碳纖維材料在結構加固技術中的應用

張春林 徐 華

(江蘇吳中地產集團有限公司，江蘇 蘇州 215000)

碳纖維材料在結構加固技術中的應用

張春林 徐 華

(江蘇吳中地產集團有限公司，江蘇 蘇州 215000)

介紹了碳纖維布與碳纖維板的材料特性，并對無預應力和預應力碳纖維加固方式進行了探討，分析了建筑結構的二次受力問題，指出了使用碳纖維進行結構加固補強時需要注意的事項，為今后類似工程提供了參考。

碳纖維材料，結構加固，預應力

0 引言

建筑結構經常會由于建筑功能改變，地震等自然災害對結構造成損害等，需要進行結構加固補強。在常用的加固方法中，碳纖維加固方法由于材料自身突出的力學性能，比重不到鋼的1/4，材料抗拉強度一般都在3 500 MPa以上等，成為了應用較為廣泛的一種加固材料[1，2]。外貼碳纖維材料對于提高所加固構件的抗彎強度、抗剪強度具有很好的加固效果。但碳纖維材料自身同時也具有材料的不足，因此在使用碳纖維材料對結構進行加固時需要進行仔細的分析和研究，選擇合適適宜的加固方法和具體的加固材料。

1 碳纖維布和碳纖維板

在建筑結構加固工程中常用的碳纖維材料主要有兩種，一是碳纖維布；二是碳纖維板材。這兩種材料具有各自不同的材料特性。

1.1 碳纖維布

碳纖維布是一種單向碳纖維加固產品，通常采用12K碳纖維絲織造。具有兩種厚度：0.111 mm和0.167 mm，多種寬度。用于結構構件的抗拉、抗剪和抗震加固時，與配套浸漬膠共同使用成為碳纖維復合材料，構成性能卓越的碳纖維布片材增強體系。具有強度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固構件自重及截面尺寸等優點。

采用碳纖維布進行結構加固補強便于現場裁剪施工和對有轉角的構件進行轉角。但是，由于其自身是纖維織布，需要在加固時增加碳纖維單向織物的樹脂固化階段，導致施工的工序和施工質量保證的難度的增加。

1.2 碳纖維板

碳纖維板是將碳纖維浸漬樹脂后在模具內固化并連續拉擠成型。采用優質碳纖維原料與良好的環氧樹脂加工而成，碳纖維板材具有拉伸強度高、耐腐蝕性、抗震性、抗沖擊性等良好性能。制成的碳纖維單向板材能充分發揮碳纖維的強度和彈性模量，在施工時可免除碳纖維單向織物的樹脂固化階段，強度利用效率高，施工方便，具有更高的施工質量保證。由于，碳纖維板出廠時已經固化，實際工程應用時，對于被加固構件的基面打磨平整度要求很高，否則不利于碳纖維板與加固構件的緊密貼合，影響加固效果[3，4]。

2 碳纖維材料加固的方案

目前采用碳纖維材料進行結構加固時常用兩種方式，一種是無預應力的外貼方式，另一種是采用預應力的方式。

2.1 無預應力碳纖維加固

被加固構件的承載力提高程度不大，并且對于構件的開裂沒有十分嚴格要求是可以考慮采用傳統的無預應力碳纖維加固方法。該方法簡單，不需要特殊的設備，但是對于結構承載力的提高程度不高，同時不能利用充分發揮碳纖維材料的抗拉承載力高的特性。

該方法加固時，首先應清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層，并用修復材料將表面修復平整，并且對混凝土構件表面有裂縫的應按設計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理；然后，按圖紙要求將需粘貼的混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出混凝土結構新面；最后，在清洗后干凈的混凝土結構層涂抹專用的底膠，待底膠指觸干燥后涂抹專用的碳纖維材料粘貼膠，將按設計要求裁剪好的碳纖維材料粘貼于結構的表面。

2.2 預應力碳纖維加固

碳纖維材料的強度約為鋼材的10倍，而其模量基本上與鋼材相等，因此傳統的外貼碳纖維加固技術通常無法發揮碳纖維材料的高強度的性能。特別是對于受彎構件進行加固后，不能充分發揮碳纖維的高強度。因此，將預應力技術應用于碳纖維材料結合上成為了一個自然的選擇。大量的研究表明：施加預應力后，加固構件的開裂彎矩、屈服彎矩增大，減小了構件的變形和截面應變，其極限變形遠小于非預應力構件。對于加固后承載力增幅要求較大或者對加固后結構變形具有嚴格要求時，應考慮采用預應力的加固方法[6，7]。

采用預應力碳纖維加固方法，可以充分利用碳纖維材料的抗拉強度高的特性，增大結構的開裂彎矩，減小結構的變形。但是，該方法需要特殊的張拉設備和碳纖維材料的錨固設備，對設備和人員要求較高，增加了施工的難度。

3 二次受力問題

在實際工程中，通常會涉及對現役結構和在建結構進行加固補強。二者的不同在于，二次受力問題對前者的影響更為明顯，進行計算時需要考慮初始彎矩的影響。

對在建結構進行加固補強時，正常使用荷載還沒有完全作用于結構上，初始彎矩較小，導致結構變形和截面應變較小，忽略二次受力的問題不會帶來嚴重的計算誤差。

對于現役結構，荷載的長期作用，結構的變形和截面應變較為明顯，而碳纖維材料自身具有高強度，低模量的特點。在初次彎矩作用下，結構剩余的變形能力不多，此時，若忽略二次受力的影響，則會導致計算結果遠大于加固后結構的實際承載力。對于這種情況下，需要從兩方面考慮：

1)加固設計時，考慮二次彎矩的影響，計算初始彎矩作用下結構的變形和截面的應變；2)在加固施工時，對結構進行卸載，恢復部分變形能力。

4 結語

碳纖維材料是一種十分優秀的加固材料，廣泛應用于結構加固工程中，在實際應用時需要考慮碳纖維布和碳纖維板材料性能不同，并且對采用不同材料性能時的加固方式的選擇給出了一些建議，同時討論了碳纖維材料加固設計時被加固構件的二次受力問題。文中給出的建議都是在假定碳纖維布與混凝土面之間沒有相對滑移的條件下得出的，因此碳纖維布與混凝土基面之間的剝離需要進行控制。

[1] 吳 剛，安 琳，呂志濤.碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加

固的試驗研究[J].建筑結構，2000(7)：45-47.

[2] 鄧宗才.碳纖維布增強鋼筋混凝土梁抗彎力學性能研究[J].中國公路，2001(2)：45-51.

[3] 尚守平，彭 暉，童 樺.預應力碳纖維布材料加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究[J].建筑結構學報，2003(5)：46.

[4] 丁亞紅，張春生，曾憲桃.內嵌CFRP筋抗彎加固混凝土梁試驗研究[J].鋼璃鋼/復合材料，2009(4)：56.

[5] 楊力彬.碳纖維布(CFRP)在建筑物結構加強中的應用[J].山西建筑，2012，38(15)：40-41.

[6] Meier U.Fiber-Reinforced-P1 astic Reinforcement for Concrete Structures，1993.

[7] Thanasis C.Triantafilllou Shear strengthing of reinforced concrete beams using epoxy-bonded FRP composites，1998.

The application of carbon fiber materials in construction reinforced technology

ZHANG Chun-lin XU Hua

(JiangsuWuzhongRealEstateGroupLimitedCompany,Suzhou215000,China)

This paper introduced the material characteristics of carbon fiber sheet and carbon fiber plate, and discussed the non pre-stressed and pre-stressed carbon fiber reinforcement methods, analyzed the secondary force problems of building structure, pointed out the matters should pay attention to in using carbon fiber to make structure reinforcement, provided reference for future similar project.

carbon fiber material, structure reinforcement, pre-stressed

1009-6825(2014)11-0053-02

2014-01-24

張春林(1979- )，男，工程師； 徐 華(1977- )，男，工程師

TU381

A