倪國(guó)慶

（江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司，江蘇揚(yáng)州225000）

外粘碳纖維布法在冷卻塔加固中的應(yīng)用

倪國(guó)慶

（江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司，江蘇揚(yáng)州225000）

冷卻塔是電廠重要生產(chǎn)設(shè)備之一，隨著時(shí)間的推移，病害和相關(guān)缺陷日益增多，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸膛c維護(hù)，才能確保整個(gè)電廠的安全生產(chǎn)。本文通過(guò)對(duì)某冷卻塔的計(jì)算分析與檢測(cè)鑒定結(jié)果采用外粘碳纖維布方式進(jìn)行加固，有效解決了冷卻塔承載能力不足的問(wèn)題。

冷卻塔；碳纖維布；承載能力

0　引言

我國(guó)冷卻塔市場(chǎng)起步晚，但發(fā)展穩(wěn)定增長(zhǎng)，市場(chǎng)發(fā)展空間十分廣闊。改革開(kāi)放幾十年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)獲得了極大的發(fā)展，技術(shù)水平也不斷成熟，冷卻塔生產(chǎn)需求不斷增加，國(guó)產(chǎn)化水平日益提高，然而隨著時(shí)間的推移，冷卻塔的病害和相關(guān)缺陷日益增多，為了提高冷卻塔質(zhì)量的安全度，減少事故發(fā)生，消除事故隱患，有必要對(duì)冷卻塔定期進(jìn)行檢測(cè)與維護(hù)加固，使冷卻塔更加安全、有效的運(yùn)行。

碳纖維增強(qiáng)材料簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維，按照成品不同又分為碳纖維布、碳纖維板、碳纖維棒等，是近十幾年來(lái)興起的一種新型混凝土加固材料，它以其優(yōu)異的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。碳纖維布有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）強(qiáng)度高。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，遠(yuǎn)高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。

（2）施工簡(jiǎn)便快捷。使用粘貼碳纖維布加固構(gòu)件不需要大型施工機(jī)械，無(wú)需損傷原結(jié)構(gòu)，且重量輕，厚度薄，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟(jì)性好。

（3）抗腐蝕性好。加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性，可以應(yīng)用于各種工作環(huán)境的構(gòu)件加固。也可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)也易于保持結(jié)構(gòu)原狀，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。

1　實(shí)例分析

1.1工程背景

江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司位于全國(guó)歷史文化名城江蘇省揚(yáng)州市東北郊，京杭大運(yùn)河和古運(yùn)河交匯處，南鄰寧通高速，北接寧啟鐵路。江蘇華電揚(yáng)州發(fā)電有限公司生產(chǎn)區(qū)內(nèi)4#和5#冷卻塔分別建成于1988年和1990年，其中冷卻塔塔體高100m，底部半徑38.989m，塔筒喉部高度79.774m，喉部半徑20.701m，頂部半徑22.989m。殼體最大厚度0.6m，最小厚度0.17m。上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土薄壁環(huán)形筒體結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土人字柱、環(huán)形基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)20年的運(yùn)行及外部自然氣候的影響，結(jié)構(gòu)部分已有一定程度的老化和破損。

可靠性已不能滿(mǎn)足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，不能正常使用。

1.2檢測(cè)與計(jì)算

為了利用有效資源，已對(duì)4#、5#冷卻塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面檢測(cè)，主要問(wèn)題如下：

（1）冷卻塔筒體存在因鋼筋銹脹等原因?qū)е卤砻婊炷辆植科茡p；（2）環(huán)梁底部鋼筋銹脹，混凝土剝落，現(xiàn)象較普遍；（3）人字柱箍筋銹脹，混凝土開(kāi)裂、剝落，現(xiàn)象較普遍；

通過(guò)大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)冷卻塔進(jìn)行計(jì)算分析：

圖2　冷卻塔人字柱缺陷

圖3　有限元模型計(jì)算簡(jiǎn)圖

表1　材料參數(shù)

塔筒極限承載力與正常使用狀況下的裂縫寬度驗(yàn)算所采用的控制內(nèi)力分別見(jiàn)表2、表3，人字柱極限承載力驗(yàn)算所采用的控制內(nèi)力見(jiàn)表4。采用Morgain結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行配筋計(jì)算。根據(jù)受力情況，采用偏心受拉或偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，計(jì)算配筋量與實(shí)際配筋量、原設(shè)計(jì)配筋量的比較分別見(jiàn)表5、表6。由表可知，環(huán)向鋼筋計(jì)算中，除塔筒中部一定范圍內(nèi)，筒壁環(huán)向配筋計(jì)算量大于實(shí)際配筋量外，其它部位環(huán)向配筋量均滿(mǎn)足承載力計(jì)算要求；子午向鋼筋計(jì)算中，除塔筒中部一定范圍內(nèi)，筒壁外壁的子午向配筋計(jì)算量大于實(shí)際配筋量外，其它部位子午向配筋量均滿(mǎn)足承載力計(jì)算要求。人字柱縱向計(jì)算配筋量為2351mm2，縱向設(shè)計(jì)配筋量為7389mm2，滿(mǎn)足極限承載力使用要求。

1.3加固方法

1.3.1冷卻塔人字柱及環(huán)基

經(jīng)檢測(cè)，人字柱混凝土抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求，但柱普遍存在箍筋銹脹，混凝土剝落、防腐層大面積脫落等缺陷，此外，經(jīng)過(guò)計(jì)算，人字柱配筋滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求，人字柱軸壓比滿(mǎn)足規(guī)范要求，但柱上下端箍筋加密區(qū)的箍筋不滿(mǎn)足抗震規(guī)范構(gòu)造要求，需要在人字柱上、下端1/6長(zhǎng)度（1.3m）范圍內(nèi)粘貼環(huán)向碳纖維布加固，粘貼標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)B100@250（中距，螺旋粘貼）。對(duì)人字柱缺陷部位采用局部修復(fù)，裂縫灌漿并對(duì)缺陷嚴(yán)重部位粘貼碳纖維布加固TB100@250，人字柱表面全面防碳化處理。

表2　塔筒子午向控制內(nèi)力

表3　塔筒環(huán)向控制內(nèi)力

表4　人字柱控制內(nèi)力

主要程序如下：

1）鑿除已疏松混凝土，清理至堅(jiān)實(shí)基面，外露鋼筋除銹防銹處理；

2）用聚合物水泥復(fù)合砂漿修復(fù)；

3）對(duì)裂縫予以灌漿處理；

4）沿人字柱環(huán)向粘貼碳纖維布加固處理；

5）所有人字柱外表面刷混凝土防碳化材料。

1.3.2冷卻塔塔筒筒壁及環(huán)梁

塔筒筒壁及環(huán)梁普遍存在鋼筋外露銹脹的現(xiàn)象；筒體內(nèi)壁防腐層大面積脫落。對(duì)鋼筋外露銹脹的部位采用局部修復(fù)和粘貼碳纖維布，筒外壁防碳化處理，塔壁內(nèi)表面進(jìn)行防腐（專(zhuān)用防腐涂料）。

加固方案如下：

按照30a使用期限的要求選取荷載標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，塔筒中部一定高度范圍內(nèi)（20～60）筒壁環(huán)向鋼筋不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，塔筒中部一定高度范圍內(nèi)（20～74）筒外壁子午向鋼筋不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；由筒壁裂縫的驗(yàn)算結(jié)果可知，子午向裂縫計(jì)算中，除筒壁頂部（95～100）外，其它范圍內(nèi)均滿(mǎn)足最大裂縫寬度限制0.20mm的要求；環(huán)向裂縫計(jì)算中，除中間段筒壁（20～60）不滿(mǎn)足最大裂縫寬度限制0.20mm的要求外，其它范圍均滿(mǎn)足。

綜合以上結(jié)果，需對(duì)本段（20～74、95～100）筒壁的外側(cè)筒壁沿子午向進(jìn)行加筋處理，筒外壁（20～74）沿環(huán)向進(jìn)行加筋處理。

塔筒筒壁粘貼單向碳纖維布，主要程序如下：

1）鑿除已疏松混凝土，清理至堅(jiān)實(shí)基面，外露鋼筋除銹防銹處理；

2）用聚合物水泥復(fù)合砂漿修復(fù)；

3）對(duì)裂縫予以灌漿處理；

4）充分利用碳纖維布抗拉性能好的特點(diǎn)，采用不對(duì)稱(chēng)配筋，在筒壁外側(cè)不滿(mǎn)足要求的部位（10～85m段）粘貼碳纖維布，子午向碳纖維布貼內(nèi)側(cè)，環(huán)向碳纖維布貼外側(cè)，筒壁內(nèi)側(cè)只粘貼環(huán)向碳纖維布；

表5　塔筒環(huán)向配筋計(jì)算

表6　塔筒子午向配筋計(jì)算

圖1　人字柱加固大樣圖

5）筒壁內(nèi)表面涂刷冷卻塔專(zhuān)用防護(hù)材料；筒壁外表面涂刷混凝土防碳化涂料，外筒做防碳化涂料前，應(yīng)先做好樣板，待廠方同意后再進(jìn)行施工。各高程需要粘貼的環(huán)向及子午向碳纖維布布置。為避免子午向搭接部位集中，在不同斷面上對(duì)碳纖維布進(jìn)行搭接，且在搭接范圍區(qū)內(nèi)，上下段碳纖維布各延伸200mm以上，并在此部位子午向碳纖維布端部，環(huán)向粘貼2道碳纖維布，碳纖維布寬度為80mm。在子午向碳纖維布加固范圍內(nèi)，粘貼環(huán)向碳纖維布，布寬80mm，環(huán)向碳纖維布間距不得超過(guò)1000mm，且在原施工模板接縫處布設(shè)一道。所有環(huán)向碳纖維布的搭接均要錯(cuò)開(kāi)，同一截面內(nèi)搭接率不應(yīng)超過(guò)50%，對(duì)15m及80m端部處，環(huán)向碳纖維布局部加密，增加2道環(huán)向碳纖維布（80@200）。塔筒環(huán)梁底部多處鋼筋銹脹，混凝土剝落，現(xiàn)象較普遍，對(duì)環(huán)梁底部破損部位進(jìn)行缺陷修復(fù)后，沿環(huán)梁長(zhǎng)度方向粘貼碳纖維布2塊，每塊寬度200mm，垂直梁長(zhǎng)方向粘貼TB150@500。

2　冷卻塔加固計(jì)算

筒壁、人支柱配筋不滿(mǎn)足要求的采用外粘碳纖維布的方式加固；加固量根據(jù)鋼筋差值等強(qiáng)換算成碳纖維布確定；

圖2　塔筒剖面

例如：原設(shè)計(jì)配筋量500mm2，計(jì)算需要800mm2，需要補(bǔ)強(qiáng)300mm2鋼筋面積，鋼筋為HRB335級(jí)；換算成I級(jí)碳纖維布需要一層100寬碳纖維布，面積約等于100mm2滿(mǎn)足要求。

換算按以下原則進(jìn)行：

2.1碳纖維布特征

1）抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fcfk≥3400MPa

2）彈性模量：Ecf≥2.3×105

3）伸長(zhǎng)率：εcu≥1.7%

4）單層厚度：tcf=0.167mm

2.2碳纖維布的允許拉應(yīng)變

碳纖維布的允許拉應(yīng)變|εcf|取以下三者中的較小值：（根據(jù)CECS146：2003《碳纖維材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.2條規(guī)定：

1）鋼筋的最大拉應(yīng)變：0.01（根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010中6.2.1條）

2）|εcfu|×2/3，其中

300g/m2布，一層

300g/m2布，一層：εcf=kmεcfu=0.9×0.014=0.0126

由此可見(jiàn)：碳纖維布的允許拉應(yīng)變?chǔ)與f=2εcfu/3=2× 0.014/3=0.0093

2.3鋼筋特性

1）極限拉應(yīng)變?nèi)≈担害與u2）屈服應(yīng)力和應(yīng)變：

3）從屈服到極限應(yīng)變的增量：

HRB400級(jí)：Δεs0=0.0093-0.0018=0.0075

HRB335級(jí)：Δεs0=0.0093-0.0015=0.0078

HPB235級(jí)：Δεs0=0.0093-0.0010=0.0083

HPB300級(jí)：Δεs0=0.0093-0.0013=0.008

4）碳纖維布折算成鋼筋面積

鋼筋取用屈服強(qiáng)度：Ecf×Δεs×bcf×tcf=fy×As

100寬碳纖維布折算成鋼筋面積：

折算成HRB400鋼筋面積：

折算成HRB335鋼筋面積：

折算成HPB235鋼筋面積：

折算成HPB300鋼筋面積：

3　結(jié)語(yǔ)

碳纖維加固技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，隨著原材料的國(guó)產(chǎn)化及工藝的不斷成熟，該技術(shù)必將越來(lái)越多的應(yīng)用于各行各業(yè)。

本次加固處理后，冷卻塔可以滿(mǎn)足當(dāng)前國(guó)家規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，并能滿(mǎn)足安全運(yùn)行30年的耐久性要求，后續(xù)使用期間還應(yīng)定期檢查維護(hù)。

[1]趙彤，謝劍.碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[2]蔣文勇，李碧雄.碳纖維在土木工程加固中的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2007，（12）：69272

Application of Carbon Fiber Cloth Method in Cooling Tower

NI Guo-qing
（Jiangsu Huadian Yangzhou Power Generation Co.，Ltd，Yangzhou 225000，China）

Cooling tower is one of the important production equipment of power plant，with the passage of time，disease and related defects increasing must be appropriate reinforcement and maintenance，in order to ensure the safety in production of the whole plant.In this paper，the calculation and analysis of a cooling tower and the results of the detection and identification of the results of the use of carbon fiber cloth to reinforce，effectively solve the problem of insufficient capacity of cooling tower.

cooling tower；carbon fiber cloth；bearing capacity

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.005

TM621

B

2095-3429（2015）05-0019-05

2015-07-10

2015-09-18