作者：杨洁
摘要: 目前国内大多数厂房因为处在恶劣的使用环境中，各种化学物质对其侵蚀很严重，再加上使用时间较长（一般都数十年），所以厂房的老化非常严重。而FRP材料因其具有高强、轻质、耐腐蚀、施工方便等特点已被广泛应用于工程结构的加固中。本文通过一工程实例—中国一拖集团有限公司冲压厂和精密铸造分厂的厂房加固，详细阐述了这种加固补强方法的具体实施。实践证明这种方法对提高恶劣环境条件下混凝土结构的耐久性是十分有效的。
关键词：FRP（纤维增强聚合物）；混凝土结构；加固；耐久性
Engineering Application Example of the Concrete Structures Externally Bonded with FRP Sheets
Abstract: At present most of the factory bulidings have been subjected to serious destruction because of outside harsh environment condition and the long-term service. As a kind of new materrial, FRP possesses excellent properties, such as high tensile strength and stiffness, light weight, good resistance to corrosion and convenient construction, so it has been widely used in civil engingeering strengthening.This paper used this method to repair the old factory bulidings. This real example proved the methods are useful to improve the durability of concrete structures under harsh environment condition.
Keywords: FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastice); Concrete structure; Strengthening;Durability
1 工程概况
该工程包括两个部分——中国一拖集团有限公司冲压厂和精密铸造分厂，均由原苏联汽车拖拉机农业机器工业部国家工业设计研究院进行初步设计，我国建工部北京工业设计院完成施工图纸设计，主要按照原苏联标准设计与施工。厂房建均于1959年，投入运行40余年，未进行过重大土建技术改造。冲压厂属金工车间，包括备料车间、车架车间、冲压车间、焊接车间、模修站和油漆车间六栋单层厂房（习惯称南跨、北跨、第一～四跨车间）和一栋生活间，总建筑面积为17365m2，其中厂房建筑面积12940m2。厂房采用独立基础，钢结构屋架、天窗架和支撑，钢筋混凝土柱、吊车梁、檩条和屋面密肋板。厂房柱距6m，跨度24m。一期厂房屋架为24m跨钢屋架，二期采用24m钢筋混凝土拱形屋架，有天窗。钢屋架屋面体系为檩条与密肋板，拱形屋架屋面体系为大型屋面板。厂房自建成以来已基本达到结构设计基准期，某些结构构件已老化、腐蚀或损伤，并且发生了几起屋面板掉落事故。
精密铸造分厂一期厂房建筑面积9980平方米，厂房结构比较复杂，结构型式同冲压厂。厂房按工艺流程可分为备料车间、熔化车间、蜡模车间、清理车间、成品零件库五个部份。厂房属于热加工车间，高温作业区位于溶化车间和腊模车间区域。
2 结构鉴定及破坏原因分析
湖南大学土木系于1995年9月底进驻现场，对冲压厂一期工程的厂房及其生活间进行了调查和检测。为了掌握厂房结构强度和耐久性现状，对结构的可靠性进行评估，结合湖南大学土木工程检测中心的检测报告，我们又进行了两个厂房的现场实地勘察，构件的破坏情况可从部分实地拍摄的照片中看出，见图1、图2。同时采用了多种方法对结构进行了科学的检测。检测内容包括：采用回弹、取芯法对梁、柱、板等主要承重构件的强度进行检测；混凝土碳化深度的检测；采用自然电位法与直接测定法相结合对混凝土构件钢筋锈蚀情况的检测；结构构件裂缝情况的检测；结构构件腐蚀情况的调查。经检测，得出结论：冲压厂和精密铸造厂厂房经过40余年的使用，经过有害气体长时间的侵蚀，大多数混凝土构件受到了非常严重的环境侵蚀，再加上人为生产造成损坏，使得构件老化等现象非常严重，有的钢筋已经裸露锈蚀，钢筋锈蚀后局部构件承载力明显不够，厂房结构构件严重不符合国家现行标准规范要求，危及安全使用，已到了非加固不可的地步，而且是刻不容缓，因为工业厂房在生产过程中要排放大量的有害气体和液体，生产条件也对结构不利，所以在进行补强加固的同时，注意耐久性处理。
图1 大型屋面板破坏图片 图2 梁破坏图片
整个厂房主体结构损坏、老化原因分析如下：
（1）自然老化。钢筋混凝土结构随着使用年限的增加，自然环境的不利影响将愈来愈显著，除了徐变、收缩等外，主要表现在混凝土的碳化，从而使得混凝土中性化，当这种反应进行到钢筋表面时，就会破坏钢筋的钝化膜，导致钢筋锈蚀。
（2）由于生产的需要，厂房在长时间的使用过程中，长期处于外界恶劣环境中，如高温高湿，各种有害物质中S离子、Cl离子等对结构的危害最为严重。由于Cl离子的穿透能力很强，即使在没有发生碳化的钢筋混凝土结构中，Cl离子也能到达钢筋表面，使PH值降到4以下，严重破坏钢筋的保护膜，导致钢筋锈蚀。
混凝土的开裂、碳化等缺陷导致了钢筋的锈蚀。空气中的有害化学离子等因素加剧了钢筋的锈蚀。钢筋的锈蚀使得锈蚀部分体积膨胀到2～3倍，直接造成保护层剥落，混凝土开裂，由此钢筋直接暴露于大气中，在水分、CO2等有害物质的作用下，钢筋的锈蚀加剧，如此形成恶性循环。
3 方案建议
针对厂房的使用环境和条件，加固时除要考虑强度外，还应进行耐久性设计。针对厂房和生活间的鉴定评级结果以及上述结论，为了保证厂房结构满足下一目标使用年限（10年）的要求，综合各方面因素，我们提出以下的加固补强方案。3.1 钢筋混凝土密肋板和檩条
板底混凝土碳化深度为20-25mm，而板内钢筋保护层只有15mm，故必须对屋面板进行大面积耐久性处理。(1) 屋面开孔附近的d级板和檩条不应继续使用，必须立即更换或加固。其它部位的板和雨漏部位（包括屋面开孔附近的其它板）应立即进行耐久性处理。
(2) c级板应根据使用情况采取加固措施。
(3) 所有密肋板和檩条应在近期进行耐久性处理。
(4) 换密肋板后的重量不允许超过现有屋面重量。屋面改造或加固时，要进行钢屋架和天窗架等结构与连接的承载力复核。
(5) 必须防止密肋板和檩条处于潮湿甚至雨漏环境，避免长时期的有害气体（如CO2和SO2等）侵蚀。
(6) 屋面板不允许超载。屋面检修时，每块板上只允许站一人作业，每人及其所带工具总重量不得超过0.8KN。
3.2 钢屋架与天窗架
(1) 按我国《钢结构设计规范（GBJ17-88）》复核，钢屋架部分上弦杆与支座斜杆的承载力不足（0.90<R/γ0S<0.95），在目前使用条件下，虽没发生安全问题，但安全度较低，应采取加固措施。(2) 钢屋架的可靠性低于国家规范要求较多，不允许在钢屋架上悬挂附加重量。北跨（油漆）车间现有的悬挂荷载应该撤除。确因生产需要而不能撤除者，近期可分散悬挂于下弦节点，不允许悬挂于上弦和其它杆件中央。从长期来看，应在屋架加固时考虑生产所必需的悬挂荷载。
(3) 所有锈蚀部位均应除锈补刷油漆。
3.3钢筋混凝土厂房柱
(1) 有损伤的柱子，应在近期内修复。位于走道两侧的厂房柱，应包一定高度的角钢，防止进一步损伤。修复部位应做到耐久性处理，角钢应做防锈处理。(2) 厂房柱不允许增加附加荷载。第一跨车间的厂房下柱不宜增加附加荷载，上柱不允许增加附加荷载。确因生产需要必须在厂房下柱挂重时，支点受力应满足下列要求：13/14轴柱弯距小于125kNm，17轴柱弯矩小于60kNm，竖向荷载均不超过170KN。
(3) 厂房柱宜做耐久性处理。
(4) 厂房内不允许异常堆载，防止地基沉降对厂房柱的影响。
3.4 钢筋混凝土吊车梁
(1) 吊车梁底的蜂窝麻面及漏筋应及时处理。(2) 吊车梁应做好耐久性处理。
3.5 其它混凝土构件
(1) 生活间楼层梁IIP-3上的隔墙必须采用轻质隔墙，重量不得超过4KN/m。(2) 生活间的楼面板和屋面板碳化深度已接近钢筋位置，楼（屋）面梁也有一定的碳化，应避免这种构件处于潮湿环境。处于潮湿区段（如浴室、卫生间）等的所有混凝土构件必须认真进行耐久性处理，一般区段也应进行耐久性处理。
(3) 厂房和生活间的其它混凝土构件（如连系梁、过梁墙梁柱等）宜进行耐久性处理。
3.6 其它建议
(1) 建立定期检查制度，检查的重点是：吊车梁与柱的连接节点、吊车梁的裂缝、支座部位和车挡部位、柱的牛腿部位、钢屋架与钢天窗架的连拉部位、支撑系统的连接、钢屋架、吊车梁和柱等结构构件超载使用。(2) 严禁屋面板、钢屋架、吊车梁和柱等结构构件超载使用。
(3) 发现问题要及时处理。
4 加固施工及耐久性处理
鉴于3中所提的建议，加固后原结构的负重不能有大幅度的增加，同时为了克服不利环境对混凝土结构的影响，补强加固的同时，还要保证结构的耐久性。经过与会者对混凝土构件增加断面加固、粘钢加固、CFRP加固等方案的讨论，结合对FRP片材补强加固混凝土耐久性的研究，认为CFRP加固方案优势更大：(1) 通过补强加固不仅可以使损失强度得到恢复，而且可以提高某些构件（如吊车梁）的抗疲劳强度；
(2) 经过前面讨论，CFRP耐腐蚀性能优良，能消除或降低腐蚀介质的影响；
(3) 用CFRP加固，可实行不停产作业，不影响生产；
(4) CFRP材料轻，不但施工方便，最主要的是对原结构的附加荷载值很小。从而最终确定了用CFRP加固破坏较严重的钢筋混凝土檩条、大型屋面板等构件、梁（仅为温度低的部位，高的部位采用型钢加固）。根据《混凝土结构设计规范》、《混凝土结构加固技术规范》、《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，针对不同部位，不同受腐蚀程度的构件设计了不同的加固方法，具体加固方式见设计图纸。鉴于本文主要探讨外粘结FRP补强混凝土的耐久性问题，故在此只对CFRP加固补强的部分详细讨论。
4.1 CFRP加固补强混凝土构件的程序
表面处理→涂刷底胶→修补找平→胶料配制→粘贴CFRP→表面防护→检验，具体做法如下：(1) 表面处理：清除粘贴部位混凝土表面浮浆、油污、杂质，若表面有蜂窝、裂缝，应进行修补，使露出结构本体后，吹净，并用丙酮擦净。CFRP材料擦除表面浮灰。
(2) 涂刷底胶：把按比例充分搅拌调制后的底胶，均匀涂布在混凝土表面。
(3) 修补找平：经上述工序后，混凝土表面若有凹凸，用修补胶涂抹找平。
(4) 胶料配制：按称量比例调制粘结胶，调制前对甲、乙两组分别搅拌，混入后再充分搅拌。
(5) 粘贴CFRP：按设计要求的尺寸裁剪CFRP，将配制后的粘结胶均匀涂抹粘贴部位的混凝土面上。将裁剪好的碳纤维敷设在涂好粘结胶的基层上，并用滚筒沿CFRP纤维方向多次滚压，使粘结胶充分浸透纤维中。
(6) 表面防护：在粘贴的CFRP最后一层均匀涂抹一道粘结胶，进行拉毛撒砂。
(7) 检验：粘贴CFRP完工经固化后，检验粘贴部位密实度，对局部不密实处进行修补。
4.2 加固施工及耐久性处理注意事项
施工要求：(1) 表面处理：粘贴部位混凝土表层含水率>4%，环境温度<5ºC应采取措施达到要求后方能施工。混凝土表面应露出结构本体，洁净。构件转角应成圆弧状，半径不应小于20mm。
(2) 涂刷底胶：底胶涂刷应均匀，当接触表面干燥后方可进入下一工序。
(3) 修补找平：经上述工序后粘贴面平整度应达到5mm/m，有段差转角部位、凹凸部位应找平，抹成平滑曲面。
(4) 胶料配制：胶料应严格按比例充分搅拌后配制。配制搅拌后的胶料应无沉淀、色差、气泡，并应防止灰尘杂质混入胶料。
(5) 粘贴CFRP：应按设计要求裁剪CFRP,不得损坏织物面,涂抹粘结胶应均匀,敷贴CFRP应平整无气泡。多层粘贴，可重复上述步骤，但应在接触表面干燥后立即进行下一层粘贴。如超过60分钟，则应等12小时后再行粘贴下一层。
(6) 表面防护：在粘贴最后一层CFRP上应涂抹粘结胶一道，进行防护，涂抹应均匀充分，不应漏涂。
(7) 检验：粘贴完工经固化(12小时左右)后，进行检验。密实度可用小锤敲击表面，通过不同声音判别密实情况，密实度应达到有关规定，否则应予修补后再检验。
(8) 用CFRP对檩条进行加固时，应在混凝土3个面粘贴CFRP布，再在梁端粘贴CFRP箍，其作用是增加抗剪能力和增加梁底CFRP的锚固。
(9) 本工程加固的厂房由于所处的外界环境比较恶劣，耐久性要求比较高，不但要防水、防酸碱腐蚀，还要防火、防高温湿热，部分构件还有防撞击、撕裂，抵抗疲劳荷载的要求。目前在建筑结构加固实践中采用刚性水泥砂浆防护层的较多，但水泥砂浆的粘结性较差，需要采用界面处理剂或其它界面粗化法（如稀释的结构胶刷涂后撒粘砂砾等）。综合考虑，本厂房加固防护层采用刚性的水泥砂浆/钢丝网片和树脂砂浆/纤维网片保护层。
5.5 加固补强后的效果
从工程竣工至今，加固补强后的厂房经过了三年多的使用和监测，结果证明，不但结构的承载力得到很大提高，能安全使用，而且在干湿循环、冻溶循环、弱酸环境及重级工作制疲劳强度的情况下，FRP—混凝土结构性能稳定，工作情况良好。实践表明，FRP材料本身的耐久性能优良，对于外粘结FRP补强的混凝土结构，通过采取相应的设计、施工措施，其耐久性能得到有力保证。参考文献
[1] 中国土木工程学会.CCES01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南(2005年修订) [S]．北京：中国建筑工业出版社，2005 ．[2] 中华人民共和国国家标准GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2006 ．
作者简介：
| 姓名：杨洁 | 性别：男 | 出生年月：1976.05.02 |
| 学历：本科 | 籍贯：四川 | |
技术职称：中国工艺美术师、
中国建筑室内设计师
二级建造师
获奖情况：CIDA设计大奖商业空间大奖
CIDA设计大奖休闲空间大奖
2018年上海市十佳设计师
| 2003.7 | 毕业于 东华大学设计艺术系 |
| 2005——至今 | 上海组流装饰工程有限公司 设计总监 |
喜爱与设计和工艺相关的各种领域，设计作品曾发表于国内著名专业设计刊物。从事设计工作十多年，曾为韩国SK集团、韩国LG集团、中航集团、华润集团等国内外客户提供设计，商业空间设计作品的出现在全国各大商业场所。
除了对设计的热爱，本人在工作中通过实践注重施工工艺对安全、环保尤其是对设计效果的表现。仔细体会不同工艺及材料的独特魅力，专研对细节处理的表现，结合具体情况尝试运用不同材料和工艺进行施工。根据客户的实际需求通过自己的努力用艺术设计和科学的施工方法，整合空间的处理及材料的运用将作品完美的呈现出来。
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