碳纖維布加固混凝土結構原理

南京揚子石油化工設計有限公司 210048

摘要：碳纖維增強聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡稱CFRP）是一種新興的高強材料，最早應用于航空航天等高科技領域。近年來在土木工程領域中的研究與應用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結構加固方法，碳纖維加固技術是一種新型高效的加固修復技術，它具有高強、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點。碳纖維加固技術是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達到結構補強及改善受力性能的目的。

關鍵詞：碳纖維粘結材料；加固優(yōu)點；加固分析；

前言：碳纖維加固技術適用于各種混凝土結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可。

一、碳纖維加固混凝土結構原理

碳纖維材料（CFRP）是英文Carbon Fibire Reinforcement Polymer 的首字母縮寫，翻譯為碳纖維增強材料。是近些年來新興的、應用廣泛的一種加固混凝土的材料。碳纖維絲是通過氧化有機聚合物（通常是聚丙稀硝胺纖維或乳化瀝青）后，只留下碳素材料，其碳原子沿原有纖維長度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲是由3000～12000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細僅相當于人的1根頭發(fā)絲。碳纖維CFRP一般是直徑為5μm～20μm的連續(xù)纖維，基材由樹脂和固化劑組成，用樹脂（內(nèi)加固化劑）浸潤碳纖維，待樹脂固化后便形成了碳纖維增強塑料。具有以下特性：強度高，其抗拉強度遠高于；密度小，僅為普通鋼材的1/6；抗腐蝕性能好，強度不受酸堿腐蝕介質(zhì)的影響；非磁性，不影響電磁信號的傳播；抗疲勞性能優(yōu)良，疲勞壽命普遍高于鋼材；溫變系數(shù)和混凝土相當。

二、碳纖維布其加固優(yōu)點

碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固混凝土工程中應用量較多的還是碳纖維布（片材）。使用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點；

1、強度高（強度約為普通鋼材的10倍），效果好；

2、加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性；

3、自重輕，基本不增加結構自重及截面尺寸；

4、柔性好，易裁剪，應用范圍廣；

5、施工簡便（不需大型施工機構及周轉材料）及工期較短。

碳纖維加固混凝土結構是指，用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同工作，提高混凝土結構構件的抗彎和抗剪的承載能力。碳纖維具有優(yōu)良的力學性能，其抗拉強度為普通鋼材的10倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲無法同時進行工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲能先達到抗拉強度后斷裂、退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。在使用粘結劑后，各碳纖維絲就能很好地同時進行工作，大大的提高了碳纖維布的抗拉強度。故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能同時工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲能同時工作，又確保碳纖維布與結構能共同工作，從而達到補強、加固混凝土結構的目的。

需要注意的是，在使用碳纖維進行加固時，粘貼層數(shù)需通過計算來確定，考慮到各層的共同工作系數(shù)，抗疲勞的能力和避免脆性破壞。另外，從受力性能角度而言，單層優(yōu)于多層，窄幅優(yōu)于寬幅，除計算要求外，還應滿足必要的構造要求。

三、碳纖維布在混凝土結構加固分析

碳纖維加固技術適用范圍很廣，可用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構。能對鋼筋混凝土結構的抗彎、抗剪等構件進行加固。

采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應通過配套的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑將碳纖維片材粘貼于構件表面， 使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，共同受力。在梁、板構件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向應與加固部位的受拉方向一致。將碳纖維布粘貼于受彎構件的受拉區(qū)，代替或補充鋼筋的受拉性能，從而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖維布后，在構件受拉區(qū)混凝土開裂前，碳纖維的應變很??；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與，共同工作；在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應變增長，其高強高效的性能得以充分體現(xiàn)。

采用U型箍或環(huán)形箍的形式對梁或柱的抗剪性能進行加固，纖維方向應與構件軸向方向垂直。鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在混凝土構件屈服前，碳纖維的應變發(fā)展比較緩慢，達到的最大應變值也比較??；但在混凝土構件屈服后，碳纖維逐漸代替箍筋的作用，碳纖維的應變發(fā)展增快，其應變值要高于原構件箍筋的應變值，從而增強了原混凝土構件的抗剪性能。

采用環(huán)向圍束粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向應與柱軸向垂直。柱端箍筋加密區(qū)的總折算體積配箍率應按公式計算，并應符合現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》G B 5 0 O 1 O 對柱端箍筋加密區(qū)體積配箍率的要求。采用碳纖維片材纏繞加固混凝土柱可以約束混凝土的變形，從而提高混凝土的抗壓強度，降低軸壓比。鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時，構件是由于受到極限值非常小的橫向擴張引起的，如能在構件四周創(chuàng)造橫向約束，以阻止受壓構件的這種橫向擴張，從而提高構件抗壓承載力和變形能力。碳纖維加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和碳纖維增強帶之間產(chǎn)生約束作用。柱的抗震加固必須采用環(huán)向圍束式粘貼并應有可靠的連接。此時，搭接長度比受彎加固、受剪加固的搭接長度應大一些，才能保證加固效果。

結語

由大量的工程實踐證明，碳纖維加固技術對于混凝土結構構件的補強加固效果十分理想，在基本不增大構件的截面尺寸及自重的前提下，該技術在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均能達到要求。施工簡便、快捷，使用碳纖維加固構件時不需要大型施工機構及周轉材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟性好。碳纖維具有較高的抗酸、堿鹽類介質(zhì)腐蝕的性能，應用面較廣，用其加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性，可以應用于各種工作環(huán)境的構件加固。用碳纖維后，可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，延長混凝土結構構件的使用壽命。碳纖維自重輕、厚度小，易于保持結構原狀，基本不增加結構自重及截面尺寸。碳纖維具有良好的綜合經(jīng)濟效益和社會效益，具有較大的推廣使用價值。由此可見，碳纖維布加固結構技術的優(yōu)點很明顯，其應用前景很光明。

參考文獻

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