碳纖維復合材料在建筑結構加固中的應用

【摘要】隨著人類社會不斷的進步和科學研究飛速的進步，建筑結構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構加固的新型材料，由于碳纖維具有強度高、自重輕、施工方便、快捷、應用廣泛等優良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業中有著廣泛的發展前景。

【關鍵詞】碳纖維復合材料；建筑結構；加固；應用

一、碳纖維復合材料加固結構的原理

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。加固改善混凝土結構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、找平樹脂及粘結樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結質量，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，提高結構構件的抗彎、抗剪承載力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

二、碳纖維復合材料加固結構的作用

1.提高結構抗剪切能力。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發生變化，進一步提高了抗剪切能力。特別時發生地震時，能有效地防止柱或墩出現脆裂性破壞。

2.加強結構抗彎曲能力。一般把碳纖維布粘在梁或板的底部后，當梁或板出現彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內部的聯合承受力，共同發揮作用，可有效地增強梁或板的抗彎曲能力。

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

4.延遲裂縫出現，抑制裂縫擴散。當碳纖維布包覆混凝土結構后，大大提高了混凝土抗裂能力，延遲了裂縫的出現。當結構產生裂縫時，碳纖維布可有效地抑制裂縫繼續擴散。

三、碳纖維復合材料在建筑結構加固中的應用

1.碳纖維材料結構加固適用范圍

碳纖維材料可應用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結構部位；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構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、梁柱構件的抗剪加固、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構進行加固

在梁、板構件的受拉區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形粘貼或側面粘貼對梁、柱結構進行受剪加固，纖維方向應與結構軸向垂直；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構進行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應依據國家現行有關標準采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法進行承載能力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算；鋼筋和混凝土材料，依據檢測獲得的實際強度，依據國家現行有關標準確定其相應的材料強度設計指標；碳纖維片材應依據構件達到極限狀態時的應變，按線彈性應力應變關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構或構件進行加固時，應考慮加固后對結構中其它構件或構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，被加固混凝土結構和構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，對原結構的影響較小，施工方便，具有其他加固方式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，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。

參考文獻：

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作者簡介：

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