碳纖維加固技術在鋼結構梁加固中的應用綜述

高全發

摘 要：本文采用對損傷鋼結構梁進行修復，這種加固方法可以有效地恢復結構承載力。粘貼碳纖維增強復合材料技術具有明顯的優越性，優于傳統的鋼結構修復方法，碳纖維加固適用面廣，節省空間，而且基本不增加。加固修復鋼結構是一種先進的鋼結構修復方法。提出了傳統的鋼結構修復方法以及存在的問題，總結了國內外對纖維增強復合材料粘結修復鋼結構的研究狀況，并對碳纖維加固修復鋼結構技術可以有效提高鋼結構梁承載力，以及鋼結構梁的抗疲勞強度作用進行了介紹。

關鍵詞：剛結構;質量輕;可塑性好

引言

鋼結構是一種質量輕，可塑性好，可循環利用的建筑材料，在建筑工程中應用很廣泛，而鋼結構工程中，也面臨很多問題，例如：設計方面不合理，施工方面不合理，有時鋼結構建筑也會遇到自然災害，這些因素對鋼結構工程很不利。所以需要對鋼結構進行加固設計。采用碳纖維加固設計有諸多優點：碳纖維的抗拉強度很高，而且具有超高的抗疲勞能力，可以與鋼結構構件協同工作，能夠有效提高鋼結構梁的抗拉強度，承載力穩定性，以及抗疲勞能力。

1 加固技術在鋼結構加固方面的優勢

（1）碳纖維片材的比強度和比剛度都很高，采用較小尺寸的碳纖維片材就可以達到以往大尺寸金屬板材的加固效果，而且新增加的碳纖維片材的自重很輕，對原結構不產生絲毫影響。（2）通過對鋼結構缺陷的嚴重程度以及受力情況特點分析，采用合理的加固方法，這樣不同的結構部位可以具有多種方法，利于統一設計。（3）對特別復雜形式的結構采用法加固是非常適用的。（4）在抵抗反復作用力產生疲勞損傷與腐蝕性物質的侵蝕方面，具有很大優勢。（5）加固方法是一種無損加固方法。這種方法不需要破壞原有結構的完整性，基本上不削弱基體的承載能力，也不產生新的應力集中源和切斷纖維體的原材料。它大大避免了損壞和開裂的可能性。

2 粘結修復技術在國內外的研究概況

目前來說，碳纖維加固技術應用已經相當廣泛，我們知道，碳纖維加固混凝土以及碳纖維擊鼓鋼筋混凝土已經很常見，可見碳纖維加固技術在加固混凝土結構方面已經比較成熟，而碳纖維加固鋼結構還處于初始階段，碳纖維加固技術還有很大的發展空間，我們主要介紹國內外碳纖維加固技術在加固鋼結構方面的發展。鑒定及加固技術在國外發達國家應用較早，且具有一定的理論研究成果。

2.1 國外研究現狀

碳纖維加固技術在國外一些發達國家開始較早，最早始于20世紀80年代的日本等一些發達國家，是一種新型的結構加固技術，該技術是將碳纖維應用于土木結構，用樹脂類材料把碳纖維粘貼于結構或構件表面，與構件協同工作，從而大大改善結構構件的受力性能。

國外一些學者對碳纖維加固技術做出了諸多重大成果，Chajes et al采用四點彎曲實驗法對一些鋼筋混凝土梁完成了對用環氧粘結的玻璃纖維版來修不鋼筋混凝土梁的實驗。預測復合材料加固鋼筋混凝土梁的應力應變，可以通過建立分析模型的方式來實現，Nanni et al引進了對用片加固的鋼筋混凝土桿的設計程序An et al基于變形的協調性和力的平衡對矩形和T型梁建立了一個分析模型。

2.2 國內研究現狀

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。我國一些學者和研究人員在研究碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結構方面取得重大成果。

西南交通大學張世賢研究了碳纖維的性能特點，通過研究提出了采用碳纖維加固的簡化計算方法——近似估算法。同時也研究了碳纖維加固的社會經濟意義、適用性、耐久性等問題。在編寫著作方面的研究，岳清瑞通過對應用碳纖維增強材料修復缺陷鋼結構（CFSS）新技術的研究，編寫了第一部此方面的著作。長安大學蔣紅章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。

3 碳纖維加固鋼結構梁可以有效提高鋼梁的受彎性能

（1） 山東建筑大學趙考重教授等利用碳纖維片材和粘鋼對鋼結構受彎構件進行混合加固處理，有效地改善鋼梁的受力性能提高了梁的承載力和剛度。碳纖維加固混凝土構件已經得到廣泛的應用，趙教授通過驗證了碳纖維加固鋼結構受彎構件可行性。碳纖維有環氧樹脂結合在一起后具有很高的抗拉強度，彈性模量與鋼材相仿，適合和鋼材結合在一起共同工作。本實驗采用了在H型鋼的受壓區粘貼鋼板條，在受拉區粘貼碳纖維片材， 對鋼結構受彎構件進行加固的一種混合加固方法。加載方式采用分級加載，鋼梁經歷了彈性階段，塑性階段，破環階段，并得出了何在-位移曲線。通過對實驗結果的分析，可以得到，在強度方面，在H鋼梁粘貼三層碳纖維片后，其承載力提高了25%。加固后，H型鋼的承載力有所提高， 但纖維的強度不足。剛度方面：碳纖維強度高，彈性好，提高了鋼梁的剛度，而且結構受壓區增加了鋼板條，結構的截面積增加。加固后雖然可以提高構件的承載力，但是提高的幅度是有限值的，主要取決于鋼板條與型鋼梁之間的粘結力以及鋼板條的面積。

（2） CFRP（碳纖維增強復合材料）的特點彈性模量高，抗拉強度高， 耐腐蝕。Deng等通過采用CFRP對鋼梁進行加固研究。通過控制CFRP的厚度和長度，加載方式采用跨中集中力和三分點集中力的加載方法。最終得出結論：同樣厚度的CFRP，其長度改變對加固鋼梁的剛度影響不大，但能提高鋼梁的承載能力;CFRP長度過小，很容易發生鋼材與膠層之間的界面剝離破壞;同樣長度的CFRP，其厚度增加不一定能提高加固梁的承載能力， 因為CFRP厚度越大，其端部界面應力越大，會提前發生剝離破壞。

4 結語

碳纖維加固鋼結構梁的方法是直接粘貼在受拉鋼結構的底部，可使碳纖維和鋼結構梁受拉部分共同受力，協同工作，有效提高了鋼結構梁的承載力。對于形狀不規則的鋼梁，可將碳纖維網加工成各種形狀，對于工字形鋼梁，矩形鋼梁，鋼混梁等不規則鋼梁都非常實用。對于受損的鋼梁，采用碳纖維進行加固可有效恢復鋼結構梁的剛度和承載力的損失，也可以有效保護鋼結構梁免遭腐蝕。在將碳纖維粘貼到鋼結構上的過程中，將碳纖維粘貼到鋼結構受損部分的表面，通過膠帶層將荷載傳遞到碳纖維結構上，以減少鋼結構的損傷，防止裂紋繼續擴展，從而延長鋼結構的使用壽命。

參考文獻：

[1] 王奔，郭小農，蔣首超，等.FRP加固金屬結構研究綜述[J].結構工程師，2012， 28（5）：183-190.

[2] 陳紹蕃.鋼結構設計原理.北京：科學出版社，2000.

[3] 陸勝，牛忠榮，胡宗軍.CFRP加固焊接鋼結構力學性能研究[J].焊接技術研究，2008，23（105）：33-37.

[4] 陶文登.鋼梁腹板及豎向閉口加勁鋼板剪力墻的彈性穩定性[D].杭州：浙江大學，2013.

[5] 任濤，童根樹.輪壓荷載作用下吊車梁承壓應力分析[J].浙江大學學報：工版，2006，39（10）：1582-1588.

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