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碳纖維復合材料加固混凝土結構技術

1. 引 言 
很多建筑物由于受到建造年代、結構使用功能改變、技術條件或自然災害等因素的影響，出現承載力不足、變形能力變差、抗震能力降低或抗疲勞能力下降等現象，不能滿足現行《混凝土結構設計規范》和《建筑結構抗震設計規范》的要求，因此，需要對其進行加固、補強。我國在結構加固和補強方面做了大量的研究和實踐，工程中常用的結構加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復合材料加固法等。傳統的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復雜，對結構的自重和使用面積有一定的影響，而粘貼碳纖維復合材料加固法具有高強高效、耐腐蝕、施工便捷、不增加結構尺寸等優點，在工程中得到了廣泛的應用。 
2. 碳纖維復合材料的優良性能 
碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP）加固混凝土結構技術是一種新型、高效的結構加固技術。工程中采用的碳纖維加固混凝土結構技術是利用樹脂膠結材料，將碳纖維材料粘貼于混凝土結構表面，以達到結構加固補強及改善結構受力性能的目的。 
與傳統的加固方法相比，碳纖維加固技術具有以下的優良性能。 
（1）高強度高彈性模量。碳纖維的強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10 倍，彈性模量和鋼材相近。因此，在加固修補混凝土結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結構及構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到加固修補的目的。 
（2）抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學性質穩定，不與酸、堿、鹽等化學物質發生反應，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結構具有良好的抗腐蝕性和耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題；同時也免去了粘鋼加固所需的定期防銹維護，節省維護費用。 
（3）熱膨脹系數小。碳纖維材料的熱膨脹系數非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數幾乎等于零，這一特性是目前其他任何材料無可比擬的，垂直于纖維方向的熱膨脹系數雖然比較大，但各向同性制品與其它材料相比又最小。 
（4）施工簡便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設備，施工占用場地少，無濕作業，碳纖維布柔性好，可以根據設計尺寸用剪刀或刀片將其任意裁剪，操作簡單，施工速度快。據有關資料統計，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼板加固工效的4～8 倍。
（5）施工質量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構件的表面不是非常平整，經過修補后，有效粘貼率可達到95%以上。 
（6）對結構影響小。碳纖維材料重量輕，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，不影響結構的使用空間。 
（7）適用范圍廣。可用于不同結構類型（如建筑物、構筑物、橋梁、隧道、涵洞等）、不同結構形狀（如矩形、圓形、曲面結構等）、不同材料的構件（如混凝土結構、木結構、鋼結構等）加固，也可用于構件的不同部位（如梁、板、柱、節點、拱、殼、墩等）及不同薄弱因素的加固。尤其重要的是，對于一些大型土木工程結構，如大型橋梁的橋墩、梁及橋面板，隧道等，采用舊的加固手段幾乎不能實施，而采用該項加固技術卻能順利的解決。 
除此之外，碳纖維材料還有其他的一些優勢，如透電磁波、絕緣、隔熱等，這就使得碳纖維加固技術在混凝土結構加固方面產生良好的綜合效益。 
3. 碳纖維復合材料加固混凝土結構的研究 
在實際工程中，用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術在混凝土結構中的應用已較成熟，主要集中在以下幾個方面。 
（1）提高受剪承載力 
碳纖維布對構件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用，與混凝土共同承受剪力。另外，碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用，并能承擔拉應力，防止主筋過早屈服，抑制剪切裂縫的出現和發展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構件的受剪承載力，增強構件的變形能力。影響受剪加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數、粘結劑質量、粘貼質量、剪跨比、加固前構件的受荷情況、錨固方式等。 
（2）提高受彎承載力
由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構件的受拉表層，使之與混凝土共同承擔拉應力，以提高構件的受彎承載力，達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開展，構件的變形能力和延性性能得到顯著改善。影響受彎加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數、粘結劑質量、粘貼質量、加固前構件的受荷情況、縱筋配筋率、構件截面尺寸等。 
（3）提高抗震能力 
由于碳纖維布能夠約束構件的開裂，提高構件的剛度和抵抗變形的能力，當需要提高構件的抗震能力時，亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進行構件的抗震設計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節點范圍，或對鋼筋混凝土柱進行包裹，可以明顯改善結構中混凝土構件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。此時，應考慮軸壓比、碳纖維布用量、配箍率、長細比等因素對碳纖維布加固構件的變形能力和抗震性能的影響。 
（4）提高抗疲勞能力 
對于承受動力荷載或重復荷載的構件，設計時要求具有足夠的抗疲勞性能，抗疲勞能力的大小與其截面尺寸、配筋率、縱筋類型和荷載級別等有關。用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁的加固，經200 萬次重復荷載作用后，加固構件的強度和剛度不會降低，也不會發生剝落和脆斷現象。如果采用預應力碳纖維布加固的形式，預應力碳纖維布的存在，使構件中縱筋的應力幅值有所降低，減少了發生疲勞破壞的可能。而始終處于高應力狀態的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應使所加固構件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構件的疲勞抗裂性能得到較大提高，從而延長構件的使用壽命。 
4. 結 論 
碳纖維復合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結構的影響較小，施工方便，具有其他加固手段所不具備的優點。用碳纖維復合材料進行混凝土結構的加固，可以有效的提高混凝土結構的承載能力，改善結構的變形性能，增強結構的抗震能力，提高結構的抗疲勞性能，綜合加固效果顯著。但是，碳纖維復合材料加固混凝土結構技術仍存在一些不足之處。 
（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當構件發生較大變形時，才能充分發揮其高強高彈模的性能。而混凝土結構對變形有比較嚴格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復合材料能力的發揮。 
（2）碳纖維布加固混凝土結構后，容易發生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結構呈現明顯的脆性破壞形態，對結構的可靠度水平有所影響。 
（3）目前對碳纖維復合材料加固混凝土結構在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應用時應有專門研究。 
（4）對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應用成果，但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。 
（5）進行碳纖維復合材料加固時，采用建筑結構膠作為碳纖維復合材料和混凝土結構的粘結劑，該粘結劑對溫度比較敏感，使加固構件的受力性能受溫度的影響較大，應進一步加強該方面的研究工作。 
總之，碳纖維材料加固技術具有與其它傳統加固方法無法比擬的優越性及良好的經濟效益、社會效益和環境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內外研究的不斷深入，該項技術在混凝土結構加固領域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發展前景。