摘 要:通过工程实例，对混凝土柱施工中常见的质量事故运用碳纤维技术进行加固处理的方法进行了研究和探讨。
关键词:混凝土柱；质量事故；碳纤维加固技术
中图分类号: TU746.3; TU599 文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（2008）01-0028-03
前 言
混凝土柱施工过程中经常会发生局部蜂窝状缺陷、混凝土强度不足、柱内纵向钢筋强度不足或纵向钢筋的焊接接头强度不足等质量事故。碳纤维加固技术一开始仅在梁、板等受弯构件的加固补强方面得到应用，近几年来，随着这门技术的不断发展和完善，在混凝土柱常见质量事故的加固补强方面也得到了越来越广泛的应用。结合近两年来实际工作中遇到的混凝土柱施工质量事故并进行归类，运用碳纤维加固技术对该类质量事故处理进行了研究和探讨。
1 对柱局部蜂窝状缺陷的加固修复
混凝土柱在施工过程中因漏振或振捣不到位以及模板不密实漏浆等原因，造成柱身出现局部蜂窝状缺陷。以往的处理方法是把缺陷混凝土剔除，然后用高一标号的混凝土灌实。这种处理方法仅仅是把缺陷混凝土用高一标号的混凝土置换，要想取得好的加固效果，必须把柱顶承受的楼面结构荷载全部卸除，并且新老混凝土界面处理必须符合加固规范相应的要求。由于施工现场条件和操作工人水平的限制，往往很难做到位。实际工程中，一般要求尽可能全部剔除缺陷混凝土，使旧混凝土露出坚实的结构层，表面粗糙化后冲洗干净，在后灌的混凝土中掺入微膨胀剂。在后灌的混凝土达到强度后，根据柱的长细比大小，在缺陷混凝土以及上下一定高度区域内做2～3 层碳纤维片材的环向围束，以进一步增强新老混凝土的整体性。详见图1。
2 对柱混凝土强度不足的加固修复
混凝土强度不足的情况在柱施工过程中经常会发生。对于受荷相对较小、混凝土实际强度比设计值下降不大、长细比1/d<14 的混凝土柱，采用碳纤维片材环向围束法进行加固，具有不增加加固柱的截面尺寸、工期短、影响小和综合造价较低的优点。下面以一个工程实例来说明碳纤维片材环向围束法加固混凝土柱的计算过程。
2.1 工程概况
某住宅小区57#房结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构。4 层带阁楼。建筑总高度18.55 m，建筑面积约5 000 m2，基础为钢筋混凝土桩基础。该住宅楼在主体结构封顶后，发现阁楼层部分框架柱的混凝土存在质量问题，经有关检测单位现场回弹检测，有3 根柱的混凝土强度达不到原设计C25 的要求，必须进行加固处理以确保结构安全可靠。具体检测结果详见表1。
2.2 碳纤维片材环向围束法的加固计算
本住宅楼阁楼层柱高3 200 mm，截面为300×300 mm，轴心受压，所以长细比1/d<14、截面高宽比h/b<1.5、截面高度h<600 mm，满足《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）关于采用环向围束加固轴心受压构件的适用条件。根据规范的构造要求，环向围束加固轴心受压构件至少需粘贴3 层碳纤维片材，且需沿全长无间隔地环向连续粘贴。
计算公式为：N = 0.9(fc0 + 4 σ1)Acor；σ1 = 0.5 ×βc kc ρf Ef εfe。
式中：N 为轴向压力设计值；fc0 为原构件混凝土轴心抗压强度设计值；Acor 为环向围束内混凝土面积；b 为正方形截面边长；r为截面棱角的圆化半径；βc 混凝土强度影响系数，混凝土强度等级不大于C50时，βc =1.0；kc为环向围束的有效约束系数；ρf 为环向围束体积比；εfe 为碳纤维片材的有效拉应变设计值；取εfe=0.004 5；ρs 为柱中纵向钢筋的配筋率。本工程的具体计算过程如下：
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
原设计混凝土柱轴向压力设计值N = 11.9 ×300 × 300 = 1 071 kN，已小于加固后混凝土柱碳纤维布片材向围束法轴向压力设计值。2.3 碳纤维片材环向围束法加固混凝土柱的构造和施工要点
碳纤维片材环向围束上下层之间的搭接宽度不应<50 mm，环向截断点的延伸长度不应<200 mm，并且各碳纤维片材条带搭接位置应相互错开。混凝土柱加固施工前，必须尽可能地对柱顶荷载进行卸载；矩形截面柱的棱角应打磨加以圆弧，圆弧半径不应<25 mm。柱的加固示意详见图2。
3 对柱内钢筋焊接接头强度不足的加固修复
钢筋混凝土柱的主筋往往直径较大，目前很
多设计都采用HRB400钢筋（新三级钢），但施工中钢筋的连接很多还采用闪光对焊工艺。由于施工单位操作工人对大直径HRB400钢筋的闪光对焊技术掌握不到位，经常出现钢筋焊接检测不合格的现象。许多工程的工期很急，当检测结果出来时，这批钢筋已经用在工程中了，很多情况还是在受力较大的底层柱。下面以一个工程实例来说明用碳纤维片材加固修复此类施工质量事故的计算过程。
3.1 工程概况
某车间结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构。共4 层，建筑总高度17.80 m，建筑面积约15 000m2，基础为钢筋混凝土桩基础。底层柱主筋为HRB400 钢筋，直径25 mm。施工中钢筋的连接采用闪光对焊。由于该工程为外资项目，工期紧，施工单位的进度赶得也很快。当施工到二层楼面结构时，柱钢筋焊接检测结果出来，表明力学性能不符合JGJ18-2003 规定的技术要求。部分检测结果详见表2。
3.2 碳纤维片材加固修复计算
根据施工和监理单位的记录，柱主筋的闪光对焊位置在承台面向上1.8 m 处，施工时采用了错
开放置的方法即一根钢筋是通长的相邻的才焊接的，具体情况详见图3。
直径25 mm的HRB400钢筋设计要求的焊接头的抗拉强度为570 MPa，实际的抗拉强度取500MPa，每一柱侧共两根，则钢筋的缺损量为：Ass =(1-500/570)× 0.785 × 25 × 25 × 2 = 120.5 mm2采用简化的等面积替换法计算，取碳纤维片材的抗拉强度设计值为1 600 MPa，厚度0.111，宽度100 mm，两层4 条，综合系数0.75，则等效的钢筋面积为：Ads = 4 × 0.75 × 1 600/360 × 0.111 × 100 = 148mm2。大于钢筋的缺损量120.5 mm2。碳纤维片材粘贴延伸长度的计算：
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 为修正系数，重要构件取1.45，ft.v 为纤维与混凝土之间的粘结强度设计值，一般取0.40ft，ft为混凝土抗拉强度设计值。加固示意详见图4。
4 结语
近几年来，碳纤维片材加固修复技术从加固受弯构件发展到受压构件，特别是《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）对碳纤维片材加固受压构件也有了一定的阐述和规定，但必须知道这门加固技术应用在受压构件也是有一定条件和适用范围的。从上述的工程实例可以看出，当受压构件缺损较轻、强度降低幅度较小、构件长细比不大等情况下采用碳纤维片材加固技术，具有工期短、影响小和综合造价底的优点，工程实践中应该优先考虑采用。
参考文献:
[1] 赵彤, 谢剑. 碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M]. 天津:天津大学出版社, 2001.
[2] 崔士奇. 碳纤维在建筑结构加固改造工程中的应用研究[Z]. 山东省科技厅科技发展计划鉴定资料, 2001.
[3] 混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2006.
[4] 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CECS146:2003)[M]. 北京:中国计划出版社, 2003.
