淺談鋼筋混凝土CFRP加固

王璐

哈爾濱鐵道職業技術學院 黑龍江哈爾濱 150000

摘要：碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic），由于具有質量輕、高強度、高模量、高耐溫、耐腐蝕以及抗疲勞性能好等特點而被廣泛運用于工程中，如建筑、橋梁等結構加固、維修、改造中。采用碳纖維對結構加固、維修的方法是現代工程技術常用的方法。

關鍵詞：CFRP；混凝土結構；加固

CFRP混凝土結構加固技術的研究始于美、日等國家，近十多年來得到大量的推廣和應用。日本在該領域的研究與應用處于比較領先的地位并且編制較為成熟的設計規范。美國也推出包括材料，計算與施工技術等相關的設計規范。CFRP加固鋼筋混凝土結構加固技術在歐美與亞洲許多國家和地區得到了充分的發展。我國對CFRP加固混凝土結構的研究應用起步較晚。首先是由國內的一些高校與科研院所帶頭研究，并取得了一定的科研學術成果。

一、碳纖維加固的優點

與采用傳統材料的加固方法比較，CFRP加固技術具有明顯的技術優勢，主要體現在：

1）高強高效。由于CFRP優異的物理力學性能，使用CFRP加固混凝土結構構件可以充分利用CFRP材料抗拉強度高、彈性模量高的特點，可顯著提高被加固結構構件的承載能力和延性，改善混凝土結構構件的受力性能，加固效果好；

2）耐腐蝕性能及耐久性。CFRP的化學性質穩定，不與酸堿鹽等化學物質發生反應，因而用CFRP加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題；

3）不增加構件的自重及體積。CFRP質量輕且厚度薄，經加固修補后的構件，基本上不增加原結構的自重及尺寸，也就不會減少建筑物的使用空間，有比較好的經濟效益；

4）適用面廣。由于CFRP是一種柔性材料，且可以任意地裁剪，所以這種加固技術可以廣泛地應用于各種結構類型、各種結構形狀和結構中的各個部位，且不改變結構形狀及不影響結構外觀。同時，對于其它加固方法無法實施的結構和構件，諸如大型橋梁的橋墩、橋梁和橋板，以及隧道、大型筒體及殼體結構工程等，CFRP加固技術都能很好地解決；

5）便于施工。將CFRP用于加固混凝土結構，在施工現場不需要大型的施工機械，占用施工場地少，且沒有濕作業，因而工效很高。但采用何種碳纖維布和合理的選用粘貼方式成了影響提高混凝土構件承載力的主要因素。普通碳纖維布材料的加固，對構件正常階段受力性能的改善有限，加固材料的高強特性不能充分發揮。而對碳纖維布施加預應力，可以彌補普通碳纖維布工程加固技術中的不足，較好的改善構件的受力性能，大幅度提高碳纖維布的利用率。

二、國內外研究現狀及存在的問題

近二十多年來對CFRP約束混凝土的研究與分析已有較多，大量的研究主要是從CFRP約束混凝土材料的本構關系模型的研究，還有CFRP加固混凝土梁、混凝土柱等構件開展研究并有了不少研究成果。

1、試驗分析研究

國外關于CFRP加固RC框架主要有加拿大多倫多大學Sheikh教授與意大利那不勒斯大學的Balsamo等。Sheikh等人對一足尺兩層平面框架分為兩組，一組未加固框架，作為對照組，另一組為加固框架，作為實驗組，并在此基礎上進行了偽靜力試驗，加固后，框架的水平承載力提高了1.4倍以上，位移延性系數提高了0.7倍以上，最大位移提高了3.7倍以上，耗能能力提高了5.7倍以上，充分證明CFRP加固框架梁后，能夠可有效提高框架結構性能，特別是結構的整體抗震性能。

國內關于CFRP加固RC框架也有一定的研究成果，王新玲等進行了1/3縮尺比例的單層單跨平面RC框架模型的偽靜力試驗及CFRP加固嚴重損傷后框架的偽靜力試驗，對比分析CFRP加固前后RC框架的受力性能及破壞形態，CFRP損傷后的鋼筋混凝土框架的節點，再采用CFRP加固框架后，能夠發揮碳纖維的抗拉強度高的優點，加固后滯回曲線飽滿，CFRP加固技術能夠明顯改善框架的耗能能力，并能夠提高框架的承載力與延性。此外還有吳剛等進行了單層單跨框架縮尺模型CFRP加固前后的偽靜力試驗研究。王國炎對兩個兩層鋼筋混凝土框架展開研究，一個框架未加固，另一個框架采用CFRP加固，通過對框架的偽靜力試驗分析框架的性能。熊耀清等進行了1/4縮尺的兩層單跨鋼筋混凝土框架結構模型在CFRP加固前后的進行模擬地震振動臺試驗。

上述研究均是采用試驗的方法，通過試驗研究CFRP加固RC框架性能，通過該方法能夠為理論分析提供有力基礎，但是存在下列問題：（1）試驗研究分析的框架模型層數較低，不少的研究僅僅為一層框架，試驗分析的層數最多的框架層數僅為三層，無法發現CFRP加固RC框架后帶來的結構薄弱部位轉移的問題；（2）有相當多的框架模型為平面框架，無法揭示各榀框架的相互之間的作用，并且無法反應實際結構中存在樓梯等結構的作用；（3）由于試驗條件的限制，大部分的CFRP加固RC框架的試驗多為縮尺的，因尺寸效應的影響無法反映實際CFRP加固工程中工程真實受力情況。（4）CFRP加固框架的試驗研究中，CFRP加固方式過于的理想化，考慮實際工程中有樓板的作用的研究很少。

2、理論分析研究

國外關于CFRP加固RC框架理論分析主要有如下的研究：（1）采用CANNY有限元軟件分析加固框架結構，主要是通過建立低層和高層框架結構，采用時程分析的方法研究框架的性能，各框架采用不同加固方案，研究加固對于框架抗震性能的影響。（2）利用ANSYS與SAP2000分別對框架的節點與框架進行有限元分析，所研究的框架采用CFRP加固，框架為八層三跨，其主要采用的研究方法為Pushover分析，在建立有限元模型時，需要確定CFRP加固框架節點的抗彎剛度，節點的抗彎剛度是通過單獨建模進行分析確定。

國內關于CFRP加固RC框架理論分析主要有如下的研究：（1）胡孔國等人采用SAP2000對于RC采用CFRP加固框架進行分析，研究對象為六層鋼筋混凝土框架，并用Pushover的靜力分析方法對結構加固前與加固后的性能進行分析。（2）戴紹斌等人是進行的純理論分析研究，其研究對象為一棟九層框架，采用的實體建模分析，混凝土采用實體單元，鋼筋采用各方向的配筋率分布與混凝土中，而CFRP采用殼單元模擬。該研究采用實體建模，有限元分析的收斂性難于控制。

目前，對碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的性能研究較多且已比較成熟。但從基本的力學理論分析和試驗結果來看，由于受彎加固RC梁的承載歷史和現狀、混凝土強度（應變）、鋼筋應力（應變）、加固后使用條件不同的影響等，目前所用的CFRP布加固RC梁方法存在著一些不足。具體表現為：利用CFRP布加固RC梁時，CFRP布的高強度的特點僅在RC梁中受拉鋼筋屈服后才得以充分發揮，而在受拉鋼筋屈服前，CFRP布所起的作用有限，因此它對提高被加固構件的開裂荷載及屈服荷載作用不是十分明顯，對RC梁在正常使用階段的性能改善也有限。而對CFRP布施加預應力后進行鋼筋混凝土梁的加固可以有效的解決上述問題。

作者簡介：

王璐，1985年出生，現為哈爾濱鐵道職業技術學院教師，講師。