碳纖維布加固吊車梁施工技術(shù)分析
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20世紀(jì)80年代以來，纖維布修補(bǔ)技術(shù)作為一種高效率、低成本的先進(jìn)結(jié)構(gòu)修復(fù)方法，已在土木工程中得到了很大重視并進(jìn)行了廣泛地研究與應(yīng)用。目前，纖維布加固混凝土技術(shù)已經(jīng)相對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(yīng)用并沒有大規(guī)模的展開［1-3］。Mertz等人最早進(jìn)行FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究［4］。他們對(duì)粘貼各種形式的FRP加固鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用4種加固方案進(jìn)行加固后，強(qiáng)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(duì)4個(gè)足尺鋼梁進(jìn)行了試驗(yàn)［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(duì)加固前后試件的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明極限強(qiáng)度的提高幅度為46%～109%。國(guó)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(yù)應(yīng)力技術(shù)”，在理論推導(dǎo)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(yàn)，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(jìn)行了14組42個(gè)試件的拉伸剪切試驗(yàn)，分析研究在各因素影響下黏結(jié)界面上的應(yīng)力分布特點(diǎn)、黏結(jié)剪切破壞過程、破壞特征、碳纖維布應(yīng)變發(fā)展及分布規(guī)律。得出碳纖維布與鋼材的黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律和黏結(jié)剪應(yīng)力-滑移曲線，對(duì)于實(shí)際加固工程應(yīng)用和規(guī)范完善具有參考價(jià)值［8］。前人對(duì)于碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究，但是，由于采用碳纖維布進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)還處于初級(jí)階段，針對(duì)工程實(shí)例的結(jié)構(gòu)加固施工方法不夠系統(tǒng)和完善。本文對(duì)碳纖維布加固鋼吊車梁的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
1碳纖維布加固吊車梁的特點(diǎn)
在工業(yè)廠房中，吊車梁能否正常運(yùn)行直接影響著生產(chǎn)的正常進(jìn)行，尤其對(duì)于煉鋼廠房，通常吊車噸位大甚至超載，而且運(yùn)行頻繁，使得吊車梁破損開裂現(xiàn)象時(shí)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(duì)于煉鋼廠房使用時(shí)室內(nèi)溫度較高等因素影響，大多數(shù)吊車梁未達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)也增加了吊車梁的自重和空間利用率的下降，造成應(yīng)力和剛度的重分布，通常會(huì)在焊縫部位造成應(yīng)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(qiáng)度高、可成型性強(qiáng)(如在鋼結(jié)構(gòu)的拐角處可以很好地與鋼構(gòu)件進(jìn)行黏結(jié))、耐腐蝕和抗疲勞性能效果好，對(duì)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(xué)者研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。
2工程難點(diǎn)分析和措施
2．1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范欠缺
鑒于粘貼碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的實(shí)例有限，無現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范可循，粘貼碳纖維布加固修復(fù)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(jìn)行過程中結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用邊試驗(yàn)、邊驗(yàn)證、邊優(yōu)化、邊施工的過程，分別針對(duì)材料選擇、黏結(jié)性能、工藝性能、十字形節(jié)點(diǎn)疲勞性能試驗(yàn)、吊車梁模型試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的加固設(shè)計(jì)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(fù)雜，例如煉鋼廠房，如果停工進(jìn)行加固會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，所以要在廠房正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行加固施工，此時(shí)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(duì)工人的體力和耐力是一個(gè)極大的考驗(yàn)。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(shí)間和工作溫度方面都無法滿足要求。在進(jìn)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(gè)批次計(jì)200組試件的材料性能試驗(yàn)，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(xué)性能、鋼對(duì)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(rùn)性、固化時(shí)間、外界擾動(dòng)、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(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)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(shí)，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(shí)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(fù)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(xué)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(yán)格。以往工程實(shí)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(yán)格的施工方法。所以針對(duì)工業(yè)建筑吊車梁加固工程的環(huán)境特點(diǎn)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(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。
3．1施工技術(shù)準(zhǔn)備
施工前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備工作，加固后應(yīng)進(jìn)行加固效果的觀測(cè)和評(píng)價(jià)。為此，施工前進(jìn)行以下工作。1)進(jìn)行碳纖維加固詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(jìn)行黏結(jié)劑材料選型及配合比設(shè)計(jì)，確定合理的加固施工工藝，分別進(jìn)行了配膠工藝試驗(yàn)、涂膠和滾壓工藝試驗(yàn)、快干黏結(jié)劑與碳纖維布浸潤(rùn)性試驗(yàn)、碳纖維布多層鋪設(shè)工藝試驗(yàn)、碳纖維布搭接長(zhǎng)度試驗(yàn)、表面防護(hù)工藝試驗(yàn)、黏結(jié)劑固化溫度控制試驗(yàn)等。3)制訂施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例非常缺乏，也沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。因此，材料選擇方面要圍繞其固化時(shí)間、不同養(yǎng)護(hù)溫度下的工作性能進(jìn)行研究。根據(jù)研究的要求和要點(diǎn)，主要進(jìn)行以下試驗(yàn)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(xué)性能試驗(yàn)。2)不同溫度養(yǎng)護(hù)條件下鋼對(duì)鋼拉伸剪切性能試驗(yàn)。3)不同溫度養(yǎng)護(hù)條件下鋼與碳纖維布正拉黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。4)不同溫度養(yǎng)護(hù)條件下鋼對(duì)鋼疲勞強(qiáng)度性能試驗(yàn)。5)擾動(dòng)后鋼對(duì)鋼拉伸剪切性能試驗(yàn)。6)不同溫度養(yǎng)護(hù)條件下鋼與碳纖維布搭接黏結(jié)強(qiáng)度性能試驗(yàn)。
3．3構(gòu)件表面處理要求
1)構(gòu)件表面需按照設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)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(xì)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(yīng)有一定粗糙度，可用砂紙對(duì)黏結(jié)區(qū)域進(jìn)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(yīng)控制好力度和時(shí)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(yīng)在粘貼碳纖維布施工前5h內(nèi)進(jìn)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(qiáng)度。
3．4粘貼位置定位放線
根據(jù)前述計(jì)劃，對(duì)鋪貼碳纖維布的區(qū)域進(jìn)行畫線定位。畫線時(shí)，在粘貼部位畫出鋪設(shè)碳纖維布各條帶的定位線即可。
3．5按照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的尺寸剪裁碳纖維布(為保證施工進(jìn)度，可以提前按照設(shè)計(jì)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(yīng)平鋪或者卷成桶狀放置，不應(yīng)彎折。剪裁和施工過程中嚴(yán)禁損傷碳纖維布。要求剪裁好的碳纖維布實(shí)際面積應(yīng)不小于加固設(shè)計(jì)面積。
3．6底層材料和找平材料的涂刷
采用纖維布加固時(shí)，配置并涂刷底層樹脂，均勻涂刷，待指觸干燥后可進(jìn)行下一工序;配置找平材料并修補(bǔ)損傷處，修補(bǔ)處應(yīng)平整、無毛刺，待找平材料指觸干燥后可進(jìn)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(yīng)嚴(yán)格控制其涂膠、滾壓工藝。每施工段至少需要4人。一人負(fù)責(zé)配黏結(jié)劑，將黏結(jié)劑A，B組分混合均勻;一人負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)粘貼碳纖維布和刮浸漬樹脂、滾壓，刮浸漬樹脂、滾壓時(shí)應(yīng)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(rùn)碳纖維布，并且趕走膠層中的氣泡，使膠層均勻。不可來回錯(cuò)動(dòng)，造成纖維絲束松散扭曲，不利于復(fù)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(yīng)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(yīng)用此工藝需注意，一定要掌握好配浸漬樹脂的量，不應(yīng)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(yīng)在2min以內(nèi)鋪設(shè)纖維布，纖維布鋪設(shè)完成后，應(yīng)在3～4min內(nèi)對(duì)鋪設(shè)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(bǔ)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(shí)應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度、固化溫度確定用膠量，一次不能稱取大量膠液。涂膠的場(chǎng)所應(yīng)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(yīng)嚴(yán)格控制各組分的比例，相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi)。當(dāng)多層鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)順序和方向黏結(jié)，使各層粘貼方向與主應(yīng)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(shè)完畢后，為了使2層之間更好的黏結(jié)，應(yīng)在第1層浸漬樹脂固化以前進(jìn)行下一層布的粘貼。粘貼過程中注意，不應(yīng)使第1層布發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。用滾輪沿著纖維方向進(jìn)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(zhǎng)度不應(yīng)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(yīng)對(duì)缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。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(hù)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(yàn)，考慮環(huán)境的特殊性，粘貼完碳纖維布，應(yīng)在黏結(jié)劑固化后進(jìn)行表面修整及防護(hù)處理，刮掉多余的膠液、涂刷防護(hù)材料。在后續(xù)施工過程中，應(yīng)避免膠層受到?jīng)_擊和剝離，保證碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與鋼構(gòu)件之間有可靠的黏結(jié)。為了延長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料的使用壽命，防止在高溫環(huán)境下對(duì)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(yīng)在碳纖維布的外部涂刷防護(hù)材料，并安裝設(shè)置防火隔熱板。防護(hù)材料的涂刷工藝按施工工藝和要求進(jìn)行。
4施工檢驗(yàn)和驗(yàn)收
4．1原材料檢驗(yàn)
對(duì)FRP、結(jié)構(gòu)膠粘劑等原材料宜按工程用量一次進(jìn)場(chǎng)到位。進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)會(huì)同監(jiān)理單位對(duì)產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量出廠檢驗(yàn)報(bào)告和包裝完整性進(jìn)行檢查。同時(shí)，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的安全性能進(jìn)行見證抽樣復(fù)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)時(shí)，上一道工序經(jīng)檢查合格后，方可進(jìn)行下一道工序施工。施工質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施或返工。施工過程中，應(yīng)有專門人員負(fù)責(zé)質(zhì)量檢查并做詳細(xì)記錄。
4．3尺寸偏差及黏結(jié)質(zhì)量檢驗(yàn)
碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)吊車梁時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行粘貼加固，粘貼位置偏差相對(duì)設(shè)計(jì)值≤10mm。對(duì)于黏結(jié)質(zhì)量的驗(yàn)收多采用錘擊法或其他有效探測(cè)法進(jìn)行檢查，總有效面積不應(yīng)小于總黏結(jié)面積的95%。若單個(gè)空鼓面積≤2500mm2，建議采用針管注膠法對(duì)空鼓部位進(jìn)行修補(bǔ);若單個(gè)空鼓面積＞2500mm2，應(yīng)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(shí)，其每端的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于200mm。
4．4碳纖維布加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)工程驗(yàn)收應(yīng)具備以下基本資料
工程概況及鋼結(jié)構(gòu)鑒定或評(píng)估報(bào)告;設(shè)計(jì)文件;施工資料，包括施工組織設(shè)計(jì)、施工工藝及過程質(zhì)量控制記錄、隱蔽驗(yàn)收記錄、材料和工程量統(tǒng)計(jì)、加固修復(fù)后圖紙等;監(jiān)理資料、過程控制記錄;原材料檢驗(yàn)報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告等。
5結(jié)語
碳纖維布加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)作為一種較新型的加固方式，伴隨著標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(duì)其特殊性，通過選材和工藝優(yōu)化等確定了一整套科學(xué)、合理的施工技術(shù)方案。工程實(shí)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(jìn)階1 單位：1.中冶建筑研究總院有限公司 2.中國(guó)冶金科工股份有限公司 3.西南科技大學(xué)