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碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術

1. 引 言 
很多建筑物由于受到建造年代、結(jié)構(gòu)使用功能改變、技術條件或自然災害等因素的影響，出現(xiàn)承載力不足、變形能力變差、抗震能力降低或抗疲勞能力下降等現(xiàn)象，不能滿足現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范》的要求，因此，需要對其進行加固、補強。我國在結(jié)構(gòu)加固和補強方面做了大量的研究和實踐，工程中常用的結(jié)構(gòu)加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復合材料加固法等。傳統(tǒng)的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復雜，對結(jié)構(gòu)的自重和使用面積有一定的影響，而粘貼碳纖維復合材料加固法具有高強高效、耐腐蝕、施工便捷、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應用。 
2. 碳纖維復合材料的優(yōu)良性能 
碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)技術是一種新型、高效的結(jié)構(gòu)加固技術。工程中采用的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術是利用樹脂膠結(jié)材料，將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，以達到結(jié)構(gòu)加固補強及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。 
與傳統(tǒng)的加固方法相比，碳纖維加固技術具有以下的優(yōu)良性能。 
（1）高強度高彈性模量。碳纖維的強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10 倍，彈性模量和鋼材相近。因此，在加固修補混凝土結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達到加固修補的目的。 
（2）抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸、堿、鹽等化學物質(zhì)發(fā)生反應，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性和耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題；同時也免去了粘鋼加固所需的定期防銹維護，節(jié)省維護費用。 
（3）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零，這一特性是目前其他任何材料無可比擬的，垂直于纖維方向的熱膨脹系數(shù)雖然比較大，但各向同性制品與其它材料相比又最小。 
（4）施工簡便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設備，施工占用場地少，無濕作業(yè)，碳纖維布柔性好，可以根據(jù)設計尺寸用剪刀或刀片將其任意裁剪，操作簡單，施工速度快。據(jù)有關資料統(tǒng)計，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼板加固工效的4～8 倍。
（5）施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整，經(jīng)過修補后，有效粘貼率可達到95%以上。 
（6）對結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經(jīng)加固修補后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸，不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。 
（7）適用范圍廣?？捎糜诓煌Y(jié)構(gòu)類型（如建筑物、構(gòu)筑物、橋梁、隧道、涵洞等）、不同結(jié)構(gòu)形狀（如矩形、圓形、曲面結(jié)構(gòu)等）、不同材料的構(gòu)件（如混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等）加固，也可用于構(gòu)件的不同部位（如梁、板、柱、節(jié)點、拱、殼、墩等）及不同薄弱因素的加固。尤其重要的是，對于一些大型土木工程結(jié)構(gòu)，如大型橋梁的橋墩、梁及橋面板，隧道等，采用舊的加固手段幾乎不能實施，而采用該項加固技術卻能順利的解決。 
除此之外，碳纖維材料還有其他的一些優(yōu)勢，如透電磁波、絕緣、隔熱等，這就使得碳纖維加固技術在混凝土結(jié)構(gòu)加固方面產(chǎn)生良好的綜合效益。 
3. 碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究 
在實際工程中，用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術在混凝土結(jié)構(gòu)中的應用已較成熟，主要集中在以下幾個方面。 
（1）提高受剪承載力 
碳纖維布對構(gòu)件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用，與混凝土共同承受剪力。另外，碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用，并能承擔拉應力，防止主筋過早屈服，抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力，增強構(gòu)件的變形能力。影響受剪加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數(shù)、粘結(jié)劑質(zhì)量、粘貼質(zhì)量、剪跨比、加固前構(gòu)件的受荷情況、錨固方式等。 
（2）提高受彎承載力
由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層，使之與混凝土共同承擔拉應力，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開展，構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善。影響受彎加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數(shù)、粘結(jié)劑質(zhì)量、粘貼質(zhì)量、加固前構(gòu)件的受荷情況、縱筋配筋率、構(gòu)件截面尺寸等。 
（3）提高抗震能力 
由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開裂，提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力，當需要提高構(gòu)件的抗震能力時，亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進行構(gòu)件的抗震設計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點范圍，或?qū)︿摻罨炷林M行包裹，可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。此時，應考慮軸壓比、碳纖維布用量、配箍率、長細比等因素對碳纖維布加固構(gòu)件的變形能力和抗震性能的影響。 
（4）提高抗疲勞能力 
對于承受動力荷載或重復荷載的構(gòu)件，設計時要求具有足夠的抗疲勞性能，抗疲勞能力的大小與其截面尺寸、配筋率、縱筋類型和荷載級別等有關。用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁的加固，經(jīng)200 萬次重復荷載作用后，加固構(gòu)件的強度和剛度不會降低，也不會發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象。如果采用預應力碳纖維布加固的形式，預應力碳纖維布的存在，使構(gòu)件中縱筋的應力幅值有所降低，減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大提高，從而延長構(gòu)件的使用壽命。 
4. 結(jié) 論 
碳纖維復合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結(jié)構(gòu)的影響較小，施工方便，具有其他加固手段所不具備的優(yōu)點。用碳纖維復合材料進行混凝土結(jié)構(gòu)的加固，可以有效的提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，改善結(jié)構(gòu)的變形性能，增強結(jié)構(gòu)的抗震能力，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，綜合加固效果顯著。但是，碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術仍存在一些不足之處。 
（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當構(gòu)件發(fā)生較大變形時，才能充分發(fā)揮其高強高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對變形有比較嚴格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復合材料能力的發(fā)揮。 
（2）碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后，容易發(fā)生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài)，對結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。 
（3）目前對碳纖維復合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應用時應有專門研究。 
（4）對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應用成果，但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。 
（5）進行碳纖維復合材料加固時，采用建筑結(jié)構(gòu)膠作為碳纖維復合材料和混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑對溫度比較敏感，使加固構(gòu)件的受力性能受溫度的影響較大，應進一步加強該方面的研究工作。 
總之，碳纖維材料加固技術具有與其它傳統(tǒng)加固方法無法比擬的優(yōu)越性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入，該項技術在混凝土結(jié)構(gòu)加固領域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景。