談應用于鋼結構中的碳纖維增強復合材料性能

申傳瑞 尚金龍 張富強

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

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·建筑材料及應用·

談應用于鋼結構中的碳纖維增強復合材料性能

申傳瑞 尚金龍 張富強

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

介紹了碳纖維增強復合材料(CFRP)對鋼結構修復加固的技術優勢，通過分析受損鋼板在修復加固前后應力集中系數和相對有效剛度的變化情況，進一步探討了碳纖維增強復合材料的性能，促進了其在工程中的推廣應用。

CFRP，鋼結構，修復加固，應力

1 背景

在鋼結構加工制作、施工安裝和使用過程中常常因受到外在環境的影響而發生損傷，為了使鋼結構能繼續發揮使用功能，在保證結構質量安全、經濟合理性及施工方便等原則下，需要對鋼結構進行修復加固來提高資源利用率。目前對鋼結構修復加固技術的探索已取得了較大進步，特別是進入21世紀以來發展迅速，鋼結構修復加固技術主要有以下幾個方面：

1)承重較大的多高層建筑中的鋼柱可以采用在鋼柱外邊面澆筑鋼筋混凝土，有效利用外包鋼筋混凝土的良好受壓性能修復加固鋼柱的承載能力。2)對受損或者有缺陷鋼結構的構件通過粘貼鋼構件、焊栓連接及鉚釘連接進行修復加固。3)在保證結構安全、質量可靠的前提下重新改變受損鋼結構的結構體系。4)對鋼結構受損或缺陷部位粘貼碳纖維增強復合材料(CFRP)進行修復加固，尤其對受彎、受拉鋼結構構件及鋼管線的修復加固應用較多。

2 利用碳纖維增強復合材料(CFRP)修復加固鋼結構的優點

碳纖維增強復合材料由高強度、高模量的碳纖維材料作為增強體連同樹脂等基體經過物理化學作用形成的新型復合材料，因為其優良的性能被廣泛應用于民用，軍事等許多領域，特別是在修復加固鋼結構領域更具有突出優點。

1)CFRP相比于其他材料具有高比強度和高比剛度的性能，因此，在其他條件類同情況下修復相同鋼結構需要的CFRP尺寸更小，重量更輕，幾乎不會增加原構件額外重量。

2)由于CFRP中碳元素含量較高，所以其具有很強的耐腐蝕性，不容易在酸堿條件下銹蝕，保證了性能的穩定。

3)CFRP可以有效降低原結構的應力集中，具有較強的抗疲勞性能，提高原結構的承載能力和延性。

4)用CFRP加工制成的碳纖維布可較容易粘貼在鋼結構表面，而且可以根據形狀任意裁剪加工。

5)CFRP本身質量輕，相比其他修復加固技術而言利用CFRP對鋼結構修復加固的施工過程更加高效、簡便。

6)傳統修復加固技術會在原結構上實施焊接或者打孔等，這會對鋼結構產生新的損傷，然而通過CFRP不同粘貼方式進行修復加固不會對原結構進行削弱損壞。

3 碳纖維增強復合材料(CFRP)的性能

碳纖維復合材料可以根據不同類型增強體和基體進行分類，也可以根據制備溫度、處理工藝和用途進行分類。從抗拉強度性能上可分為T300，T700，T800，T800H，T1200等型號，從彈性模量性能上可分為M30，M40，M50，M55，M70等型號。不同種類碳纖維增強復合材料力學性能也各不相同(見表1)。

表1 不同種類碳纖維增強復合材料力學性能表 MPa

通過碳纖維增強復合材料(CFRP)對損傷鋼板的修復加固效果可以有效反映CFRP的材料性能，通常情況下采用應力集中系數α和相對有效剛度β表示鋼板結構在損傷后的強度。

其中，σmax為鋼板受損處應力最大值；σn為指定基準應力。

圖1表示了鋼板在被CFRP修復加固前后應力集中系數的對比，以及修復加固后應力集中系數隨CFRP抗拉彈性模量增加而變化的情況。圖2表示了鋼板在被CFRP修復加固前后的相對有效剛度的對比，以及修復加固后相對有效剛度隨CFRP抗拉彈性模量增加而變化的情況。

從圖1可以清楚看到當受損鋼板在CFRP修復加固后α值比未修復加固前明顯減小，并且隨著CFRP抗拉彈性模量的增加α值呈線性減小。從圖2可以清楚看到當受損鋼板在CFRP修復加固后β值比未修復加固前明顯增大，并且隨著CFRP抗拉彈性模量的增加β值呈線性增大。由此可知碳纖維增強復合材料(CFRP)可以對損傷鋼板進行有效修復加固。

4 結語

本文介紹了碳纖維增強復合材料(CFRP)的性能參數以及在修復加固鋼結構領域的特點，受損鋼板在碳纖維增強復合材料(CFRP)修復加固后的強度顯著提高顯示了其優良性能。未來隨著CFRP生產工藝進一步發展，生產成本不斷降低，其在結構工程修復加固領域的應用將更加廣泛。

[1] 沈曾民，遲偉東，張學軍，等.高模量碳纖維的現狀及發展[J].高科技纖維與應用，2010，35(3):6-13.

[2] 岳清瑞，張 寧.碳纖維增強復合材料(CFRP)加固修復鋼結構性能研究與工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3] 曹 靖.碳纖維增強復合材料加固鋼結構理論分析和實驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2011．

[4] 航空工業部科學技術委員會.應力集中系數手冊[M].北京：高等教育出版社，1990.

Discussion on carbon fiber reinforced composite material properties applied in steel structure

Shen Chuanrui Shang Jinlong Zhang Fuqiang

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper introduced the technology advantage of carbon fiber reinforced composite material(CFRP) to steel structure repair and reinforcement, through the analysis on the change situation of stress concentration coefficient and relative effective stiffness of damaged plate before and after repair and reinforcement, further discussed the performance of carbon fiber reinforced composite material, promoted its popularization and application in engineering.

CFRP, steel structure, repair and reinforcement, stress

1009-6825(2016)20-0094-02

2016-05-05

申傳瑞(1990- )，男，在讀碩士； 尚金龍(1993- )，男，在讀碩士； 張富強(1991- )，男，在讀碩士

TU528.043

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