碳纖維布加固混凝土柱研究綜述

程?hào)|輝，陳寶松

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究背景

混凝土材料的力學(xué)性能較為穩(wěn)定，與鋼筋有效粘結(jié)后更是可以很好地發(fā)揮材料性能，鋼筋混凝土具有較好的耐火性、耐久性和整體性等，且所需材料獲取以及運(yùn)送都較為便捷，這些都使得鋼筋混凝土在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，所以截至目前，鋼筋混凝土仍然是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣的建筑材料。

1.1 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固改造的意義

自我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展而大興土木以來，人們除了對(duì)居住環(huán)境要求越來越高以外，對(duì)于建筑的安全性能的關(guān)心與日俱增。在自然和使用環(huán)境等因素的作用下，我國(guó)居民所居住或者辦公的建筑物隨著建筑物使用年限的增長(zhǎng)，許多結(jié)構(gòu)設(shè)施會(huì)在整體或局部存在承載力達(dá)不到規(guī)范要求或者即使承載力達(dá)到規(guī)范要求但其舒適度達(dá)不到居住要求的問題。針對(duì)這兩個(gè)問題，綜合我國(guó)現(xiàn)階段的質(zhì)量安全與經(jīng)濟(jì)效益等因素，許多情況下建筑物沒有全部重建的條件。因此，提升結(jié)構(gòu)的承載力與使用舒適度最恰當(dāng)?shù)姆椒ň褪遣扇】煽康募庸谭椒▽?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。實(shí)踐證明，采用合適的加固技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固與補(bǔ)強(qiáng)，可以有效提高結(jié)構(gòu)承載力，使結(jié)構(gòu)的使用壽命得到延長(zhǎng)，從而滿足結(jié)構(gòu)使用功能的要求。加固技術(shù)在目前我國(guó)的需求越來越高，對(duì)建筑加固不僅可以節(jié)約資源而且更具有良好的社會(huì)效益[1]。

1.2 傳統(tǒng)加固方法特點(diǎn)

以下是幾種常用加固方法以及其優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍[2-3]：

①加大截面法

加大截面法提高構(gòu)件的承載力和剛度是通過增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面面積。這種方法通常對(duì)構(gòu)件的抗彎、抗壓、抗剪、抗拉承載力的提高有明顯效果，在工程加固領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但由于會(huì)增加構(gòu)件的截面尺寸，減小其使用空間，在一些特定的工程中并不適用。

②外包鋼加固法

通過用型鋼或鋼板把被加固構(gòu)件包裹住的外包鋼加固法可以有效使構(gòu)件的承載能力和剛度得到提高。這種方法可以幾乎不增加構(gòu)件截面尺寸而使構(gòu)件的抗壓和抗彎性能提高很多，但缺點(diǎn)是耗用資源較多，需投入資金較大。

③改變受力體系加固法

改變受力體系加固法是通過增加支點(diǎn)等一系列手段改變結(jié)構(gòu)受力體系?？捎行菇Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算跨度減小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力提高，撓度和裂縫寬度也會(huì)減小。但這種方法會(huì)影響結(jié)構(gòu)周圍的正常生產(chǎn)和生活和建筑布局，還會(huì)減小使用空間。

④外粘纖維復(fù)合材料加固法

近些年以來隨著纖維價(jià)格的降低，纖維復(fù)合材料（FRP）黏貼在構(gòu)件外的加固法逐漸興起。因纖維材料良好的抗拉強(qiáng)度，在混凝土構(gòu)件外粘結(jié)后可有效提高構(gòu)件承載能力和剛度。在混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗扭、抗震、耐腐蝕加固中都具有良好的效果。

2 纖維復(fù)合材料加固法的發(fā)展

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)過多年工程實(shí)踐應(yīng)用和科學(xué)研究等方式證明其自身的優(yōu)勢(shì)[4-5]：輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐腐蝕，得到了廣泛的認(rèn)可和使用。FRP包括：CFRP（碳纖維）、GFRP（玻璃纖維）、AFRP（芳綸纖維）、BFRP（玄武巖纖維）。混凝土柱在FRP加固后，混凝土的側(cè)向變形明顯變小，且大幅提高了混凝土柱的極限抗壓強(qiáng)度和延性。

2.1 纖維復(fù)合材料的性能

2.1.1 FRP的物理性能：

FRP的密度范圍是1.25～2.1g/cm3，是鋼筋的1/6～1/4。密度低可以減輕重量，便于運(yùn)輸安裝。FRP不宜在高溫結(jié)構(gòu)中使用。FRP軟化的溫度稱為“格拉斯轉(zhuǎn)變溫度Tg”，主要取決于樹脂的種類，通常在65～120℃。當(dāng)溫度超過Tg后，F(xiàn)RP的彈性模量將大大降低。

2.1.2 力學(xué)性能

周所周知，F(xiàn)RP的主要受力方向是與纖維主要平行的方向，也就是軸向?？估瓘?qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及黏結(jié)性能是FRP的主要力學(xué)性能指標(biāo)。

①抗拉強(qiáng)度

纖維是FRP抗拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)，樹脂主要起到一定的輔助作用。纖維、樹脂及FRP的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如上圖所示，F(xiàn)RP的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線彈性關(guān)系。纖維的極限強(qiáng)度要高于FRP的極限強(qiáng)度。樹脂的極限拉應(yīng)變高于FRP和纖維的極限拉應(yīng)變，這說明樹脂的斷裂在纖維斷裂之后。

②抗壓強(qiáng)度

FRP的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于抗拉強(qiáng)度要低。GFRP、CFRP、AFRP的抗壓強(qiáng)度分別是抗拉強(qiáng)度的55%、78%、20%。大部分情況下，F(xiàn)RP的抗壓強(qiáng)度與FRP的抗拉強(qiáng)度的關(guān)系成正比。

③黏結(jié)性能

結(jié)構(gòu)的使用性能和承載力受粘結(jié)性能影響，而FRP形式、材料性能、幾何尺寸及FRP表面形狀等均可影響?zhàn)そY(jié)性能。

2.1.3 長(zhǎng)期性能

①徐變斷裂

FRP的徐變斷裂是FRP在長(zhǎng)期恒荷載作用下發(fā)生的突然斷裂。且FRP的耐久時(shí)間隨著荷載持續(xù)時(shí)間的增加而逐漸減少。

②疲勞性能

FRP在纖維與樹脂粘結(jié)良好的情況下具有良好的耐疲勞性能，且受外在影響較小。

③耐久性能

試驗(yàn)結(jié)果表明：CFRP表現(xiàn)出良好的耐久性能；GFRP有良好的耐酸性能和凍融循環(huán)性能；AFRP也具有較好的耐久性能。

2.2 CFRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究成果

①加固材料與制品、相關(guān)設(shè)備等開發(fā)

纖維及其混雜纖維布、纖維板、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料格柵、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材及構(gòu)件等纖維材料制品；預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備、各個(gè)環(huán)節(jié)下使用的配套黏結(jié)樹脂、特殊施工工具等。

②混凝土梁、板、柱等構(gòu)件以及混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)研究與應(yīng)用

涉及加固構(gòu)件的抗彎、抗剪、極限承載能力、黏結(jié)方式、黏結(jié)構(gòu)造、錨固技術(shù)、節(jié)點(diǎn)加固、截面剛度等，加固后混凝土的抗彎、抗剪、承載能力、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、疲勞性能與抗震性能等。

③界面黏結(jié)問題的研究

提出了各種理論分析模型，如基于斷裂力學(xué)的分析模型、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式、界面強(qiáng)度模型以及設(shè)計(jì)公式等。

3 CFRP布以及CFRP布條加固混凝土柱的意義

無論是建筑物還是構(gòu)筑物，建筑結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件中最重要的是柱結(jié)構(gòu)，建筑物的可靠度與舒適度與它密切相關(guān)。鋼筋混凝土柱目前更是我國(guó)建筑物、構(gòu)造物主體結(jié)構(gòu)使用最多的柱結(jié)構(gòu)。我國(guó)工程領(lǐng)域的發(fā)展逐漸從以大量新建工程為主導(dǎo)的第一階段向著新建工程與維修改造工程并存的第二階段過渡，所以怎樣對(duì)建筑物進(jìn)行可靠的加固同時(shí)占用較少的資源，是目前科研領(lǐng)域重要研究課題。

CFRP布纏繞包裹約束混凝土柱可以有效提高柱的軸壓承載力。采用CFRP約束混凝土可明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度及改善混凝土的延性。同時(shí)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程，CFRP加固混凝土柱技術(shù)有著多方面的優(yōu)勢(shì)(高強(qiáng)輕質(zhì)、耐久性、施工簡(jiǎn)易等)，CFRP加固混凝土柱這種加固方法在越來越多的實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。

采用碳纖維布進(jìn)行加固改造的工程中，出于成本以及施工角度考慮，目前很多結(jié)構(gòu)采用碳纖維布條形式進(jìn)行加固，在很過實(shí)際工程中也采用了碳纖維布條進(jìn)行改造加固的方法，并且在提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力及延性等方面也得到了證明。利用碳纖維布條加固更是可以有效提高碳纖維的利用率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。尤其表現(xiàn)在在施工方面，利用碳纖維布條加固的方式對(duì)施工場(chǎng)地以及施工空間要求很小，可有效靈活的組織施工。

4 結(jié)語(yǔ)

就我國(guó)當(dāng)前土木工程發(fā)展前景而言，維修改造工程必然是我國(guó)建筑領(lǐng)域的有一個(gè)重要課題。而合理的加固方法的選擇顯得尤為重要，F(xiàn)RP加固方法具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。其中碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，采用碳纖維布或碳纖維布條的加固方式可高效便捷對(duì)建筑進(jìn)行加固。對(duì)于實(shí)際工程而言，碳纖維布條加固方式應(yīng)用較多，在科研領(lǐng)域針對(duì)這一問題進(jìn)行較深入的研究，可以為實(shí)際工程提供較為充分的理論依據(jù)。