我國碳纖維加固技術的研究現狀

■王 偉，徐廣舒，葉 俊 ■南通職業大學建筑工程學院，江蘇 南通 226001

2008年汶川大地震后，各地中小學校都在按照新的抗震規范對校舍進行排查、鑒定、加固改造。碳纖維加固與傳統的加大混凝土截面、粘鋼混凝土補強等相比，具有適用面廣，節省空間，幾乎不增加結構的重量，施工簡便、無噪音、質量易保證，降低加固成本，提高建筑物使用壽命，耐腐蝕、耐久性能好等特點。因此，碳纖維加固技術不僅在房屋建筑的抗震加固修復工程中廣泛應用，在各類建筑結構的加固修復中也備受青睞和關注。

1 我國碳纖維加固技術的發展

早在20世紀80年代，碳纖維加固技術已在日本、歐美等國家得到重視，并成立科研機構展開研究，形成了一系列的研究成果和相應的技術規范。我國碳纖維加固技術的研究開始于1996年左右，在1998年運用于工程實踐。起初只有國家建筑診斷與改造技術研究中心進行研究，現在中國建筑科學研究院、上海等各地的建筑科學研究院，以及清華大學、同濟大學、東南大學、天津大學等各大高校也都在進行這方面的研究。目前，大量的研究主要集中于碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結構，以及在橋梁加固改造中的應用。

2 我國有關碳纖維加固的技術規范

《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS146:2003)，2003年5月1日起施行，是我國第一部有關碳纖維加固技術的規范。

《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2006)，2006年11月1日起實施。

《結構加固修復用碳纖維片材》(GB/T21490-2008)，2008年10月1日起執行。

《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2013)，2013年11月1日發布，2014年6月1日起實施。

《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》(GB50728-2011)，2011年12月5日發布，2012年5月1日起實施。

3 碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結構的研究

同濟大學陸洲導等人［1］［2］對碳纖維加固混凝土梁板柱節點的抗震性能進行了比較系統的研究，為實際工程中存在正交梁的梁板柱節點的加固提供了理論依據。

吉林大學李春良［3］利用非線性有限元方法對碳纖維布加固混凝土結構進行分析，結果表明了該方法不僅能夠求出結構內力和變形發展的全過程，而且能夠描述裂縫的形成和擴展，以及結構的破壞過程，從而揭示出結構的薄弱部位和環節，以利于優化結構設計。

西南交通大學張世賢［4］對碳纖維的性能特點以及在工程搶修加固中的應用進行了研究，提出了適用于碳纖維搶修加固的簡化計算方法——近似估算法。同時還對碳纖維加固的社會經濟意義、適用性、耐久性等問題進行了研究。

重慶大學袁劍平［5］通過有限元的方法，對碳纖維端部的粘結剪應力的分布情況和粘結剪應力在端部附近較大的產生原因進行了深入的研究;對U形碳纖維箍與混凝土梁之間的粘結剪應力的分布情況進行一定的分析;并通過無量綱的計算方法，討論碳纖維用于受彎構件正截面加固時的充分發揮其有效性的條件和方法，得出一些在工程應用中簡單易行的防止和緩解碳纖維剝離破壞的方法，以及影響碳纖維加固利用率和有效性的因素。

同濟大學陳永秀［6］通過2組CFRP加固連續梁的試驗研究了CFRP加固鋼筋混凝土連續梁的彎矩重分布能力和預應力CFRP加固混凝土梁的施工工藝和受力特性，提出無粘結預應力CFRP施工工藝，并對該工藝進行理論分析，得出無粘結預應力CFRP加固鋼筋混凝土梁正截面承載力的計算方法。

大連理工大學陳鳳山［7］研制了適用于潮濕混凝土表面粘貼CFRP加固的濕固化粘結劑，通過一系列的試驗研究證明該材料的本體強度、工藝性能、正拉粘結性能均能滿足我國加固規程的要求，并驗證了其廣泛實用性，為海工混凝土結構可能面臨的在潮濕表面粘貼CFRP加固的技術問題提供了參考。

合肥工業大學楊君［8］，北京建筑工程學院劉海亮［9］對火災下碳纖維加固混凝土構件的溫度場進行分析，比較碳纖維加固混凝土構件在有無防火保護層以及不同厚度的防火層對界面溫度場的影響，得出能保護碳纖維安全工作的合理保護層厚度。

東南大學肖德后，徐明等人［10］對碳纖維加固混凝土結構耐火問題的研究現狀進行了整理分析，并提出了今后這一領域的研究趨勢，為進一步研究工作的展開提供參考。

祖德峰［11］對粘貼一層縱向和兩層橫向碳纖維的試驗模型(四個單層無梁混凝土框架結構)的整個過程作了數值計算。通過對有限元模型的建立，計算了試驗模型的自振頻率，并采用時程反應分析模擬了試驗模型的振動過程，其數值模擬結果與試驗研究結果在相對位移時程曲線上基本相同。

吉林大學姚允武［12］研究了環境溫度變化后，粘結區域內碳纖維表面的應變變化規律。通過高低溫凍融循環試驗研究了凍融溫度疲勞荷載對膠層粘結性能的影響，揭示出多次凍融循環后的膠層粘結性能的變化情況，對界面粘結膠層進行溫度可靠性研究，為寒冷地區的加固工程提供了依據。

哈爾濱工程大學龐立民［13］研究了樓板開洞后洞口邊梁的受力性能，碳纖維加固邊梁的計算方法，碳纖維加固混凝土的各種影響因素，并結合碳纖維對梁抗彎抗剪的加固實踐，研究了扭矩對梁的受力性能的影響及相應的加固方法。

4 碳纖維加固砌體結構的研究

高林，張鵬飛［14］對碳纖維加固砌體結構施工質量控制進行了研究。

周新剛，韋昌芹，葉列平［15］在分析碳纖維加固的磚砌體在水平周期反復荷載作用下試驗結果的基礎上，研究了碳纖維加固磚砌體的約束及抗倒塌機理，提出了改進的粘貼加固方法以提高加固效果。

張維［16］對CFRP加固實心砌體墻抗震性能進行試驗研究，并在此基礎上進行有限元分析。采用砌體均質化和設有接觸單元的有限元模型對比分析了試件的力學性能，探討了空間膜單元、混凝土單元、面—面柔性接觸單元、尤其是多層殼單元、彈簧單元等在碳纖維布砌體結構加固中的應用。

重慶大學姚遠［17］開展了4片嚴重破壞墻體的碳纖維布加固試驗，研究表明采用粘貼碳纖維布加固后墻體的抗剪承載力、變形性能都較原墻墻體有明顯提高，雖然不能提高加固后的墻片的開裂強度，但能很好地約束裂縫的發展。

栗鵬［18］從國內現存的古老建筑和既有砌體建筑加固修復的研究出發，對碳纖維布加固砌體墻的抗震性能進行了一些探索性的研究，為碳纖維加固技術在砌體結構加固領域的應用及制訂相關規范提供了部分參考依據。

5 碳纖維加固鋼結構的研究

岳清瑞等［19］編寫了第一部應用碳纖維增強材料修復缺陷鋼結構(CFSS)新技術方面的著作。

江克斌，許特，趙啟林［20］將預應力技術應用于碳纖維加固鋼結構，給出了應用該技術加固鋼結構極限承載力的計算公式，并通過有限元方法進行了驗證，結果表明該技術可以進一步提高鋼結構的承載力。

鄭云，葉列平，岳清瑞，惠云玲［21］通過6根含10mm長中央疲勞裂紋鋼板用碳纖維板加固前后的受拉疲勞性能試驗研究，表明與未加固鋼板相比，采用碳纖維板加固后鋼板的剩余疲勞壽命得到顯著提高。

李良春，蔣鑫［22］利用ANSYS軟件對碳纖維加固的鋼板試件進行了拉伸模擬計算，建立了碳纖維加固鋼板拉伸試件的有限元數值模型。結果表明，利用有限元的數值模擬能準確地預測出實際的碳纖維加固鋼結構中可能發生的破壞現象，以及破壞發生的位置，由此可以采取一些保護措施來防止結構發生的早期破壞。

完海鷹，葛春林［23］，王偉佳［24］，合肥工業大學曹靖［25］通過 ANSYS有限元的方法對碳纖維加固鋼結構進行了驗證，提出了“三維實體—桁架—殼元”有限元模型，分別對粘貼不同種類碳纖維加固工字鋼梁的受力性能進行了分析。結果表明該建模方法是切實可行的、所得到的結果是可靠的。

長安大學蔣紅章［26］研究了在初始幾何缺陷存在的條件下壓彎構件的極限承載力變化規律，并分析了在粘貼碳纖維增強材料對壓彎構件極限承載力的影響及增強機理。

鄭云，陳煊等人［27］采用斷裂力學方法對CFRP加固鋼結構的剩余疲勞壽命進行了研究，給出了CFRP加固鋼結構的疲勞驗算的建議方法。

上海交通大學姜震宇［28］基于ABAQUS軟件，利用擴展有限元法對碳纖維布加固H型鋼梁建立的模型進行精度驗證，提出了“CFRP布——膠層——鋼梁”有限元模型。

6 碳纖維加固木結構的研究

謝啟芳［29］，趙鴻鐵，薛建陽等人［30］通過8根矩形木梁的靜力試驗，以及3個碳纖維布加固榫卯節點的構架模型在水平低周反復荷載作用下的試驗，得出碳纖維布加固后木結構強度增加。

楊俊杰，沈旸，馮敏通過對從歷史建筑修繕過程中置換下來的木梁進行試驗研究，發現經CFRP加固過的木梁具有足夠的抗彎承載能力，即使是局部受到過白蚊侵蝕的木梁，其抗彎承載力也不亞于新木梁。

潘閃通過對北京前門地區青云胡同22號院顏料會館的實例分析，說明碳纖維加固技術是木結構建筑加固修復的有效途徑，可進一步推廣應用。

黃龍田，李載寧，郭志強采用粘貼碳纖維片材加固在建的景觀亭，不僅恢復和提高了整體的承載力，且覺察不到加固的痕跡。表明碳纖維加固木結構的方法是成功的，如用于古建筑的木結構維修加固應有廣闊前景。

徐明剛，邱洪興，淳慶在榫卯節點試驗及受力機理研究基礎上，提出碳纖維加固榫卯節點抗彎承載力計算方法。

7 結語

本文對碳纖維加固技術的研究現狀進行了整理，碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結構的研究比較成熟，而碳纖維加固砌體結構、鋼結構、木結構的研究還處于初始階段。碳纖維加固技術應用前景廣闊，研究碳纖維加固技術對工程實踐有重要的意義，本文以期能為相關研究人員了解這一領域的研究成果和開展研究提供參考。

［1］陸洲導，謝莉萍，洪濤.碳纖維加固低配箍混凝土梁板柱節點的抗震試驗［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2003，(3).

［2］陸洲導，宋彥濤，王李果.碳纖維加固混凝土框架節點的抗震試驗研究［J］.結構工程師，2004，(5).

［3］李春良.碳纖維加固混凝土梁的非線性有限元數值模擬分析與試驗研究［D］.［碩士學位論文］.吉林大學，2005.

［4］張世賢.工程搶修中采用碳纖維加固的應用研究［D］:［碩士學位論文］.西南交通大學，2006.

［5］袁劍平.碳纖維加固鋼筋混凝土受彎構件的兩個基本問題研究［D］:［碩士學位論文］.重慶大學，2006.

［6］陳永秀.碳纖維加固混凝土梁試驗與理論研究［D］:［博士學位論文］.同濟大學，2007.

［7］陳鳳山.海洋環境下鋼筋混凝土結構CFRP加固研究［D］:［博士學位論文］.大連理工大學，2007.

［8］楊君.碳纖維加固鋼筋混凝土結構的抗火性能分析［D］:［碩士學位論文］.合肥工業大學，2007.

［9］劉海亮.高溫下碳纖維加固鋼筋混凝土結構的非線性有限元模擬［D］:［碩士學位論文］.北京建筑工程學院，2005.

［10］肖德后，徐明，陸忠范.碳纖維加固混凝土結構耐火問題的研究現狀［J］.工業建筑.2008(10).

［11］祖德峰.碳纖維加固混凝土柱試驗研究及數值模擬［D］:［碩士學位論文］.中國地震局工程力學研究所，2009.

［12］姚允武.碳纖維加固鋼筋混凝土連續梁解耦故的理論與試驗研究［D］:［博士學位論文］.吉林大學，2009.

［13］龐立民.洞口邊梁的彎剪扭復合受力分析及碳纖維加固研究［D］:［碩士學位論文］.哈爾濱工程大學，2012.

［14］高林，張鵬飛.碳纖維加固砌體結構施工質量控制［C］.2005年全國砌體結構基本理論與工程應用學術會議論文集，2005.

［15］周新剛，韋昌芹，葉列平.CFRP加固砌體結構的力學性能分析［J］.工程力學，2008，(6).

［16］張維.碳纖維加固砌體試驗研究及有限元分析［J］.武漢理工大學學報，2008，(10).

［17］姚遠.碳纖維加固嚴重破壞砌體墻的試驗研究［D］:［碩士學位論文］.重慶大學，2010.

［18］栗鵬.碳纖維加固磚砌體有限元分析［D］.［碩士學位論文］.太原理工大學，2013.

［19］岳清瑞，張寧，彭福寧，鄭云.碳纖維增強復合材料(CFRP)加固修復鋼結構性能研究與工程應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［20］江克斌，許特，趙啟林.采用預應力碳纖維技術提高鋼結構承載力的分析［J］.解放軍理工大學學報(自然科學版)，2003，(4).

［21］鄭云，葉列平，岳清瑞，惠云玲.CFRP加固疲勞損傷受拉鋼板的疲勞性能試驗研究［C］.FRP與結構補強——05全國FRP與結構加固學術會議論文精選，2005.

［22］李良春，蔣鑫.碳纖維加固鋼板構件受拉過程的數值模擬研究［J］.吉林建筑工程學院學報，2009，(6).

［23］完海鷹，葛春林.碳纖維加固鋼梁的有限元模擬［C］.第九屆全國現代結構工程學術研討會論文集，2009.

［24］王偉佳.CFRP加固工字鋼梁非線性有限元數值模擬分析［D］:［碩士學位論文］.合肥工業大學，2009.

［25］曹靖.碳纖維增強復合材料加固鋼結構理論分析和試驗研究［D］:［博士學位論文］.合肥工業大學，2011.

［26］蔣紅章.碳纖維增強材料(CFRP)加固壓彎構件彈塑性失穩分析［D］:［碩士學位論文］.長安大學，2012.

［27］鄭云，陳煊，李忠煜，惠云玲.碳纖維加固鋼結構的疲勞壽命分析［J］.鋼結構，2013，(2).

［28］姜震宇.CFRP加固H型鋼梁的精細有限元分析［D］:［碩士學位論文］.上海交通大學，2013.

［29］謝啟芳.中國木結構古建筑加固的實驗研究及理論分析［D］:［博士學位論文］.西安建筑科技大學，2007.

［30］謝啟芳，趙鴻鐵，薛建陽等.中國古建筑木結構榫卯節點加固的試驗研究［J］.土木工程學報，2008，(1)