碳纖維加固混凝土技術(shù)研究進(jìn)展綜述

任宏偉　李秋明　嚴(yán)珊

摘 要：碳纖維加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)新興的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，用于補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土構(gòu)件及改善結(jié)構(gòu)的受力性能。碳纖維材料具有輕質(zhì)、耐腐、高強(qiáng)及施工便利等特點(diǎn)，在加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該文簡(jiǎn)要介紹了碳纖維加固的研究背景及其各種優(yōu)點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外碳纖維加固混凝土技術(shù)的研究現(xiàn)狀做了初步的總結(jié)，列舉了碳纖維加固混凝土技術(shù)在實(shí)際工程中的一些應(yīng)用。最后指出碳纖維加固混凝土技術(shù)的理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用中的不足，并提出了目前存在的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：碳纖維 加固 混凝土 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0068-01

纖維增強(qiáng)塑料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是土木工程中發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型加固技術(shù)。由于具有強(qiáng)度高、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點(diǎn)，這種新型的碳纖維加固材料在鋼筋混凝土加固領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。通過(guò)FRP材料外包混凝土能夠使混凝土在三相受壓狀態(tài)下工作，其抗壓承載能力和變形能力顯著提高，并且能夠使建筑結(jié)構(gòu)中的軸壓構(gòu)件與抗彎構(gòu)件的力學(xué)性能得到改善，在建筑加固領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用空間。碳纖維加固技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代，于90年代后期在我國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)，目前國(guó)內(nèi)外很多科研單位和高校就碳纖維加固混凝土構(gòu)件這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和探索[2]。

1 碳纖維加固技術(shù)的特點(diǎn)

（1）化學(xué)性能穩(wěn)定。碳纖維材料對(duì)溫度具有良好的適應(yīng)性，對(duì)酸性、堿性，鹽也有良好抗性，并且抗紫外線和防水等方面性能也比較好。

（2）具有較高的強(qiáng)度。比重僅為鋼材的四分之一，它的碳纖維拉伸強(qiáng)度卻為鋼材的7～10倍，在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中，碳纖維材料強(qiáng)度高、模量高等優(yōu)異的物理性能可以得到很好的利用，從而可以提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性。

（3）施工簡(jiǎn)單。用碳纖維加固不需要大型工具，占用施工場(chǎng)地少，并且不用濕作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)根據(jù)尺寸需要可以采用剪刀或刀片裁剪，其施工工效是粘貼鋼板工效的4～8倍。

（4）適用范圍廣。碳纖維材料可以根據(jù)需要任意裁剪，不僅不改變結(jié)構(gòu)形狀，而且不影響結(jié)構(gòu)外觀，所以被廣泛應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)類型。

2 國(guó)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代初，日本人就開啟了碳纖維技術(shù)在加固技術(shù)中的應(yīng)用，專門研究發(fā)展修復(fù)加固新技術(shù)，把碳纖維布像貼鋼板一樣貼到混凝土上。政府機(jī)構(gòu)組織協(xié)調(diào)，制造商們研制材料，工程公司進(jìn)行運(yùn)用研究，迅速地將這門技術(shù)運(yùn)用到工程實(shí)踐中。1991年，瑞士首先進(jìn)行橋梁碳纖維加固試驗(yàn)研究，并在同年7月成功用于伊巴赫橋的加固工程。1995年神戶大地震后日本的碳纖維加固混凝土技術(shù)迅速發(fā)展。到1997年，英國(guó)至少有30座橋梁采用了碳纖維加固[3]。

GangaRao等進(jìn)行了三面包裹碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的抗彎試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明：粘貼碳纖維的混凝土試件在溫度、濕度、天氣的變化和化學(xué)腐蝕下能夠保持良好的工作性能，梁的極限強(qiáng)度和剛度都有提高，提高程度和碳纖維的粘貼量有關(guān)，有損傷試件用碳纖維加固后強(qiáng)度和剛度性能與無(wú)損傷試件加固的相似。

Malek對(duì)受剪加固梁中FPR承擔(dān)的剪力的計(jì)算進(jìn)行了理論分析，討論了各種參數(shù)對(duì)受剪承載力的計(jì)算方法，討論了各種參數(shù)對(duì)受剪承載力的影響，并提簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

H.Ichinalsu采用不同類型的CFRP對(duì)板加固進(jìn)行試驗(yàn)理論研究分析。結(jié)果表明：加固時(shí)的粘貼材料可以以網(wǎng)格的形式，只要凈間距<200mm，板的裂縫與CFRP的相對(duì)位置對(duì)受力性能無(wú)直接影響；單向的CFRP比CFRP織物容易粘貼，工作量較少。

Saadatmalnesh等進(jìn)行了鋼筋混凝土梁粘貼玻璃纖維板加固的試驗(yàn)，結(jié)果表明加固后的梁，尤其是低配筋梁抗彎強(qiáng)度提高、裂縫寬度減少，試件的延性有所降低，認(rèn)為在進(jìn)行加固時(shí)選擇好膠黏劑的韌性和粘貼面非常重要。

3 國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)進(jìn)行土建工程碳纖維加固研究開始于90年代末，采用碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)也只是我國(guó)近十幾年的事情，例如北京人民大會(huì)堂、歷史博物館、天津普濟(jì)河道立交橋等建筑物的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，以及對(duì)河北邯鄲、張家口橋梁的加固等[4]。

歐陽(yáng)熠等在彈性理論的基礎(chǔ)上分析了線性荷載作用下粘貼片材加固的鋼筋混凝土梁端部粘結(jié)剪應(yīng)力和最大粘結(jié)剪應(yīng)力，提出了對(duì)最大粘結(jié)剪應(yīng)力的影響因素及在均布荷載和集中荷載作用下的剪應(yīng)力計(jì)算方法。

李榮等按極限平衡法進(jìn)行了粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)計(jì)算，為了避免碳纖維拉斷的脆性破壞，必須對(duì)碳纖維的極限應(yīng)變加以限制。

吳剛等進(jìn)行了粘貼碳纖維抗彎加固無(wú)加載歷史的鋼筋混凝土梁實(shí)驗(yàn)，在極限平衡狀態(tài)基礎(chǔ)上提出了加固后梁正截面承載力的計(jì)算方法。

趙彤等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了碳纖維粘貼量對(duì)于鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，認(rèn)為可以將碳纖維布的面積等效成鋼筋面積后參照正截面承載力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

曹雙寅等進(jìn)行了外貼玻璃纖維加固鋼筋混凝土懸臂板的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為正截面承載力計(jì)算方法能夠用于對(duì)粘貼玻璃纖維加固的構(gòu)件的分析。

4 碳纖維加固混凝土存在問(wèn)題

碳纖維復(fù)合材料加固混凝土雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面還是存在諸多的不足。（1）碳纖維的力學(xué)特性的研究不足，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致往往通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)加固，沒(méi)有相應(yīng)的施工標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南。（2）對(duì)于碳纖維疲勞以及抗震性能的研究也不夠透徹。對(duì)于碳纖維布的加固方法是否可以提高節(jié)點(diǎn)核心的抗震承載能力需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。（3）相配套的結(jié)構(gòu)粘合劑的耐高溫性不足。（4）碳纖維加固混凝土的造價(jià)成本過(guò)高。（5）碳纖維對(duì)某些十字交叉的混凝土構(gòu)件加固難以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

主要通過(guò)碳纖維材料加固混凝土的特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的主要問(wèn)題對(duì)碳纖維加固混凝土技術(shù)進(jìn)行了分析。可以看到隨著碳纖維加固技術(shù)的不斷成熟，它的應(yīng)用前景將不斷擴(kuò)大。而且由于碳纖維材料的特性，它很有可能代替鋼鐵成為最廣泛的建筑材料。由于目前存在的一些問(wèn)題，對(duì)于碳纖維材料在建筑工程中的應(yīng)用研究也應(yīng)該繼續(xù)深入。

參考文獻(xiàn)

[1] 璩家平，璩繼立，付春蘭.碳纖維布在加固混凝土框架梁中的應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造，2010，32（3）：103-106.

[2] 吳慢平.碳纖維布加固后鋼筋混凝土框架頂層中間節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2010.

[3] 王蘇巖，曹懷超，劉毅.CFRP加固不同箍筋間距高強(qiáng)混凝土柱延性試驗(yàn)[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28（4）：626-633.

[4] 趙根田，曹芙波.CFRP加固混凝土震損短柱的抗震性能研究[J].工程抗震加固與改造，2010，32（5）：85-90.