碳纤维布加固吊车梁施工技术分析

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20世纪80年代以来，纤维布修补技术作为一种高效率、低成本的先进结构修复方法，已在土木工程中得到了很大重视并进行了广泛地研究与应用。目前，纤维布加固混凝土技术已经相对成熟。但是由于钢材的性质与混凝土的性质有着本质的差别，加固钢结构与加固混凝土的技术相差很大，碳纤维布加固钢结构的破坏方式多为界面破坏，目前国内外对于纤维布加固钢结构的研究还处于初步的探索研究阶段，真正在工程上的应用并没有大规模的展开［1-3］。Mertz等人最早进行FRP加固钢结构的试验研究［4］。他们对粘贴各种形式的FRP加固钢结构桥梁进行了试验研究，采用4种加固方案进行加固后，强度分别增加了42%，71%，41%和37%，结果表明夹芯-CFRP板技术是最有效的。2000年，Miller对4个足尺钢梁进行了试验［5］，在钢梁受拉翼缘粘贴碳纤维板加固后，其刚度和极限承载力都有了极大的提高。Sen等通过在钢梁受拉翼缘外侧粘贴碳纤维板［6］，对加固前后试件的强度和刚度进行了比较。试验结果表明极限强度的提高幅度为46%～109%。国内方面，赵启林等［7］描述了一种碳纤维加固钢结构的“反拱预应力技术”，在理论推导上说明了技术可以提高钢结构的承载力。杨勇新等采用碳纤维布与钢材的拉伸剪切试验，通过改变黏结剂种类、碳纤维布层数、纤维布宽度、钢板材质、钢板厚度、温度等因素，进行了14组42个试件的拉伸剪切试验，分析研究在各因素影响下黏结界面上的应力分布特点、黏结剪切破坏过程、破坏特征、碳纤维布应变发展及分布规律。得出碳纤维布与钢材的黏结应力分布规律和黏结剪应力-滑移曲线，对于实际加固工程应用和规范完善具有参考价值［8］。前人对于碳纤维布加固钢结构技术的发展进行了相关的理论和试验研究，但是，由于采用碳纤维布进行钢结构的加固技术还处于初级阶段，针对工程实例的结构加固施工方法不够系统和完善。本文对碳纤维布加固钢吊车梁的施工关键技术进行了详细的介绍。

1碳纤维布加固吊车梁的特点

在工业厂房中，吊车梁能否正常运行直接影响着生产的正常进行，尤其对于炼钢厂房，通常吊车吨位大甚至超载，而且运行频繁，使得吊车梁破损开裂现象时有发生。工业厂房钢结构吊车梁系统的破坏大多是由于疲劳引起的，而且对于炼钢厂房使用时室内温度较高等因素影响，大多数吊车梁未达到设计使用年限就发生破坏。传统的加固方式虽然有一定的加固效果(如加焊钢板或型钢)，但同时也增加了吊车梁的自重和空间利用率的下降，造成应力和刚度的重分布，通常会在焊缝部位造成应力集中，在疲劳荷载的作用下产生疲劳裂纹，造成钢吊车梁的二次疲劳损伤。由于碳纤维布因抗拉强度高、可成型性强(如在钢结构的拐角处可以很好地与钢构件进行黏结)、耐腐蚀和抗疲劳性能效果好，对钢吊车梁的加固效果比传统方法加固效果要好很多。根据不同的病害采用不同的加固方法，如在构件的受拉面粘贴碳纤维布可以提高构件的抗弯能力;在钢结构疲劳部位，通过粘贴碳纤维布可以提高剩余疲劳寿命等，碳纤维布加固钢构件的技术效果显著，立竿见影，逐渐成为专家学者研究的热点内容。

2工程难点分析和措施

2．1标准规范欠缺

鉴于粘贴碳纤维加固钢结构技术在实际工程中应用的实例有限，无现成标准、规范可循，粘贴碳纤维布加固修复钢结构是一种新工艺，与碳纤维布加固混凝土有着极大的不同，二者在黏结方式、破坏界面及方式等方面均有很大不同。所以工程进行过程中结合以往工程经验，采用边试验、边验证、边优化、边施工的过程，分别针对材料选择、黏结性能、工艺性能、十字形节点疲劳性能试验、吊车梁模型试验、结构计算分析，设计出最优的加固设计方案。

2．2工程环境恶劣

在钢结构工业建筑中，钢吊车梁是很重要的组成部分，其所处的环境复杂，例如炼钢厂房，如果停工进行加固会造成严重的经济损失，所以要在厂房正常运行的情况下进行加固施工，此时结构工作环境存在高温及粉尘，施工环境条件恶劣，对工人的体力和耐力是一个极大的考验。而且炼钢车间环境温度很高，以往的黏结材料在黏结时间和工作温度方面都无法满足要求。在进行材料选择方面，中冶建筑研究总院有限公司的马明山完成了11个批次计200组试件的材料性能试验，系统考察了几种碳纤维布加固钢结构用黏结材料本体力学性能、钢对钢拉伸剪切性能、钢与碳纤维布正拉黏结性能、疲劳性能、浸润性、固化时间、外界扰动、钢-布搭接性能等参数，最终选取适合加固钢结构工业厂房要求的黏结材料和碳纤维布［9］。

2．3施工周期短

考虑到工业建筑钢吊车梁碳纤维加固工程的特殊性，工期短，停工1d就会造成巨大的经济损失，因此对于施工工艺的要求以及人员的协调性提出了巨大的挑战，所以加固施工时，建议采用快干型黏结剂及配套施工工艺，这样可以大大缩短停产时间。

3施工方法和顺序

施工方法和施工顺序的好坏直接影响到最终的施工质量，碳纤维布加固修复钢结构采用结构黏结剂与碳纤维形成黏结构件，粘贴于钢构件表面，但是由于黏结剂的力学性能、工艺参数及操作顺序的特殊性，造成其施工流程要比其他加固方式严格。以往工程实践表明，碳纤维布加固钢结构的效果好坏，除了需要良好的黏结剂之外，更需要严格的施工方法。所以针对工业建筑吊车梁加固工程的环境特点和工期要求，传统的环氧树脂和其他已有黏结材料很难满足工程要求，要求所用的黏结剂具有固化速度快、强度高、性能稳定等特点。

3．1施工技术准备

施工前应进行系统的前期准备工作，加固后应进行加固效果的观测和评价。为此，施工前进行以下工作。1)进行碳纤维加固详细设计，确定纤维材料选型、铺贴方向、粘贴层数、剪裁等。2)根据结构工作环境及施工周期要求等进行黏结剂材料选型及配合比设计，确定合理的加固施工工艺，分别进行了配胶工艺试验、涂胶和滚压工艺试验、快干黏结剂与碳纤维布浸润性试验、碳纤维布多层铺设工艺试验、碳纤维布搭接长度试验、表面防护工艺试验、黏结剂固化温度控制试验等。3)制订施工质量验收标准及操作规程。

3．2材料选择

粘贴碳纤维布加固钢结构的技术关键问题之一就是黏结材料的性能是否满足碳纤维布与钢材的变形协调和共同工作。目前，国内碳纤维布加固钢结构的工程实例非常缺乏，也没有相关的设计规范和标准。因此，材料选择方面要围绕其固化时间、不同养护温度下的工作性能进行研究。根据研究的要求和要点，主要进行以下试验工作，最终确定适合于工业建筑吊车梁使用的黏结材料。1)不同温度下黏结材料本身力学性能试验。2)不同温度养护条件下钢对钢拉伸剪切性能试验。3)不同温度养护条件下钢与碳纤维布正拉黏结强度试验。4)不同温度养护条件下钢对钢疲劳强度性能试验。5)扰动后钢对钢拉伸剪切性能试验。6)不同温度养护条件下钢与碳纤维布搭接黏结强度性能试验。

3．3构件表面处理要求

1)构件表面需按照设计要求将粘贴碳纤维布区域打磨平整，无明显凸凹;清除需补强钢梁的表面浮尘、积灰，尤其是腹板和翼缘等构件相交和弯折处一定要打磨平滑，宜用钢丝刷仔细清理干净。2)需将构件表面氧化层全部打磨掉，露出构件本身材质，无浮漆、无残留氧化物等杂质。3)被加固构件表面应有一定粗糙度，可用砂纸对黏结区域进行打磨，打磨方向宜与粘贴碳纤维布方向呈45°角为宜。4)表面处理应控制好力度和时间，使构件露出原来材质，又不过度损伤钢材。5)表面处理应在粘贴碳纤维布施工前5h内进行，构件表面处理后不宜放置太久，以免生成含水氧化层，影响黏结强度。

3．4粘贴位置定位放线

根据前述计划，对铺贴碳纤维布的区域进行画线定位。画线时，在粘贴部位画出铺设碳纤维布各条带的定位线即可。

3．5按照设计尺寸裁剪纤维布

用脱脂棉纱醮丙酮或无水酒精溶液擦洗打磨表面，晾置干燥。按照加固设计的尺寸剪裁碳纤维布(为保证施工进度，可以提前按照设计图要求的尺寸剪裁好碳纤维布，并妥善放置)，防止碳纤维布沾染灰尘。裁剪好的碳纤维布应平铺或者卷成桶状放置，不应弯折。剪裁和施工过程中严禁损伤碳纤维布。要求剪裁好的碳纤维布实际面积应不小于加固设计面积。

3．6底层材料和找平材料的涂刷

采用纤维布加固时，配置并涂刷底层树脂，均匀涂刷，待指触干燥后可进行下一工序;配置找平材料并修补损伤处，修补处应平整、无毛刺，待找平材料指触干燥后可进行下一工序。

3．7纤维布的粘贴

鉴于快干黏结剂固化速度快，7～10min即可初步固化，因此应严格控制其涂胶、滚压工艺。每施工段至少需要4人。一人负责配黏结剂，将黏结剂A，B组分混合均匀;一人负责涂浸渍树脂，将浸渍树脂涂于表面待粘贴区域;另外两人分别负责粘贴碳纤维布和刮浸渍树脂、滚压，刮浸渍树脂、滚压时应注意，须按住纤维布的一端，沿着纤维方向从一端向另一端刮涂、滚压，以使浸渍树脂充分浸润碳纤维布，并且赶走胶层中的气泡，使胶层均匀。不可来回错动，造成纤维丝束松散扭曲，不利于复合材料的荷载传递。刮涂力度以使碳纤维布端头溢出一定量的胶液为宜，但胶瘤不宜过大。此过程中应保持碳纤维布平整，注意不要使碳纤维布出现抽丝、扯离现象;应用此工艺需注意，一定要掌握好配浸渍树脂的量，不应一次性大量配黏结剂，以免其大量放热，固化加快。涂浸渍树脂后应在2min以内铺设纤维布，纤维布铺设完成后，应在3～4min内对铺设完成的纤维布表面再涂刷浸渍树脂。如果出现胶层空白，则需要补浸渍树脂，然后再加压粘贴，胶层厚度宜控制在0．3～0．8mm。称取胶液时应根据施工进度、固化温度确定用胶量，一次不能称取大量胶液。涂胶的场所应明亮干燥，灰尘尽量少。涂胶过程中，称取各组分的工具不能混用，涂胶的工具也不能接触盛胶容器中未用的各组分。应严格控制各组分的比例，相对误差控制在5%以内。当多层铺设时，应按设计顺序和方向黏结，使各层粘贴方向与主应力方向一致，在最后一层纤维布的表面均匀涂刷浸渍树脂。第1层铺设完毕后，为了使2层之间更好的黏结，应在第1层浸渍树脂固化以前进行下一层布的粘贴。粘贴过程中注意，不应使第1层布发生错动。用滚轮沿着纤维方向进行滚压，使2层布充分黏结。碳纤维布搭接处，顺纤维受力方向搭接长度不应小于200mm，搭接区域不宜出现空鼓、凸起、凹陷等缺陷，否则应对缺陷进行修补。在粘贴碳纤维布和固化过程中，环境温度宜控制在50℃以下。

3．8表面防护要求

参考常规碳纤维布加固结构技术的要求和一般经验，考虑环境的特殊性，粘贴完碳纤维布，应在黏结剂固化后进行表面修整及防护处理，刮掉多余的胶液、涂刷防护材料。在后续施工过程中，应避免胶层受到冲击和剥离，保证碳纤维增强复合材料与钢构件之间有可靠的黏结。为了延长碳纤维复合材料的使用寿命，防止在高温环境下对黏结剂的有效黏结产生影响，在粘贴碳纤维后2h内应在碳纤维布的外部涂刷防护材料，并安装设置防火隔热板。防护材料的涂刷工艺按施工工艺和要求进行。

4施工检验和验收

4．1原材料检验

对FRP、结构胶粘剂等原材料宜按工程用量一次进场到位。进场时，应会同监理单位对产品合格证、产品质量出厂检验报告和包装完整性进行检查。同时，应对产品的安全性能进行见证抽样复检。

4．2过程质量检查与控制

采用碳纤维布及配套树脂类黏结材料对钢结构进行加固修复时，上一道工序经检查合格后，方可进行下一道工序施工。施工质量不能满足要求时，应立即采取补救措施或返工。施工过程中，应有专门人员负责质量检查并做详细记录。

4．3尺寸偏差及黏结质量检验

碳纤维布加固钢结构吊车梁时，应严格按照设计尺寸进行粘贴加固，粘贴位置偏差相对设计值≤10mm。对于黏结质量的验收多采用锤击法或其他有效探测法进行检查，总有效面积不应小于总黏结面积的95%。若单个空鼓面积≤2500mm2，建议采用针管注胶法对空鼓部位进行修补;若单个空鼓面积＞2500mm2，应将空鼓处的碳纤维布割除，重新搭接并粘贴等量碳纤维布。重新粘贴时，其每端的搭接长度不应小于200mm。

4．4碳纤维布加固修复钢结构工程验收应具备以下基本资料

工程概况及钢结构鉴定或评估报告;设计文件;施工资料，包括施工组织设计、施工工艺及过程质量控制记录、隐蔽验收记录、材料和工程量统计、加固修复后图纸等;监理资料、过程控制记录;原材料检验报告、现场质量检验报告等。

5结语

碳纤维布加固修复钢结构作为一种较新型的加固方式，伴随着标准规范、施工技术的完善，必将在钢结构领域得到广泛应用。由于其结构、环境、工期的特殊性，决定了其施工存在较大的难度。本文针对其特殊性，通过选材和工艺优化等确定了一整套科学、合理的施工技术方案。工程实践表明，本文所提出的结构施工方法合理可靠，可为以后类似工程借鉴采用。

作者：李彪1 彭铁红2 杨勇新1 岳清瑞1 陈鹏飞1，3 廉杰1 赵进阶1 单位：1.中冶建筑研究总院有限公司 2.中国冶金科工股份有限公司 3.西南科技大学