工程案例
業(yè)務(wù)范圍
砼結(jié)構(gòu)碳纖維補強加固施工工法
發(fā)布時間：2014-07-15
1．前言
近年來，由于受施工質(zhì)量及各種自然環(huán)境、人為因素的綜合影響，已建成的混凝土結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)承載力不足、混凝土表面裂縫等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常使用。這些問題大部分是能通過加固改造解決的。碳纖維（carbon fiber reinforced polymer簡稱CFRP）具有抗拉強度高、密度小、耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)碳纖維加固方法是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維片材（碳纖維布和碳纖維板的總稱）粘結(jié)于混凝土表面，以達到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補強的目的，是近年來應(yīng)用比較先進的加固方法。我公司自1999年承擔(dān)湖北省建設(shè)廳“碳纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用研究”課題后，通過若干年工程的檢驗，對該項施工工藝運用嫻熟，特將此編寫為工法。
2．工法特點
2．1補強材料薄、重量輕，強度高：碳纖維片材基本不增加原結(jié)構(gòu)尺寸及自身重量。其抗拉強度是普通HRB335鋼的7～10 倍，且具有優(yōu)異的補強效果。
2．2 抗腐蝕：能有效地防護構(gòu)件的混凝土和鋼筋免受酸、堿、鹽、水等介質(zhì)的腐蝕，應(yīng)用面廣。
2．3 耐久性能好，耐磨損、抗老化：碳纖維片與環(huán)氧樹脂膠結(jié)材料本身及經(jīng)其補強的混凝土構(gòu)件可以長期承受紫外線輻射。碳纖維復(fù)合材料的疲勞強度約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
2．4 保持結(jié)構(gòu)原狀，外形美觀：碳纖維片材便于隨構(gòu)件原形裁剪、貼附。修復(fù)補強不增加構(gòu)件高寬尺寸及體積，且表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材料。
2．5 施工簡便，快捷：傳統(tǒng)加固補強施工工藝如粘鋼、外包混凝土方法必須進行大量混凝土剔鑿、鋼筋綁扎、焊接、澆筑混凝土以及大型機械設(shè)備吊裝等作業(yè)，而碳纖維片加固補強施工對施工空間要求很低，便于在狹小空間作業(yè)，施工快捷，對周圍的干擾很小。
3．適用范圍
工業(yè)與民用建筑中鋼筋混凝土梁、板、柱、剪力墻結(jié)構(gòu)，橋梁涵洞、隧道、襯砌、鋼筋混凝土煙囪、筒倉、池罐側(cè)壁等，因結(jié)構(gòu)損傷承載力不足及改變，且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度等級不小于C15，且長期使用的環(huán)境溫度不高于60℃的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，都可采用碳纖維加固施工工法加固、補強。
4．工藝原理
碳纖維加固是采用碳纖維片材（抗拉強度極高的碳纖維絲在高溫下“拉拔”成型，單向排列成束，并經(jīng)環(huán)氧樹脂膠預(yù)浸而成的碳纖維增強復(fù)合片材），以環(huán)氧樹脂作為膠結(jié)材料，將纖維片材沿受力方向或垂直于裂縫方向粘貼在受損結(jié)構(gòu)上，膠結(jié)材料作為它們之間的剪力連接媒介，形成新的復(fù)合體，使增強貼片與原有鋼筋共同作用，增大了結(jié)構(gòu)抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結(jié)構(gòu)的強度，延性及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展，從而起到加固補強的作用。必要時也可交叉粘貼單向纖維片材。整個工藝的關(guān)鍵在于碳纖維片粘貼的緊密性與牢固性，以保證與原結(jié)構(gòu)形成整體，共同工作。
5．施工工藝流程及操作要點
5．1 工藝流程
5．2 操作要點
5．2．1 施工準(zhǔn)備
1．應(yīng)認真閱讀設(shè)計施工圖。在進行混凝土表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計部位放線定位。
2．應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況和加固構(gòu)件混凝土的補強荷載要求，制定相應(yīng)施工方案和施工計劃。
3．應(yīng)對所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機具等做好施工前的物質(zhì)準(zhǔn)備工作。
4．進場后的碳纖維片材、配套樹脂應(yīng)抽樣送檢，合格后方可施工。
5．施工宜在環(huán)境溫度為5℃以上的條件下進行，并應(yīng)符合配套樹脂要求的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，應(yīng)采用適用于低溫環(huán)境的配套樹脂或采取升溫措施。
5．2．2 卸荷
加固前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求對加固構(gòu)件進行卸載。
5．2．3 構(gòu)件表面處理
1．將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈并達到結(jié)構(gòu)密實部位。
2．檢查外露鋼筋是否銹蝕，如有銹蝕，需進行必要處理。
3．對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，用高于原構(gòu)件混凝土強度的環(huán)氧砂漿進行修補、復(fù)原、達到表面平整。
4．應(yīng)按設(shè)計要求對裂縫進行灌漿或封閉處理：縫寬小于0.20mm 的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂抹密閉；大于或等于0.20mm 的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫。
5．對貼片范圍的定位、劃墨線、按修復(fù)、補強設(shè)計要求進行。
6．被粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進行導(dǎo)角處理并打磨加以圓化，如圖5.2.3-1所示。圓化半徑對于梁不應(yīng)小于20mm；對于柱不應(yīng)小于25mm。
1—構(gòu)件截面外表面；2—碳纖維材料； r—棱角圓化半徑
圖5.2.3-1 構(gòu)件截面棱角的圓化打磨
7．清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。
5．2．4 涂底膠
1．把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌合均勻，一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時間內(nèi)用完為準(zhǔn)，超過可使用時間不得再用。
2．在底層涂料中嚴(yán)禁添加溶劑。含有溶劑的毛刷或用溶劑弄濕了的滾筒不得使用。
3．用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后才能進行下一道工序的施工。
4．底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類似結(jié)露的露珠一樣）要用砂布或角磨機磨平后，再補涂底層涂料。
5．宜在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
5．2．5 找平
1．應(yīng)對混凝土表面凹陷部位用環(huán)氧膩子填補平整，不應(yīng)有棱角。
2．內(nèi)角（段差、起拱）等）要用環(huán)氧膩子填補，使之平順。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應(yīng)再用砂紙打磨平整。
3．宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
5．2．6 涂底膠
找平后，再涂一層底膠，然后進入下一道工序。
5．2．7 粘貼碳纖維片材
1．應(yīng)按下列步驟和要求粘貼碳纖維布：
1）應(yīng)按設(shè)計要求的尺寸剪裁碳纖維布。
2）應(yīng)按產(chǎn)品生產(chǎn)提供的工藝規(guī)定配制浸漬樹脂，并均勻涂抹于粘貼部位。
4）多層粘貼時應(yīng)重復(fù)上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行下一層粘貼。
5）應(yīng)在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
2．應(yīng)按下列步驟和要求粘貼碳纖維板：
1）應(yīng)按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維板，并按產(chǎn)品生產(chǎn)廠提供的工藝規(guī)定配制粘結(jié)樹脂。
2）應(yīng)將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵。當(dāng)需粘貼兩層時，底層碳纖維板的兩面均應(yīng)擦拭干凈。
3）擦拭干凈的碳纖維板應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，樹脂層應(yīng)呈突起狀，平均厚度不應(yīng)小于2mm。
4）應(yīng)將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實，使樹脂從兩邊擠出，保證密實無孔洞。當(dāng)平行粘結(jié)多條碳纖維板時，兩條板帶之間的空隙不應(yīng)小于5mm。
5）需粘貼兩層碳纖維板時，應(yīng)連續(xù)粘貼。當(dāng)不能立即粘貼時，再開始粘貼前對底層碳纖維板重新進行清理。
3．加固時，碳纖維片材延伸至支座邊緣應(yīng)滿足粘貼延伸長度的要求（《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB50367-2006）。
4．碳纖維片材的纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直。
5．碳纖維片材的截斷位置對板不小于1/4跨度，對梁不小于1/3跨度。
5．2．8 表面防護
1．加固后的碳纖維表面應(yīng)進行抹灰保護。在碳纖維表面的樹脂固化之前，撒一層干燥粗砂，再采取抹灰措施。
2．當(dāng)設(shè)計有耐火極限的要求時，按選用的防火涂料進行施工，并保證防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結(jié)。
5．3 施工注意事項
5．3．1 采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時，應(yīng)由專業(yè)施工隊伍進行施工。
5．3．2 施工過程中應(yīng)避免碳纖維片材彎折。
5．4 勞動力組織
視現(xiàn)場工期及施工面積確定班組數(shù)，每班組約10～12 人，其中管理人員4 人（工長、技術(shù)、質(zhì)量、安全各1 人），專業(yè)工人6～8 人,每天粘貼7～10?。
6．材料與設(shè)備
6．1 材料
6．1．1 碳纖維片材
1．碳纖維片的抗拉強度、彈性模量以及延性等性能指標(biāo)須符合設(shè)計要求和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
2．碳纖維布的抗拉強度應(yīng)按纖維的凈截面面積計算，凈截面面積取碳纖維布的計算厚度乘以寬度。碳纖維布的計算厚度取碳纖維布的單位面積質(zhì)量除以碳纖維密度。單層碳纖維布的單位面積碳纖維質(zhì)量不宜低于150g/?，且不宜高于450g/?。在施工質(zhì)量有可靠保證時，單層碳纖維布的單位面積碳纖維質(zhì)量可提高到600g/?。
3．碳纖維板的性能指標(biāo)應(yīng)按板的截面（含樹脂）面積計算，截面（含樹脂）面積取實測厚度乘以寬度。碳纖維板的厚度不宜大于2.0mm，寬度不宜大于200mm，纖維體積含量不宜小于60％。
4．碳纖維片材的組其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿足表7.1-1的要求。測定方法參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》GB/T3354測定。
6．1．2 配套樹脂類粘結(jié)材料
1．粘結(jié)劑要有足夠的粘結(jié)性能，工藝過程中各部位所使用的環(huán)氧樹脂膠結(jié)材料的種類、型號，應(yīng)根據(jù)施工時的溫度、濕度進行選擇。應(yīng)正確掌握主劑和固化劑的配比，使?jié)B透性、粘稠度、固化速度等方面能滿足不同季節(jié)施工的需要。
2．采用碳纖維片材對混凝土結(jié)構(gòu)加固時，應(yīng)采用與碳纖維片材配套的底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂。
3．配套樹脂類粘結(jié)材料的主要性能應(yīng)滿足表7.1-2、表7.1-3、表7.1-4的要求。
6．1．3 表面防護材料
1．對已加固完的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)進行防護處理。表面防護材料應(yīng)與浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂可靠粘結(jié)。
2．選用的防火材料及其處理方法，應(yīng)使加固后的建筑物達到要求的防火等級。
3．當(dāng)被加固的結(jié)構(gòu)處于特殊環(huán)境時，應(yīng)根據(jù)具體情況選用有效的防護材料。
6．1．4 其他材料
在受彎加固和受剪加固時，被加固的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其現(xiàn)場實測混凝土強度等級不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘結(jié)強度不得低于1.5MPa。采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應(yīng)低于C10。
6．2 主要機具：角向磨光機、砂紙、剪刀、鑿子、榔頭、臺秤、卷尺、水平儀、鉛錘、專用滾筒、刮板、攪拌容器、橡膠抹子、滾洞刷子、攪拌器、防護眼鏡、橡膠手套、口罩等。
7．質(zhì)量控制
7．1 材料的質(zhì)量應(yīng)符合下列指標(biāo)：
表7.1-1 碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)
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性能項目
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碳纖維板
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抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值
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≥
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≥
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彈性模量
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≥
|
≥
|
|
伸長率
|
≥
|
≥
|
表7.1-2 底層樹脂的性能指標(biāo)
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性能項目
|
性能指標(biāo)
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試驗方法
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|
正拉粘結(jié)強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值
|
參見現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS146:2003
|
表7.1-3 找平材料的性能指標(biāo)
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性能項目
|
性能指標(biāo)
|
試驗方法
|
|
正拉粘結(jié)強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值
|
參見現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS146:2003
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表7.1-4 浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂的性能指標(biāo)
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性能項目
|
性能指標(biāo)
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試驗方法
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拉伸剪切強度
|
≥10MPa
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GB7124-1986
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拉伸強度
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≥30MPa
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GB/T2568-1995
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壓縮強度
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≥70MPa
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GB/T2569-1995
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|
彎曲強度
|
≥40MPa
|
GB/T2570-1995
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|
正拉粘結(jié)強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值
|
CECS146:2003
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彈性模量
|
≥1500MPa
|
GB/T2568-1995
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|
伸長率
|
≥1.5%
|
GB/T2568-1995
|
7．2 碳纖維應(yīng)貼于梁的受拉區(qū)的下緣，如需要貼于梁側(cè)面時，僅限于1/4梁高的范圍，對側(cè)面的碳纖面積應(yīng)乘以折減系數(shù)。
7．3 碳纖維粘貼層數(shù)不宜層數(shù)過多；對多層碳纖維應(yīng)考慮共同工作系數(shù)的折減，碳纖維層數(shù)過多將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的脆性破壞。
7．4 碳纖維布互相銜接(接長)的部位采取重疊結(jié)構(gòu)，重疊部分長度為不小于100mm。對于柱的抗震加固時，搭接長度不應(yīng)小于150mm，各條帶搭接位置應(yīng)相互錯開。
7．5氣溫在5℃以下、相對濕度RH＞85 %、混凝土表面含水率在8%以上、有結(jié)露的可能時，無有效措施不得施工。
7．6 施工過程中應(yīng)避免碳纖維片材彎折。
7．7 碳纖維片材的實際粘貼面積不應(yīng)少于設(shè)計面積，位置偏差不應(yīng)大于10mm。
7．8 碳纖維片材與混凝土之間的粘貼質(zhì)量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法檢查，總有效粘貼面積不應(yīng)低于95％。當(dāng)碳纖維的空鼓面積不大于10000時，可采用針管注膠的方法進行修補；當(dāng)空鼓面積大于10000，宜將空鼓部位的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖維片材，搭接長度不應(yīng)小于100mm。
7．9 碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的現(xiàn)場檢驗應(yīng)在已完成碳纖維片材粘貼加固的結(jié)構(gòu)表面上進行。按實際粘貼碳纖維片材的加固結(jié)構(gòu)表面面積計，500以下工程取一組試樣，500至1000 工程取兩組試樣，1000 以上工程每1000 取兩組試樣。試樣應(yīng)由檢驗人員隨機抽取，試樣間距不得小于500mm。
7．10 應(yīng)對碳纖維片材配套底樹脂類粘結(jié)材料單層或復(fù)合涂層與混凝土之間的正拉粘結(jié)強度進行測定。測定方法見《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS146:2003。
8．安全措施
大多數(shù)膠粘劑中含有有機溶劑和有損人體健康的化學(xué)物品，因此在整個加固補強過程中，都必須注意安全和勞動保護，主要防護措施如下：
8．1工長要每天進行班前安全教育和隨時安全檢查，充分確認材料的使用方法、保管及管理方式后才可施工。
8．2安排整理好通道、施工架等現(xiàn)場作業(yè)條件，施工人員必備的口罩、護目鏡、橡皮手套、安全帽、安全帶等必須嚴(yán)格穿戴。
8．3使用有機溶劑并在密閉的場所施工，應(yīng)有通風(fēng)換氣措施，并嚴(yán)禁吸煙，避免火災(zāi)。
8．4底漆、環(huán)氧樹脂、涂料等若沾到皮膚，應(yīng)以肥皂水洗凈，如碰到眼睛，應(yīng)即以大量清水沖洗，并緊急送到醫(yī)院治療。
8．5碳纖維片材為導(dǎo)電材料，施工碳纖維片材時應(yīng)遠離電氣設(shè)備和電源，或采取可靠的防護措施，并配備有滅火器以便救護。
8．6樹脂的配置和使用場所應(yīng)保持通風(fēng)良好。
9．環(huán)保措施
9．1 碳纖維片材配套樹脂的原料應(yīng)密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。
9．2 廢棄的碳纖維片材及其配套的粘貼材料，不可隨意丟棄，應(yīng)遵循相關(guān)的規(guī)定執(zhí)行。
10．效益與施工效率分析
10．1 技術(shù)經(jīng)濟效益
碳纖維片材的重量輕、強度高，隨形性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的修復(fù)補強，基本不增加結(jié)構(gòu)重量；碳纖維修復(fù)補強工藝施工簡便，無需任何夾具、模板和支撐，雖然碳纖維本身的價格高于其他材料，但施工總費用較其他材料有優(yōu)勢。它免除了鋼板補強、混凝土補強等傳統(tǒng)方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養(yǎng)護、拆模等繁雜的工序和輔助設(shè)施，而且占用空間小，即使在高空作業(yè)，也只需設(shè)置簡易工作平臺即可。因此，用碳纖維片修復(fù)補強混凝土結(jié)構(gòu)的綜合造價將低于傳統(tǒng)的補強方法，經(jīng)濟效益視具體工程情況而定，越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)其效益將愈明顯。另外，碳纖維片補強有非常良好的抗腐蝕性能和耐久性，不需作任何防腐處理，而粘鋼加固則需做定期防銹、防腐處理。因此，碳纖維片修復(fù)補強技術(shù)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。
10．2 社會效益
由于碳纖維片材修復(fù)補強的施工簡便、施工周期短、占用空間小，使施工對周圍的影響小。例如：城市橋梁、大型公用設(shè)施、工業(yè)與民用建筑的維修，為了減少施工帶來的損失，必要時在一定條件下還可在交通設(shè)施正常運營、工廠正常生產(chǎn)的情況下進行作業(yè)，因此有一定的社會效益。對受意外災(zāi)害，特別是地震災(zāi)害引發(fā)的房屋、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)物的震損，用碳纖維片材快速修復(fù)，使城鎮(zhèn)人民的生產(chǎn)、生活盡快恢復(fù)正常，則其社會效益和環(huán)境效益都將是巨大的。
11．應(yīng)用實例
11．1 民意廣場三號樓工程（1998年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下兩層，地上二十五層，總建筑面積11000。其中地下兩層柱至地上四層柱，以及梁柱接頭部位采用粘貼碳纖維補強加固，運用碳纖維面積500。
11．2 華工科技樓工程（2000年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層，地上十三層，總建筑面積9000 。剪力墻、框架梁、板采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積1000。
11．3 宜昌濱江國際花園商住樓工程（2005年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上十七層，建筑面積33796.8 。由于業(yè)主改變使用功能，地下二層至地上五層剪力墻、框架梁、柱均采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積600。
11．4 湖北省婦女兒童發(fā)展中心綜合樓工程（2005年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層，地上二十層，建筑面積27840 。由于業(yè)主改變使用功能，七～十七層板采用粘貼碳纖維進行補強加固，碳纖維粘貼面積800。
11．5 湖北省棉花檢驗中心實驗室改擴建工程（2007年），框架結(jié)構(gòu)，地上十層，總建筑面積5000 。原有結(jié)構(gòu)一～八層柱、梁采用粘貼碳纖維進行補強加固。
上述工程加固均通過專項驗收，使用至今仍效果良好。
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