)生破壞。傳統(tǒng)的加固方式雖然有一定的加固效果(如加焊鋼板或型鋼)，但同時也增加了吊車梁的自重和空間利用率的下降，造成應力和剛度的重分布，通常會在焊縫部位造成應力集中，在疲勞荷載的作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，造成鋼吊車梁的二次疲勞損傷。由于碳纖維布因抗拉強度高、可成型性強(如在鋼結(jié)構(gòu)的拐角處可以很好地與鋼構(gòu)件進行黏結(jié))、耐腐蝕和抗疲勞性能效果好，對鋼吊車梁的加固效果比傳統(tǒng)方法加固效果要好很多。根據(jù)不同的病害采用不同的加固方法，如在構(gòu)件的受拉面粘貼碳纖維布可以提高構(gòu)件的抗彎能力;在鋼結(jié)構(gòu)疲勞部位，通過粘貼碳纖維布可以提高剩余疲勞壽命等，碳纖維布加固鋼構(gòu)件的技術(shù)效果顯著，立竿見影，逐漸成為專家學者研究的熱點內(nèi)容。

2工程難點分析和措施

2．1標準規(guī)范欠缺

鑒于粘貼碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在實際工程中應用的實例有限，無現(xiàn)成標準、規(guī)范可循，粘貼碳纖維布加固修復鋼結(jié)構(gòu)是一種新工藝，與碳纖維布加固混凝土有著極大的不同，二者在黏結(jié)方式、破壞界面及方式等方面均有很大不同。所以工程進行過程中結(jié)合以往工程經(jīng)驗，采用邊試驗、邊驗證、邊優(yōu)化、邊施工的過程，分別針對材料選擇、黏結(jié)性能、工藝性能、十字形節(jié)點疲勞性能試驗、吊車梁模型試驗、結(jié)構(gòu)計算分析，設計出最優(yōu)的加固設計方案。

2．2工程環(huán)境惡劣

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中，鋼吊車梁是很重要的組成部分，其所處的環(huán)境復雜，例如煉鋼廠房，如果停工進行加固會造成嚴重的經(jīng)濟損失，所以要在廠房正常運行的情況下進行加固施工，此時結(jié)構(gòu)工作環(huán)境存在高溫及粉塵，施工環(huán)境條件惡劣，對工人的體力和耐力是一個極大的考驗。而且煉鋼車間環(huán)境溫度很高，以往的黏結(jié)材料在黏結(jié)時間和工作溫度方面都無法滿足要求。在進行材料選擇方面，中冶建筑研究總院有限公司的馬明山完成了11個批次計200組試件的材料性能試驗，系統(tǒng)考察了幾種碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)用黏結(jié)材料本體力學性能、鋼對鋼拉伸剪切性能、鋼與碳纖維布正拉黏結(jié)性能、疲勞性能、浸潤性、固化時間、外界擾動、鋼-布搭接性能等參數(shù)，最終選取適合加固鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房要求的黏結(jié)材料和碳纖維布［9］。

2．3施工周期短

考慮到工業(yè)建筑鋼吊車梁碳纖維加固工程的特殊性，工期短，停工1d就會造成巨大的經(jīng)濟損失，因此對于施工工藝的要求以及人員的協(xié)調(diào)性提出了巨大的挑戰(zhàn)，所以加固施工時，建議采用快干型黏結(jié)劑及配套施工工藝，這樣可以大大縮短停產(chǎn)時間。

3施工方法和順序

施工方法和施工順序的好壞直接影響到最終的施工質(zhì)量，碳纖維布加固修復鋼結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)黏結(jié)劑與碳纖維形成黏結(jié)構(gòu)件，粘貼于鋼構(gòu)件表面，但是由于黏結(jié)劑的力學性能、工藝參數(shù)及操作順序的特殊性，造成其施工流程要比其他加固方式嚴格。以往工程實踐表明，碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的效果好壞，除了需要良好的黏結(jié)劑之外，更需要嚴格的施工方法。所以針對工業(yè)建筑吊車梁加固工程的環(huán)境特點和工期要求，傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂和其他已有黏結(jié)材料很難滿足工程要求，要求所用的黏結(jié)劑具有固化速度快、強度高、性能穩(wěn)定等特點。

3．1施工技術(shù)準備

施工前應進行系統(tǒng)的前期準備工作，加固后應進行加固效果的觀測和評價。為此，施工前進行以下工作。1)進行碳纖維加固詳細設計，確定纖維材料選型、鋪貼方向、粘貼層數(shù)、剪裁等。2)根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境及施工周期要求等進行黏結(jié)劑材料選型及配合比設計，確定合理的加固施工工藝，分別進行了配膠工藝試驗、涂膠和滾壓工藝試驗、快干黏結(jié)劑與碳纖維布浸潤性試驗、碳纖維布多層鋪設工藝試驗、碳纖維布搭接長度試驗、表面防護工藝試驗、黏結(jié)劑固化溫度控制試驗等。3)制訂施工質(zhì)量驗收標準及操作規(guī)程。

3．2材料選擇

粘貼碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)關(guān)鍵問題之一就是黏結(jié)材料的性能是否滿足碳纖維布與鋼材的變形協(xié)調(diào)和共同工作。目前，國內(nèi)碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的工程實例非常缺乏，也沒有相關(guān)的設計規(guī)范和標準。因此，材料選擇方面要圍繞其固化時間、不同養(yǎng)護溫度下的工作性能進行研究。根據(jù)研究的要求和要點，主要進行以下試驗工作，最終確定適合于工業(yè)建筑吊車梁使用的黏結(jié)材料。1)不同溫度下黏結(jié)材料本身力學性能試驗。2)不同溫度養(yǎng)護條件下鋼對鋼拉伸剪切性能試驗。3)不同溫度養(yǎng)護條件下鋼與碳纖維布正拉黏結(jié)強度試驗。4)不同溫度養(yǎng)護條件下鋼對鋼疲勞強度性能試驗。5)擾動后鋼對鋼拉伸剪切性能試驗。6)不同溫度養(yǎng)護條件下鋼與碳纖維布搭接黏結(jié)強度性能試驗。

3．3構(gòu)件表面處理要求

1)構(gòu)件表面需按照設計要求將粘貼碳纖維布區(qū)域打磨平整，無明顯凸凹;清除需補強鋼梁的表面浮塵、積灰，尤其是腹板和翼緣等構(gòu)件相交和彎折處一定要打磨平滑，宜用鋼絲刷仔細清理干凈。2)需將構(gòu)件表面氧化層全部打磨掉，露出構(gòu)件本身材質(zhì)，無浮漆、無殘留氧化物等雜質(zhì)。3)被加固構(gòu)件表面應有一定粗糙度，可用砂紙對黏結(jié)區(qū)域進行打磨，打磨方向宜與粘貼碳纖維布方向呈45°角為宜。4)表面處理應控制好力度和時間，使構(gòu)件露出原來材質(zhì)，又不過度損傷鋼材。5)表面處理應在粘貼碳纖維布施工前5h內(nèi)進行，構(gòu)件表面處理后不宜放置太久，以免生成含水氧化層，影響?zhàn)そY(jié)強度。

3．4粘貼位置定位放線

根據(jù)前述計劃，對鋪貼碳纖維布的區(qū)域進行畫線定位。畫線時，在粘貼部位畫出鋪設碳纖維布各條帶的定位線即可。

3．5按照設計尺寸裁剪纖維布

用脫脂棉紗醮丙酮或無水酒精溶液擦洗打磨表面，晾置干燥。按照加固設計的尺寸剪裁碳纖維布(為保證施工進度，可以提前按照設計圖要求的尺寸剪裁好碳纖維布，并妥善放置)，防止碳纖維布沾染灰塵。裁剪好的碳纖維布應平鋪或者卷成桶狀放置，不應彎折。剪裁和施工過程中嚴禁損傷碳纖維布。要求剪裁好的碳纖維布實際面積應不小于加固設計面積。

3．6底層材料和找平材料的涂刷

采用纖維布加固時，配置并涂刷底層樹脂，均勻涂刷，待指觸干燥后可進行下一工序;配置找平材料并修補損傷處，修補處應平整、無毛刺，待找平材料指觸干燥后可進行下一工序。

3．7纖維布的粘貼

鑒于快干黏結(jié)劑固化速度快，7～10min即可初步固化，因此應嚴格控制其涂膠、滾壓工藝。每施工段至少需要4人。一人負責配黏結(jié)劑，將黏結(jié)劑A，B組分混合均勻;一人負責涂浸漬樹脂，將浸漬樹脂涂于表面待粘貼區(qū)域;另外兩人分別負責粘貼碳纖維布和刮浸漬樹脂、滾壓，刮浸漬樹脂、滾壓時應注意，須按住纖維布的一端，沿著纖維方向從一端向另一端刮涂、滾壓，以使浸漬樹脂充分浸潤碳纖維布，并且趕走膠層中的氣泡，使膠層均勻。不可來回錯動，造成纖維絲束松散扭曲，不利于復合材料的荷載傳遞。刮涂力度以使碳纖維布端頭溢出一定量的膠液為宜，但膠瘤不宜過大。此過程中應保持碳纖維布平整，注意不要使碳纖維布出現(xiàn)抽絲、扯離現(xiàn)象;應用此工藝需注意，一定要掌握好配浸漬樹脂的量，不應一次性大量配黏結(jié)劑，以免其大量放熱，固化加快。涂浸漬樹脂后應在2min以內(nèi)鋪設纖維布，纖維布鋪設完成后，應在3～4min內(nèi)對鋪設完成的纖維布表面再涂刷浸漬樹脂。如果出現(xiàn)膠層空白，則需要補浸漬樹脂，然后再加壓粘貼，膠層厚度宜控制在0．3～0．8mm。稱取膠液時應根據(jù)施工進度、固化溫度確定用膠量，一次不能稱取大量膠液。涂膠的場所應明亮干燥，灰塵盡量少。涂膠過程中，稱取各組分的工具不能混用，涂膠的工具也不能接觸盛膠容器中未用的各組分。應嚴格控制各組分的比例，相對誤差控制在5%以內(nèi)。當多層鋪設時，應按設計順序和方向黏結(jié)，使各層粘貼方向與主應力方向一致，在最后一層纖維布的表面均勻涂刷浸漬樹脂。第1層鋪設完畢后，為了使2層之間更好的黏結(jié)，應在第1層浸漬樹脂固化以前進行下一層布的粘貼。粘貼過程中注意，不應使第1層布發(fā)生錯動。用滾輪沿著纖維方向進行滾壓，使2層布充分黏結(jié)。碳纖維布搭接處，順纖維受力方向搭接長度不應小于200mm，搭接區(qū)域不宜出現(xiàn)空鼓、凸起、凹陷等缺陷，否則應對缺陷進行修補。在粘貼碳纖維布和固化過程中，環(huán)境溫度宜控制在50℃以下。

3．8表面防護要求

參考常規(guī)碳纖維布加固結(jié)構(gòu)技術(shù)的要求和一般經(jīng)驗，考慮環(huán)境的特殊性，粘貼完碳纖維布，應在黏結(jié)劑固化后進行表面修整及防護處理，刮掉多余的膠液、涂刷防護材料。在后續(xù)施工過程中，應避免膠層受到?jīng)_擊和剝離，保證碳纖維增強復合材料與鋼構(gòu)件之間有可靠的黏結(jié)。為了延長碳纖維復合材料的使用壽命，防止在高溫環(huán)境下對黏結(jié)劑的有效黏結(jié)產(chǎn)生影響，在粘貼碳纖維后2h內(nèi)應在碳纖維布的外部涂刷防護材料，并安裝設置防火隔熱板。防護材料的涂刷工藝按施工工藝和要求進行。

4施工檢驗和驗收

4．1原材料檢驗

對FRP、結(jié)構(gòu)膠粘劑等原材料宜按工程用量一次進場到位。進場時，應會同監(jiān)理單位對產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量出廠檢驗報告和包裝完整性進行檢查。同時，應對產(chǎn)品的安全性能進行見證抽樣復檢。

4．2過程質(zhì)量檢查與控制

采用碳纖維布及配套樹脂類黏結(jié)材料對鋼結(jié)構(gòu)進行加固修復時，上一道工序經(jīng)檢查合格后，方可進行下一道工序施工。施工質(zhì)量不能滿足要求時，應立即采取補救措施或返工。施工過程中，應有專門人員負責質(zhì)量檢查并做詳細記錄。

4．3尺寸偏差及黏結(jié)質(zhì)量檢驗

碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)吊車梁時，應嚴格按照設計尺寸進行粘貼加固，粘貼位置偏差相對設計值≤10mm。對于黏結(jié)質(zhì)量的驗收多采用錘擊法或其他有效探測法進行檢查，總有效面積不應小于總黏結(jié)面積的95%。若單個空鼓面積≤2500mm2，建議采用針管注膠法對空鼓部位進行修補;若單個空鼓面積＞2500mm2，應將空鼓處的碳纖維布割除，重新搭接并粘貼等量碳纖維布。重新粘貼時，其每端的搭接長度不應小于200mm。

4．4碳纖維布加固修復鋼結(jié)構(gòu)工程驗收應具備以下基本資料

工程概況及鋼結(jié)構(gòu)鑒定或評估報告;設計文件;施工資料，包括施工組織設計、施工工藝及過程質(zhì)量控制記錄、隱蔽驗收記錄、材料和工程量統(tǒng)計、加固修復后圖紙等;監(jiān)理資料、過程控制記錄;原材料檢驗報告、現(xiàn)場質(zhì)量檢驗報告等。

5結(jié)語

碳纖維布加固修復鋼結(jié)構(gòu)作為一種較新型的加固方式，伴隨著標準規(guī)范、施工技術(shù)的完善，必將在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應用。由于其結(jié)構(gòu)、環(huán)境、工期的特殊性，決定了其施工存在較大的難度。本文針對其特殊性，通過選材和工藝優(yōu)化等確定了一整套科學、合理的施工技術(shù)方案。工程實踐表明，本文所提出的結(jié)構(gòu)施工方法合理可靠，可為以后類似工程借鑒采用。

作者：李彪1 彭鐵紅2 楊勇新1 岳清瑞1 陳鵬飛1，3 廉杰1 趙進階1 單位：1.中冶建筑研究總院有限公司 2.中國冶金科工股份有限公司 3.西南科技大學