碳纖維布加固吊車梁施工技術分析論文
20世紀80年代以來，纖維布修補技術作為一種高效率、低成本的先進結構修復方法，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已經相對成熟。但是由于鋼材的性質與混凝土的性質有著本質的差別，加固鋼結構與加固混凝土的技術相差很大，碳纖維布加固鋼結構的破壞方式多為界面破壞，目前國內外對于纖維布加固鋼結構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模的展開［1-3］。Mertz等人最早進行FＲP加固鋼結構的試驗研究［4］。他們對粘貼各種形式的FＲP加固鋼結構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%，結果表明夾芯-CFＲP板技術是最有效的。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。試驗結果表明極限強度的提高幅度為46%～109%。國內方面，趙啟林等［7］描述了一種碳纖維加固鋼結構的“反拱預應力技術”，在理論推導上說明了技術可以提高鋼結構的承載力。楊勇新等采用碳纖維布與鋼材的拉伸剪切試驗，通過改變黏結劑種類、碳纖維布層數、纖維布寬度、鋼板材質、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界面上的應力分布特點、黏結剪切破壞過程、破壞特征、碳纖維布應變發展及分布規律。得出碳纖維布與鋼材的黏結應力分布規律和黏結剪應力-滑移曲線，對于實際加固工程應用和規范完善具有參考價值［8］。前人對于碳纖維布加固鋼結構技術的發展進行了相關的理論和試驗研究，但是，由于采用碳纖維布進行鋼結構的加固技術還處于初級階段，針對工程實例的結構加固施工方法不夠系統和完善。本文對碳纖維布加固鋼吊車梁的施工關鍵技術進行了詳細的介紹。
1碳纖維布加固吊車梁的特點
在工業廠房中，吊車梁能否正常運行直接影響著生產的正常進行，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象時有發生。工業廠房鋼結構吊車梁系統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溫度較高等因素影響，大多數吊車梁未達到設計使用年限就發生破壞。傳統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(如在鋼結構的拐角處可以很好地與鋼構件進行黏結)、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方法加固效果要好很多。根據不同的病害采用不同的加固方法，如在構件的受拉面粘貼碳纖維布可以提高構件的抗彎能力;在鋼結構疲勞部位，通過粘貼碳纖維布可以提高剩余疲勞壽命等，碳纖維布加固鋼構件的技術效果顯著，立竿見影，逐漸成為專家學者研究的熱點內容。
2工程難點分析和措施
2．1標準規范欠缺
鑒于粘貼碳纖維加固鋼結構技術在實際工程中應用的實例有限，無現成標準、規范可循，粘貼碳纖維布加固修復鋼結構是一種新工藝，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合以往工程經驗，采用邊試驗、邊驗證、邊優化、邊施工的過程，分別針對材料選擇、黏結性能、工藝性能、十字形節點疲勞性能試驗、吊車梁模型試驗、結構計算分析，設計出最優的加固設計方案。
2．2工程環境惡劣
在鋼結構工業建筑中，鋼吊車梁是很重要的組成部分，其所處的環境復雜，例如煉鋼廠房，如果停工進行加固會造成嚴重的經濟損失，所以要在廠房正常運行的情況下進行加固施工，此時結構工作環境存在高溫及粉塵，施工環境條件惡劣，對工人的體力和耐力是一個極大的考驗。而且煉鋼車間環境溫度很高，以往的黏結材料在黏結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，系統考察了幾種碳纖維布加固鋼結構用黏結材料本體力學性能、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，最終選取適合加固鋼結構工業廠房要求的黏結材料和碳纖維布［9］。
2．3施工周期短
考慮到工業建筑鋼吊車梁碳纖維加固工程的特殊性，工期短，停工1d就會造成巨大的經濟損失，因此對于施工工藝的要求以及人員的協調性提出了巨大的挑戰，所以加固施工時，建議采用快干型黏結劑及配套施工工藝，這樣可以大大縮短停產時間。
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量，碳纖維布加固修復鋼結構采用結構黏結劑與碳纖維形成黏結構件，粘貼于鋼構件表面，但是由于黏結劑的力學性能、工藝參數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，碳纖維布加固鋼結構的效果好壞，除了需要良好的黏結劑之外，更需要嚴格的施工方法。所以針對工業建筑吊車梁加固工程的環境特點和工期要求，傳統的環氧樹脂和其他已有黏結材料很難滿足工程要求，要求所用的黏結劑具有固化速度快、強度高、性能穩定等特點。
3．1施工技術準備
施工前應進行系統的前期準備工作，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、剪裁等。2)根據結構工作環境及施工周期要求等進行黏結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、黏結劑固化溫度控制試驗等。3)制訂施工質量驗收標準及操作規程。
3．2材料選擇
粘貼碳纖維布加固鋼結構的技術關鍵問題之一就是黏結材料的性能是否滿足碳纖維布與鋼材的變形協調和共同工作。目前，國內碳纖維布加固鋼結構的`工程實例非常缺乏，也沒有相關的設計規范和標準。因此，材料選擇方面要圍繞其固化時間、不同養護溫度下的工作性能進行研究。根據研究的要求和要點，主要進行以下試驗工作，最終確定適合于工業建筑吊車梁使用的黏結材料。1)不同溫度下黏結材料本身力學性能試驗。2)不同溫度養護條件下鋼對鋼拉伸剪切性能試驗。3)不同溫度養護條件下鋼與碳纖維布正拉黏結強度試驗。4)不同溫度養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)不同溫度養護條件下鋼與碳纖維布搭接黏結強度性能試驗。
3．3構件表面處理要求
1)構件表面需按照設計要求將粘貼碳纖維布區域打磨平整，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)需將構件表面氧化層全部打磨掉，露出構件本身材質，無浮漆、無殘留氧化物等雜質。3)被加固構件表面應有一定粗糙度，可用砂紙對黏結區域進行打磨，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，使構件露出原來材質，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內進行，構件表面處理后不宜放置太久，以免生成含水氧化層，影響黏結強度。
3．4粘貼位置定位放線
根據前述計劃，對鋪貼碳纖維布的區域進行畫線定位。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。一人負責配黏結劑，將黏結劑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抽絲、扯離現象;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劑，以免其大量放熱，固化加快。涂浸漬樹脂后應在2min以內鋪設纖維布，纖維布鋪設完成后，應在3～4min內對鋪設完成的纖維布表面再涂刷浸漬樹脂。如果出現膠層空白，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。當多層鋪設時，應按設計順序和方向黏結，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，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層布發生錯動。用滾輪沿著纖維方向進行滾壓，使2層布充分黏結。碳纖維布搭接處，順纖維受力方向搭接長度不應小于200mm，搭接區域不宜出現空鼓、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，環境溫度宜控制在50℃以下。
3．8表面防護要求
參考常規碳纖維布加固結構技術的要求和一般經驗，考慮環境的特殊性，粘貼完碳纖維布，應在黏結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。在后續施工過程中，應避免膠層受到沖擊和剝離，保證碳纖維增強復合材料與鋼構件之間有可靠的黏結。為了延長碳纖維復合材料的使用壽命，防止在高溫環境下對黏結劑的有效黏結產生影響，在粘貼碳纖維后2h內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、結構膠粘劑等原材料宜按工程用量一次進場到位。進場時，應會同監理單位對產品合格證、產品質量出廠檢驗報告和包裝完整性進行檢查。同時，應對產品的安全性能進行見證抽樣復檢。
4．2過程質量檢查與控制
采用碳纖維布及配套樹脂類黏結材料對鋼結構進行加固修復時，上一道工序經檢查合格后，方可進行下一道工序施工。施工質量不能滿足要求時，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量檢查并做詳細記錄。
4．3尺寸偏差及黏結質量檢驗
碳纖維布加固鋼結構吊車梁時，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。對于黏結質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構工程驗收應具備以下基本資料
工程概況及鋼結構鑒定或評估報告;設計文件;施工資料，包括施工組織設計、施工工藝及過程質量控制記錄、隱蔽驗收記錄、材料和工程量統計、加固修復后圖紙等;監理資料、過程控制記錄;原材料檢驗報告、現場質量檢驗報告等。
5結語
碳纖維布加固修復鋼結構作為一種較新型的加固方式，伴隨著標準規范、施工技術的完善，必將在鋼結構領域得到廣泛應用。由于其結構、環境、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，通過選材和工藝優化等確定了一整套科學、合理的施工技術方案。工程實踐表明，本文所提出的結構施工方法合理可靠，可為以后類似工程借鑒采用。
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