纖維復合材料在建筑工程結構加固中的應用

范冰倩

（河南大學， 河南 鄭州 475001）

0 引言

自上個世紀60年代起，纖維復合材料就被納入到了建筑結構加固研究體系中。時至今日，纖維復合材料已經在我國的建筑結構加固領域中得到了十分廣泛的應用。建筑結構加固本身是一項非常重要的工作，所以必須要采取科學有效的加固措施，而纖維復合材料的應用效果久經考驗，獲得了業內的普遍認可與信賴。本文將實際對纖維復合材料加固建筑結構技術進行淺析。

1 纖維復合材料的概念及應用優勢

1.1 概念

纖維復合材料又被稱之為碳纖維復合材料、碳纖維增強復合材料或碳纖維加強塑料等。碳纖維是一種由碳元素為主要成份構成的物質，并且它具有很多種類，具體的種類區別主要在于含碳量的不同，但大多數碳纖維的含碳量都＞90%。由于碳元素是主要構成元素，因此碳纖維具備普通碳元素材料的很多基本性能，例如較強的抗腐蝕性能與耐高溫性能、良好的導熱性能與導電性能等。此外，碳纖維擁有特殊的優點，例如柔軟度好、外形特異性明顯、軸方向強度高、容重比較小等。總的來說，碳纖維是一類力學性能較好的新型優質材料。而纖維復合材料本身為一種新型的復合材料，其在建筑結構加固中擁有十分重要的應用價值。

1.2 應用優勢

與其他材料相比，纖維復合材料優越性較強。具體來說，首先，與普通的鋼材相比，纖維復合材料抗拉強度標準值高出10倍以上，其次，與其他材料對比，纖維復合材料自振頻率較高，可更好地預防共振，抗震性能較強；再者，與其他材料對比，纖維復合材料耐久性、抗鹽侵蝕性、抗酸侵蝕性及抗堿侵蝕性等較優；最后，與其他材料對比，纖維復合材料柔軟性、著色性更高，因為其中的樹脂料是一種具備流動性的物質，方便改變成不同形狀，在著色方面也具有很大的選擇空間。基于以上這些優勢，纖維復合材料在現代建筑領域內，獲得了廣泛應用，發展前景良好。

2 纖維復合材料在建筑結構加固中應用的意義

建筑結構在長期使用過程中，受外界環境因素、人為因素等的作用，會逐漸出現功能降低、結構不穩的情況，而只有通過對建筑結構進行有效加固，才能夠解決這一問題。一般情況下，我國對于建筑結構的設計使用期限多為50年，這意味著大部分建筑結構僅能夠在50年內滿足人們的使用需求，而超過50年后若想再繼續使用，就必須要再次加固建筑結構，否則存在著嚴重的安全隱患。另外，有時遇到一些特殊情況，例如地震破壞、外力撞擊破壞等，建筑結構也許不到使用期限就需要進行加固。由此可見，加固建筑結構是一項非常重要的工作。而若想切實保證建筑結構加固效果，就必須要采取一些科學有效的加固建筑結構技術。經大量實踐經驗表明，應用纖維復合材料來進行建筑結構加固是一項十分行之有效的方法，我們可以稱這種方法為纖維復合材料加固建筑結構技術。利用纖維復合材料加固建筑結構技術，不僅可以良好解決建筑結構受損問題,大大提高建筑結構性能，并且還能夠保存原本的建筑結構狀態，而不必使建筑結構發生改變。同時，纖維復合材料加固建筑結構技術在實際施工過程中非常方便簡單、省時省力。無論是對于工業建筑還是民用建筑，均可以應用纖維復合材料加固建筑結構技術來提高建筑結構的抗震性能；再者，在樓面板加固、鋼筋混凝土梁抗彎等方面，也可以應用到纖維復合材料加固建筑結構技術。

3 纖維復合材料加固建筑結構的技術要點

3.1 構件表面處理的要點

構件表面處理是纖維復合材料加固建筑結構技術的前期環節，主要需注意以下幾項要點：（1）在構件表面處理過程中應把握好溫度和濕度因素，盡量將溫度控制在6～35℃范圍內，構件外表層的相對濕度應之85%，且其中含水量須≤4%；（2）在實際加固施工過程中，加固區域出現裂縫問題，則應立即暫停施工，先對裂縫進行有效修補后再繼續加固;（3）在實際加固施工過程中，一旦發現待加固建筑結構表面出現了混凝土缺陷問題，需要立即處理，然后再有效磨平，確保區域平整，在使用丙酮溶液對其進行反復清洗，確保區域內干凈，表面無灰塵或油污。總的來說，碳纖維是一類力學性能較好的新型優質材料，纖維復合材料在建筑結構加固中具有十分重要的應用價值。

3.2 底膠涂刷的要點

在建筑結構的待加固構件上粘貼完纖維復合材料后，需再涂刷底膠。在底膠涂刷過程中主要需注意以下幾項要點:（1）涂刷底膠需使用專門的涂刷工具如滾筒等，以保證涂刷均勻;（2）在涂刷底膠時，需對待加固構件表面進行細致的涂刷，涂刷邊界不能小于纖維復合材料的邊界；（3）待底膠凝結后，應仔細檢查表面的光滑度，一旦發現了有凹凸不平的地方，應及時用砂紙磨平，確保表面光滑平整。

3.3 找平膠涂刷的要點

待底膠干燥后，應仔細檢查其表面情況，一旦發現了有凹凸、缺損等問題而又無法通過砂紙來有效磨平時，應及時采用找平膠進行處理。在找平膠材料的選擇中，需注意選擇與底膠相同的材料進行調制。

3.4 加固技術的要點

內嵌FRP筋加固法具有施工方便、維修費用低、可以有效避免加固材料磨損和撞擊等優點，現已廣泛應用于結構加固改造工程中。加固構件和結構在服役期間同樣會遭受潮濕、凍融循環、腐蝕介質侵蝕等惡劣環境，出現FRP筋劣化、FRP筋與混凝土界面黏結強度下降等問題。由于FRP筋與黏結材料界面和黏結材料與混凝土界面既是傳遞應力的關鍵部位，又是加固構件的薄弱環節，因此開展惡劣環境下內嵌FRP筋加固混凝土界面黏結性能的研究尤為重要。目前，國內外對內嵌FRP筋加固混凝土界面黏結破壞模式、黏結應力-滑移本構關系、FRP筋的受拉承載力以及不同影響因素對界面黏結性能的影響進行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。

3.5 養護過程中的要點

在應用纖維復合材料加固建筑結構技術對建筑結構加固完畢后，還需做好后期的養護工作，在養護過程中需注意以下幾項要點:

（1）養護期間避免受外界干擾和外力沖擊；

（2）養護時間應≥1d；

（3）養護期間做好防護措施，避免受雨水及其他物質污染。

4 土木建筑工程中纖維復合材料的應用

4.1 纖維復合材料加固技術方案設計

由于建筑結構的設計過程較為復雜，設計人員在進行設計時，要將化學纖維聚合物材料應用于土木工程結構加固時，首先是規劃土木工程項目的總體加固策略，然后再確定具體的加固技術方案。碳纖維材料塑料板在鋼筋混凝土彎曲預制構件的抗彎結構加固，抗剪結構加固和柱抗震等級結構加固應用較多。在加強彎曲結構時，碳纖維塑料片的化學纖維取向應與拉伸區的拉伸應力取向一致。當增強剪切結構時，應將碳纖維塑料板的化學纖維取向作為混凝土中的主要張力。應力方向是相同的，但是為了使施工更加方便，可以使用化纖方向和預制構件的縱向坐標進行結構加固。加強抗震等級結構時，應將碳纖維布封閉地纏繞在圓柱上。另外，碳纖維材料塑料片還可以沿著預制構件的徑向方向粘貼，可沿著腋下角度粘貼,可在樞轉力下對預制構件進行結構加固。當在彎曲下加固結構時，也可以向碳纖維塑料板中添加預應力鋼的方法來增強結構加固的實際效果。碳纖維塑料板還可以用于框架柱和特殊結構，例如殼體，筒倉和煙囪。

4.2 應重視纖維復合材料的研發及技術標準制定

碳纖維材料高分子材料目前在國內建筑行業應用尚不十分廣泛，目前主要應用于一些專業性較高的建筑結構中。主要原因在于許多碳纖維材料產品仍然必須從國外購買，這不僅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技術的應用。同時，我國現階段依然使用的是國外的技術標準和規范，現有的結構加固和修復技術方法已越來越不適用。迫切需要制定適合于我國國情的技術標準和建筑加固施工作業規程，以改善碳纖維材料和高分子材料的建筑應用技術。因此，加強對纖維復合材料的研發力度，提升產品質量，并制定適合的材料生產技術標準和建筑加固施工作業規程，是現階段的重點問題。

4.3 結構加固補強的關鍵技術的研發

FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已經取得了很好的進展，在基礎設施建設工程加固技術應用也較為廣泛,但是仍然有很多課題有待解決，主要包括兩個方面:一是在預應力加固補增技術研究；另一個是界面受力性能研究。為了使用該類復合材料在建筑結構加固領域發揮更大價值，還需要進一步的深入研發。

5 結束語

綜上所述，由于纖維復合材料的諸多優勢，使得它在建筑結構加固領域中展現出了十分重要的應用價值與非常廣闊的發展前景。但現階段還有許多制約其發展的因素存在，需要在未來一段時間，加強對纖維復合材料及其應用的研究。CFRP板與混凝土之間的粘結應力不是通過試驗直接得到的，而是通過CFRP板變形分析間接得到的。加載開始時，CFRP板僅在加載點附近區域生成變形，自由點附近的變形為零，此時變形傳輸區域較小。載荷增加時，載荷端的變形會增加，并傳遞到自由端。在載荷開始時，粘結應力從載荷端分布在不超過60mm的范圍內，從自由端逐漸減小到零。隨著負載的增加，負載末端的貼合約束也會相應增加，并且貼合約束開始轉移至自由末端。接近極限載荷時，粘結點會傳遞到自由端附近，試驗將發生挖方斷裂。使纖維復合材料加固技術的應用更加廣泛深入，在建筑結構的穩定性及安全性建設中充分發揮其應用價值。