探討碳纖維材料在混凝土結構加固中的應用

吳洪翔

摘 要：本文作者根據自己多年的實際工作經驗，對碳纖維材料在混凝土結構加固中的應用相關問題進行分析探討，同時提出了自己的看法及意見，僅供參考。

關鍵詞：碳纖維；混凝土；結構；加固

1 前言

目前應用最廣泛的鋼筋混凝土結構，由于其結構強度不足帶來的安全問題仍普遍存在。究其原因，一方面，早先設計和建造的建筑物由于使用功能的改變，結構已不能滿足現行規范的要求；另一方面，建筑結構雖符合規范要求，但由于環境等因素的影響，出現了混凝土裂縫、表層碳化、鋼筋銹蝕、外部腐蝕和超載運行等問題。針對這種現狀，對鋼筋混凝土加固設計等方面的研究成了近年來的一個熱點。本文通過對碳纖維材料的特性、加固原理的研究，并結合“四方塘市場”的加固專項設計，對鋼筋混凝土結構碳纖維加固的設計與應用介紹如下。

2 碳纖維材料

碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維（GF）相比，模量是其3倍多；與凱芙拉纖維（K-49）相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸性和堿性中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在NaOH強堿溶液中，經過20多年，至今仍保持纖維形態。高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束后，用環氧樹脂浸漬，形成碳纖維補強復合材料片材。片材碳纖維材料的拉伸強度在2 400-3 400MPa之間，而普通碳素鋼板拉伸強度僅為240 MPa。與鋼材相比，碳纖維片材的單位重許多，且碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸、堿、鹽及各類化學介質的腐蝕，并具有良好的耐寒和耐熱性。

2.1 加固鋼筋混凝土結構原理

在結構受拉面貼上專門配制的環氧樹脂將碳纖維片材，等到樹脂固化后，碳纖維片即可與原結構形成新的受力復合體與鋼筋共同受力。由于碳纖維片分擔了荷載、降低了鋼筋的應力，而使結構得到加固補強。經碳纖維加固的鋼筋混凝土結構性能得到顯著改善。主要表現為：（1）改變結構狀態：減少結構變形，降低原有結構應力，減消裂縫。（2）改變結構體系：改變墻、柱位置和樓板開洞。（3）糾正設計與施工失誤：解決配筋不足、構件截面不足等問題。

2.2 加固優點

（1）高強高效：與普通鋼相比，碳纖維布抗拉強度高10-15倍，彈性模量則相近。（2）施工便捷：無濕作業，不需大型施工機具和現場固定設施，施工簡單，工期短。（3）耐久性和耐腐蝕性好：耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕，不需定期維護。（4）適用面廣：可用于各種類型和形狀的混凝土結構，不會改變結構形狀、不影響外觀。（5）施工質量易于保證：即使加固表面不大平整，仍可保證100%的有效粘貼。（6）加固層很薄、重量輕：加固修補后，基本不增加自重和不改變外形尺寸。

2.3 加固應用范圍

可用于混凝土結構的抗彎、抗剪加固，以及各類工業與民用建筑物、構造物的防震、防裂、防腐的補強。

3 加固設計

3.1 基本方法

按照現行規范的標準，計算鋼筋混凝土結構的配筋量，與現有配筋量進行比較，凡配筋不足的部分采用碳纖維材料補足。在加固設計中，彎曲率加固設計和抗彎強度計算是設計中的核心步驟。

3.2 彎曲率加固設計

（1）力的平衡條件，即計算出剖面中心軸位置。（2）從力矩平衡設想到各種材料的彈性率、剖面面積、離中心軸距離，并計算出剖面二次力矩。（3）計算出承受彎曲力矩各種材料在加固前產生的應力。（4）比較各種材料上產生的應力和各種材料的容許應力，以決定是否需加固：當產生應力大于容許應力，則不必加固；若小于容許應力時，則需加固。（5）計算出加固后承受彎曲力矩的各種材料上產生的應力。（6）比較各種材料上產生的應力及各種材料的容許應力，若產生應力大于容許應力，則加固量妥當；若小于容許應力，則加固量不妥當。

3.3 加固抗彎強度計算

依據加固試驗梁的破壞特性，在極限狀態下，受拉鋼筋屈服，破壞由碳纖維拉斷誘發，參照現行混凝土結構設計規范中抗彎設計計算的基本原理，假定：

（1）混凝土梁受彎后，變形規律符合平截面。（2）鋼筋為理想彈塑性材料。（3）混凝土的應力一應變關系采用《混凝土結構設計規范》所建議的關系式；在極限狀態下，受壓區混凝土應力等效為矩形應力塊，應力強度為混凝土的彎曲抗壓強度。（4）忽略混凝土的抗拉強度。（5）在極限狀態下，碳纖維的應力達抗拉設計強度。

以梁加固為例，在極限狀態下，加固梁的截面應力見圖1。

圖1 極限狀態下截面應力示意

圖中：Mu——截面極限彎矩；As、A s——受拉受壓鋼筋面積；fy、f s——鋼筋抗拉、抗壓設計強度；ACF ——碳纖維截面面積；fcf——碳纖維的抗拉設計強度，建議取極限抗拉強度的0.8倍；fcm——混凝土彎曲抗壓強度設計值；bx——截面寬度；x——受壓區高度。

圖1所示截面的平衡方程為：

[Fx]=0，[0，Asfy+ACFfcf-A'sf'y-bxfcm=0]

[MAS（F）]=[0，M=bxfcm（h0-x2）+A'ff'y（h0-a's）+ACFfCFas]

式中：[Fx]——截面合力；[MAS（F）]——截面合力矩；M7——力矩；[h0]——梁的有效高度；[a's]——保護層厚度。

將試驗梁材料的實際強度代入以上公式，可計算出梁的極限破壞彎矩。

4 加固設計實例

某大樓工程由于原有辦公樓改建成為商品住宅，使用功能發生了改變，故需進行加固。其中，由于原有樓板開洞，使板內鋼筋切斷，故需要補強；另外，由于新增了不少內隔墻，增加了梁上荷載，故需對梁進行加固。

5 結束語

碳纖維加固具有輕質、高強、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩定等諸多優點。用碳纖維加固材料修復補強混凝土結構，與混凝土結構形成一體共同工作；利用碳纖維材料卓越的抗拉強度能達到增強構件承載能力及剛度的目的，對于提高混凝土結構的安全性具有顯著作用。該大樓工程采用碳纖維進行補強加固的工程實例，說明采用碳纖維加固的設計方法是合理、可靠的。

參考文獻：

[1] 李俊杰.碳纖維布加固圓鋼管軸心受力有限元分析及試驗研究[D].蘭州理工大學，2016.

[2] 劉麗娜.預應力碳纖維布加固混凝土預裂梁試驗研究[D].河北工程大學，2014.

[3] 楊輝.纖維加固混凝土柱的有限元分析[D].大連理工大學，2015.