碳纖維復合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應用

文/張蕾 浙江同濟科技職業(yè)學院 浙江杭州 311231

碳纖維復合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應用

文/張蕾 浙江同濟科技職業(yè)學院 浙江杭州 311231

隨著人類社會不斷的進步和科學研究飛速的進步，建筑結(jié)構(gòu)加固的方法也越來越多，施工模式也越來越簡單實用。碳纖維復合材料作為一種用于建筑結(jié)構(gòu)加固的新型材料，由于碳纖維具有強度高、自重輕、施工方便、快捷、應用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。

碳纖維復合材料；建筑結(jié)構(gòu)；加固；應用

一、碳纖維復合材料加固結(jié)構(gòu)的原理

碳纖維復合材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固改善混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維復合材料主要分為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當，某些（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固、補強的目的。

二、碳纖維復合材料加固結(jié)構(gòu)的作用

1.提高結(jié)構(gòu)抗剪切能力。碳纖維包覆柱或墩時，由于碳纖維的橫向約束作用使柱或墩的受力狀態(tài)發(fā)生變化，進一步提高了抗剪切能力。特別時發(fā)生地震時，能有效地防止柱或墩出現(xiàn)脆裂性破壞。

2.加強結(jié)構(gòu)抗彎曲能力。一般把碳纖維布粘在梁或板的底部后，當梁或板出現(xiàn)彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內(nèi)部的聯(lián)合承受力，共同發(fā)揮作用，可有效地增強梁或板的抗彎曲能力。

3.增長結(jié)構(gòu)使用壽命。由于碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)提升了結(jié)構(gòu)的延伸性和承受力，同時又對建筑結(jié)構(gòu)有防護作用，因此可以增長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4．延遲裂縫出現(xiàn)，抑制裂縫擴散。當碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)后，大大提高了混凝土抗裂能力，延遲了裂縫的出現(xiàn)。當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫時，碳纖維布可有效地抑制裂縫繼續(xù)擴散。

三、碳纖維復合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應用

1．碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍

碳纖維材料可應用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)部位；另外，磚砌體的某些力學性能也可以通過碳纖維材料進行加固。具體說來適用范圍如下：利用碳纖維材料加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓房增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板裂縫加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋改修加固和水塔加固等等。

2．碳纖維片材可選用以下方式對建筑結(jié)構(gòu)進行加固

在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向一致；選用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對梁、柱結(jié)構(gòu)進行受剪加固，纖維方向應與結(jié)構(gòu)軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當有可靠依據(jù)時，碳纖維片材也可選用其它形式或其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)進行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時，應依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標準采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，依據(jù)檢測獲得的實際強度，依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標準確定其相應的材料強度設(shè)計指標；碳纖維片材應依據(jù)構(gòu)件達到極限狀態(tài)時的應變，按線彈性應力應變關(guān)系確定其相應的應力；碳纖維片材應選擇廠家提供的不低于95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當使用粘貼碳纖維片材對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固時，應考慮加固后對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能帶來的影響。如果不能在完全卸載條件下進行加固，應考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時，被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實際混凝土強度等級不應小于Cl5.使用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應小于C10.

四、結(jié)語

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(jié)構(gòu)的影響較小，施工方便，具有其他加固方式無法比擬的優(yōu)越性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入，該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景，也許在未來人類社會在材料應用上會從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應用的時代。

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[2]高笑娟,謝鐳.碳纖維復合材料在結(jié)構(gòu)加固中的應用現(xiàn)狀[J].山西建筑,2006,(14).

[3]李芝華,甘衛(wèi)平,鄭子樵,尹志民,謝佑卿,章四琪.建材用碳纖維復合材料應用的新進展[J].纖維復合材料,1998,(01).

張蕾（1988—），女，漢族，浙江杭州人，德國萊比錫應用技術(shù)大學碩士，浙江同濟科技職業(yè)學院，講師，研究方向：建筑工程管理、建筑結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固材料。