摘 要:通過工程實例，對混凝土柱施工中常見的質量事故運用碳纖維技術進行加固處理的方法進行了研究和探討。
關鍵詞:混凝土柱；質量事故；碳纖維加固技術
中圖分類號: TU746.3; TU599 文獻標識碼: A 文章編號: 1007-9815（2008）01-0028-03
前 言
混凝土柱施工過程中經常會發生局部蜂窩狀缺陷、混凝土強度不足、柱內縱向鋼筋強度不足或縱向鋼筋的焊接接頭強度不足等質量事故。碳纖維加固技術一開始僅在梁、板等受彎構件的加固補強方面得到應用，近幾年來，隨著這門技術的不斷發展和完善，在混凝土柱常見質量事故的加固補強方面也得到了越來越廣泛的應用。結合近兩年來實際工作中遇到的混凝土柱施工質量事故并進行歸類，運用碳纖維加固技術對該類質量事故處理進行了研究和探討。
1 對柱局部蜂窩狀缺陷的加固修復
混凝土柱在施工過程中因漏振或振搗不到位以及模板不密實漏漿等原因，造成柱身出現局部蜂窩狀缺陷。以往的處理方法是把缺陷混凝土剔除，然后用高一標號的混凝土灌實。這種處理方法僅僅是把缺陷混凝土用高一標號的混凝土置換，要想取得好的加固效果，必須把柱頂承受的樓面結構荷載全部卸除，并且新老混凝土界面處理必須符合加固規范相應的要求。由于施工現場條件和操作工人水平的限制，往往很難做到位。實際工程中，一般要求盡可能全部剔除缺陷混凝土，使舊混凝土露出堅實的結構層，表面粗糙化后沖洗干凈，在后灌的混凝土中摻入微膨脹劑。在后灌的混凝土達到強度后，根據柱的長細比大小，在缺陷混凝土以及上下一定高度區域內做2～3 層碳纖維片材的環向圍束，以進一步增強新老混凝土的整體性。詳見圖1。
2 對柱混凝土強度不足的加固修復
混凝土強度不足的情況在柱施工過程中經常會發生。對于受荷相對較小、混凝土實際強度比設計值下降不大、長細比1/d<14 的混凝土柱，采用碳纖維片材環向圍束法進行加固，具有不增加加固柱的截面尺寸、工期短、影響小和綜合造價較低的優點。下面以一個工程實例來說明碳纖維片材環向圍束法加固混凝土柱的計算過程。
2.1 工程概況
某住宅小區57#房結構形式為現澆鋼筋混凝土框架結構。4 層帶閣樓。建筑總高度18.55 m，建筑面積約5 000 m2，基礎為鋼筋混凝土樁基礎。該住宅樓在主體結構封頂后，發現閣樓層部分框架柱的混凝土存在質量問題，經有關檢測單位現場回彈檢測，有3 根柱的混凝土強度達不到原設計C25 的要求，必須進行加固處理以確保結構安全可靠。具體檢測結果詳見表1。
2.2 碳纖維片材環向圍束法的加固計算
本住宅樓閣樓層柱高3 200 mm，截面為300×300 mm，軸心受壓，所以長細比1/d<14、截面高寬比h/b<1.5、截面高度h<600 mm，滿足《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2006）關于采用環向圍束加固軸心受壓構件的適用條件。根據規范的構造要求，環向圍束加固軸心受壓構件至少需粘貼3 層碳纖維片材，且需沿全長無間隔地環向連續粘貼。
計算公式為：N = 0.9(fc0 + 4 σ1)Acor；σ1 = 0.5 ×βc kc ρf Ef εfe。
式中：N 為軸向壓力設計值；fc0 為原構件混凝土軸心抗壓強度設計值；Acor 為環向圍束內混凝土面積；b 為正方形截面邊長；r為截面棱角的圓化半徑；βc 混凝土強度影響系數，混凝土強度等級不大于C50時，βc =1.0；kc為環向圍束的有效約束系數；ρf 為環向圍束體積比；εfe 為碳纖維片材的有效拉應變設計值；取εfe=0.004 5；ρs 為柱中縱向鋼筋的配筋率。本工程的具體計算過程如下：
Acor = bh - (4 - π) r2 = 89 462.5
kc = 1-[(b-2r)2 + (h-2r)2/3Acor (1- ρs )] = 0.53ρf= 2nf tf (b+h)/ Acor = 0.006 72
σ1 = 0.5 ×βc kc ρf Ef εfe =1.917 54
N = 0.9 ×(7.2+1.917 54 × 4)× 89 462.5=1 197.29 kN
原設計混凝土柱軸向壓力設計值N = 11.9 ×300 × 300 = 1 071 kN，已小于加固后混凝土柱碳纖維布片材向圍束法軸向壓力設計值。2.3 碳纖維片材環向圍束法加固混凝土柱的構造和施工要點
碳纖維片材環向圍束上下層之間的搭接寬度不應<50 mm，環向截斷點的延伸長度不應<200 mm，并且各碳纖維片材條帶搭接位置應相互錯開。混凝土柱加固施工前，必須盡可能地對柱頂荷載進行卸載；矩形截面柱的棱角應打磨加以圓弧，圓弧半徑不應<25 mm。柱的加固示意詳見圖2。
3 對柱內鋼筋焊接接頭強度不足的加固修復
鋼筋混凝土柱的主筋往往直徑較大，目前很
多設計都采用HRB400鋼筋（新三級鋼），但施工中鋼筋的連接很多還采用閃光對焊工藝。由于施工單位操作工人對大直徑HRB400鋼筋的閃光對焊技術掌握不到位，經常出現鋼筋焊接檢測不合格的現象。許多工程的工期很急，當檢測結果出來時，這批鋼筋已經用在工程中了，很多情況還是在受力較大的底層柱。下面以一個工程實例來說明用碳纖維片材加固修復此類施工質量事故的計算過程。
3.1 工程概況
某車間結構形式為現澆鋼筋混凝土框架結構。共4 層，建筑總高度17.80 m，建筑面積約15 000m2，基礎為鋼筋混凝土樁基礎。底層柱主筋為HRB400 鋼筋，直徑25 mm。施工中鋼筋的連接采用閃光對焊。由于該工程為外資項目，工期緊，施工單位的進度趕得也很快。當施工到二層樓面結構時，柱鋼筋焊接檢測結果出來，表明力學性能不符合JGJ18-2003 規定的技術要求。部分檢測結果詳見表2。
3.2 碳纖維片材加固修復計算
根據施工和監理單位的記錄，柱主筋的閃光對焊位置在承臺面向上1.8 m 處，施工時采用了錯
開放置的方法即一根鋼筋是通長的相鄰的才焊接的，具體情況詳見圖3。
直徑25 mm的HRB400鋼筋設計要求的焊接頭的抗拉強度為570 MPa，實際的抗拉強度取500MPa，每一柱側共兩根，則鋼筋的缺損量為：Ass =(1-500/570)× 0.785 × 25 × 25 × 2 = 120.5 mm2采用簡化的等面積替換法計算，取碳纖維片材的抗拉強度設計值為1 600 MPa，厚度0.111，寬度100 mm，兩層4 條，綜合系數0.75，則等效的鋼筋面積為：Ads = 4 × 0.75 × 1 600/360 × 0.111 × 100 = 148mm2。大于鋼筋的缺損量120.5 mm2。碳纖維片材粘貼延伸長度的計算：
lc = (ψl × ff × Af)/(ft.v × bf)+200= (1.45×1 600×0.111×100×2)/(0.4×1.71)+200= 953 mm，取1 000 mm。
式中：ψl 為修正系數，重要構件取1.45，ft.v 為纖維與混凝土之間的粘結強度設計值，一般取0.40ft，ft為混凝土抗拉強度設計值。加固示意詳見圖4。
4 結語
近幾年來，碳纖維片材加固修復技術從加固受彎構件發展到受壓構件，特別是《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2006）對碳纖維片材加固受壓構件也有了一定的闡述和規定，但必須知道這門加固技術應用在受壓構件也是有一定條件和適用范圍的。從上述的工程實例可以看出，當受壓構件缺損較輕、強度降低幅度較小、構件長細比不大等情況下采用碳纖維片材加固技術，具有工期短、影響小和綜合造價底的優點，工程實踐中應該優先考慮采用。
參考文獻:
[1] 趙彤, 謝劍. 碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M]. 天津:天津大學出版社, 2001.
[2] 崔士奇. 碳纖維在建筑結構加固改造工程中的應用研究[Z]. 山東省科技廳科技發展計劃鑒定資料, 2001.
[3] 混凝土結構加固設計規范(GB50367-2006)[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 2006.
[4] 碳纖維片材加固混凝土結構技術規程(CECS146:2003)[M]. 北京:中國計劃出版社, 2003.
