外粘碳纤维布法在冷却塔加固中的应用

倪国庆

（江苏华电扬州发电有限公司，江苏扬州225000）

外粘碳纤维布法在冷却塔加固中的应用

倪国庆

（江苏华电扬州发电有限公司，江苏扬州225000）

冷却塔是电厂重要生产设备之一，随着时间的推移，病害和相关缺陷日益增多，必须进行适当的加固与维护，才能确保整个电厂的安全生产。本文通过对某冷却塔的计算分析与检测鉴定结果采用外粘碳纤维布方式进行加固，有效解决了冷却塔承载能力不足的问题。

冷却塔；碳纤维布；承载能力

0　引言

我国冷却塔市场起步晚，但发展稳定增长，市场发展空间十分广阔。改革开放几十年来，我国的工业生产获得了极大的发展，技术水平也不断成熟，冷却塔生产需求不断增加，国产化水平日益提高，然而随着时间的推移，冷却塔的病害和相关缺陷日益增多，为了提高冷却塔质量的安全度，减少事故发生，消除事故隐患，有必要对冷却塔定期进行检测与维护加固，使冷却塔更加安全、有效的运行。

碳纤维增强材料简称碳纤维，按照成品不同又分为碳纤维布、碳纤维板、碳纤维棒等，是近十几年来兴起的一种新型混凝土加固材料，它以其优异的力学性能在工程领域应用日益广泛。碳纤维布有如下优点：

（1）强度高。碳纤维布的抗拉强度一般都在3500MPa以上，远高于钢材；抗拉弹性模量为230000～430000MPa，亦高于钢材。

（2）施工简便快捷。使用粘贴碳纤维布加固构件不需要大型施工机械，无需损伤原结构，且重量轻，厚度薄，易于操作，施工周期短，经济性好。

（3）抗腐蚀性好。加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性，可以应用于各种工作环境的构件加固。也可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，延长结构的使用寿命。同时也易于保持结构原状，基本不增加结构自重及截面尺寸。

1　实例分析

1.1工程背景

江苏华电扬州发电有限公司位于全国历史文化名城江苏省扬州市东北郊，京杭大运河和古运河交汇处，南邻宁通高速，北接宁启铁路。江苏华电扬州发电有限公司生产区内4#和5#冷却塔分别建成于1988年和1990年，其中冷却塔塔体高100m，底部半径38.989m，塔筒喉部高度79.774m，喉部半径20.701m，顶部半径22.989m。壳体最大厚度0.6m，最小厚度0.17m。上部结构为钢筋混凝土薄壁环形筒体结构，下部结构为钢筋混凝土人字柱、环形基础。经过20年的运行及外部自然气候的影响，结构部分已有一定程度的老化和破损。

可靠性已不能满足国家现行规范要求，不能正常使用。

1.2检测与计算

为了利用有效资源，已对4#、5#冷却塔结构进行了全面检测，主要问题如下：

（1）冷却塔筒体存在因钢筋锈胀等原因导致表面混凝土局部破损；（2）环梁底部钢筋锈胀，混凝土剥落，现象较普遍；（3）人字柱箍筋锈胀，混凝土开裂、剥落，现象较普遍；

通过大型通用有限元软件ABAQUS对冷却塔进行计算分析：

图2　冷却塔人字柱缺陷

图3　有限元模型计算简图

表1　材料参数

塔筒极限承载力与正常使用状况下的裂缝宽度验算所采用的控制内力分别见表2、表3，人字柱极限承载力验算所采用的控制内力见表4。采用Morgain结构设计程序进行配筋计算。根据受力情况，采用偏心受拉或偏心受压构件进行配筋计算，计算配筋量与实际配筋量、原设计配筋量的比较分别见表5、表6。由表可知，环向钢筋计算中，除塔筒中部一定范围内，筒壁环向配筋计算量大于实际配筋量外，其它部位环向配筋量均满足承载力计算要求；子午向钢筋计算中，除塔筒中部一定范围内，筒壁外壁的子午向配筋计算量大于实际配筋量外，其它部位子午向配筋量均满足承载力计算要求。人字柱纵向计算配筋量为2351mm2，纵向设计配筋量为7389mm2，满足极限承载力使用要求。

1.3加固方法

1.3.1冷却塔人字柱及环基

经检测，人字柱混凝土抗压强度满足原设计要求，但柱普遍存在箍筋锈胀，混凝土剥落、防腐层大面积脱落等缺陷，此外，经过计算，人字柱配筋满足原设计要求，人字柱轴压比满足规范要求，但柱上下端箍筋加密区的箍筋不满足抗震规范构造要求，需要在人字柱上、下端1/6长度（1.3m）范围内粘贴环向碳纤维布加固，粘贴标准为TB100@250（中距，螺旋粘贴）。对人字柱缺陷部位采用局部修复，裂缝灌浆并对缺陷严重部位粘贴碳纤维布加固TB100@250，人字柱表面全面防碳化处理。

表2　塔筒子午向控制内力

表3　塔筒环向控制内力

表4　人字柱控制内力

主要程序如下：

1）凿除已疏松混凝土，清理至坚实基面，外露钢筋除锈防锈处理；

2）用聚合物水泥复合砂浆修复；

3）对裂缝予以灌浆处理；

4）沿人字柱环向粘贴碳纤维布加固处理；

5）所有人字柱外表面刷混凝土防碳化材料。

1.3.2冷却塔塔筒筒壁及环梁

塔筒筒壁及环梁普遍存在钢筋外露锈胀的现象；筒体内壁防腐层大面积脱落。对钢筋外露锈胀的部位采用局部修复和粘贴碳纤维布，筒外壁防碳化处理，塔壁内表面进行防腐（专用防腐涂料）。

加固方案如下：

按照30a使用期限的要求选取荷载标准，经过结构计算，塔筒中部一定高度范围内（20～60）筒壁环向钢筋不满足设计要求，塔筒中部一定高度范围内（20～74）筒外壁子午向钢筋不满足设计要求；由筒壁裂缝的验算结果可知，子午向裂缝计算中，除筒壁顶部（95～100）外，其它范围内均满足最大裂缝宽度限制0.20mm的要求；环向裂缝计算中，除中间段筒壁（20～60）不满足最大裂缝宽度限制0.20mm的要求外，其它范围均满足。

综合以上结果，需对本段（20～74、95～100）筒壁的外侧筒壁沿子午向进行加筋处理，筒外壁（20～74）沿环向进行加筋处理。

塔筒筒壁粘贴单向碳纤维布，主要程序如下：

1）凿除已疏松混凝土，清理至坚实基面，外露钢筋除锈防锈处理；

2）用聚合物水泥复合砂浆修复；

3）对裂缝予以灌浆处理；

4）充分利用碳纤维布抗拉性能好的特点，采用不对称配筋，在筒壁外侧不满足要求的部位（10～85m段）粘贴碳纤维布，子午向碳纤维布贴内侧，环向碳纤维布贴外侧，筒壁内侧只粘贴环向碳纤维布；

表5　塔筒环向配筋计算

表6　塔筒子午向配筋计算

图1　人字柱加固大样图

5）筒壁内表面涂刷冷却塔专用防护材料；筒壁外表面涂刷混凝土防碳化涂料，外筒做防碳化涂料前，应先做好样板，待厂方同意后再进行施工。各高程需要粘贴的环向及子午向碳纤维布布置。为避免子午向搭接部位集中，在不同断面上对碳纤维布进行搭接，且在搭接范围区内，上下段碳纤维布各延伸200mm以上，并在此部位子午向碳纤维布端部，环向粘贴2道碳纤维布，碳纤维布宽度为80mm。在子午向碳纤维布加固范围内，粘贴环向碳纤维布，布宽80mm，环向碳纤维布间距不得超过1000mm，且在原施工模板接缝处布设一道。所有环向碳纤维布的搭接均要错开，同一截面内搭接率不应超过50%，对15m及80m端部处，环向碳纤维布局部加密，增加2道环向碳纤维布（80@200）。塔筒环梁底部多处钢筋锈胀，混凝土剥落，现象较普遍，对环梁底部破损部位进行缺陷修复后，沿环梁长度方向粘贴碳纤维布2块，每块宽度200mm，垂直梁长方向粘贴TB150@500。

2　冷却塔加固计算

筒壁、人支柱配筋不满足要求的采用外粘碳纤维布的方式加固；加固量根据钢筋差值等强换算成碳纤维布确定；

图2　塔筒剖面

例如：原设计配筋量500mm2，计算需要800mm2，需要补强300mm2钢筋面积，钢筋为HRB335级；换算成I级碳纤维布需要一层100宽碳纤维布，面积约等于100mm2满足要求。

换算按以下原则进行：

2.1碳纤维布特征

1）抗拉强度标准值：fcfk≥3400MPa

2）弹性模量：Ecf≥2.3×105

3）伸长率：εcu≥1.7%

4）单层厚度：tcf=0.167mm

2.2碳纤维布的允许拉应变

碳纤维布的允许拉应变|εcf|取以下三者中的较小值：（根据CECS146：2003《碳纤维材料加固修复混凝土结构技术规程》4.3.2条规定：

1）钢筋的最大拉应变：0.01（根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中6.2.1条）

2）|εcfu|×2/3，其中

300g/m2布，一层

300g/m2布，一层：εcf=kmεcfu=0.9×0.014=0.0126

由此可见：碳纤维布的允许拉应变εcf=2εcfu/3=2× 0.014/3=0.0093

2.3钢筋特性

1）极限拉应变取值：εcu2）屈服应力和应变：

3）从屈服到极限应变的增量：

HRB400级：Δεs0=0.0093-0.0018=0.0075

HRB335级：Δεs0=0.0093-0.0015=0.0078

HPB235级：Δεs0=0.0093-0.0010=0.0083

HPB300级：Δεs0=0.0093-0.0013=0.008

4）碳纤维布折算成钢筋面积

钢筋取用屈服强度：Ecf×Δεs×bcf×tcf=fy×As

100宽碳纤维布折算成钢筋面积：

折算成HRB400钢筋面积：

折算成HRB335钢筋面积：

折算成HPB235钢筋面积：

折算成HPB300钢筋面积：

3　结语

碳纤维加固技术在我国得到了快速发展，随着原材料的国产化及工艺的不断成熟，该技术必将越来越多的应用于各行各业。

本次加固处理后，冷却塔可以满足当前国家规范及标准要求，并能满足安全运行30年的耐久性要求，后续使用期间还应定期检查维护。

[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]蒋文勇，李碧雄.碳纤维在土木工程加固中的应用研究[J].四川建筑科学研究，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