碳纖維加固的“反拱預應力技術”及其提高鋼結構承載能力的分析

【摘? 要】我國是碳纖維制造大國，中國擁有世界上最多的碳制造加工業，當今世界面臨著環境日益惡劣的嚴重考驗，各國都開始應用一些節能環保能源，隨著我國的工業技術的不斷完善，我國對于碳纖維加固的“反拱預應力技術”也越來越更加地成熟，碳纖維加固的“反拱預應力技術”在我國的許多工業都有著不可替代的應用技術，在某些輕工業中用途非常廣泛，有著不可取代的作用，在鋼結構作為主體的部分，碳纖維是整個結構的支架，鑒于此，筆者將對碳纖維的一些有關知識概念進行具體分析，以及重點描述碳纖維加固的“反拱預應力技術”及其提高鋼結構承載能力的分析。

【關鍵詞】碳纖維;加固;反拱預應力技術;鋼結構承載能力

1.碳纖維基本特征介紹

碳纖維是目前研發出來的一種由有機纖維加熱處理過后的高強度的化工合成材料，含有碳量在90%以上，有高穩定性和高強度性和材料輕盈的特點，不僅耐高溫，而且減震性能良好，操作方便，使用起來用途廣泛，已經獲得了在鋼筋水泥鋼架橋的上應用，當然還有其他的化工用途，在許多的橋梁加固中也經常能看到它的身影，并且取得了人們的廣泛好評，同時，國內外的許多專家科研單位對碳纖維的這種材質做了大量的理論研究，發現碳纖維在不同的領域都可以相互應用，而且發現碳纖維可以有效恢復化工結構材料同時提高橋梁等一些大型建筑物鋼筋混凝土結構的承載力，多年來，我國的鐵路橋的鋼結構上經常會有破損出現，過去對于在鐵路橋的鋼結構修復與加固，我們都是通過焊接和增大截面的方法，但是這些方法都有一定的缺陷，不能完全彌補常年要經受風吹日曬的鐵路橋的維護，而且這些方法施工難度較大，工藝復雜，耗費人力財力較大，使結構自重，造成更多的不可控安全因素，現在由于有了碳纖維的出現，科學家發現利用碳纖維可以更快有效的地恢復與提高橋梁等鋼筋混凝土結構的承載力，通過我國的一些科研專家的不懈研究，結合即降碳，微合金化和先進的生產工藝技術，包括冶金工藝精煉，控熱控冷以及必要時的熱處理，這種由碳纖維生產出來的鋼板有著優良穩定的質量，取代了傳統的在鐵路橋上利用焊接加固的形式。

隨著我國對有些高復合材料的需求不斷加大，碳纖維一直是人們關注的焦點，從玻璃纖維與有機樹脂合成的玻璃鋼問世以來，碳纖維也成功研制成功，發現這種材料材質輕盈，穩定性更強，同時經過不斷的驗證發現經過這種材料加固后的鋼結構明顯比之前更加牢固，有效地提高了鋼結構的剛度與柔韌性，而且多了防高溫的特性，但是這種材料也有許不足，碳纖維的橫截面積較小，而且它的彈性模量與鋼結構的彈性模量相近，于是在相同環境下經過壓力的試驗，發現兩者的受壓力與承載力幾乎沒有變化，導致這種結構受到的形變沒有得到有效的減小。而鋼結構是按照傳統模式加工制造而成，一般在強度設計，剛材篩選方面沒有過多要求，沒有考慮材料的塑性承載能力，因而在現有的技術上采用碳纖維貼合鋼結構的技術還不夠完善，于是在這基礎上，我們提出了一種全新的對鋼結構加固的技術——“反拱預應力技術”。

2.如何進行碳纖維的加固

碳纖維加固是建筑加固工程中的一種常用的加固手段，可以運用到的地方很多，尤其是在建筑行業中，碳纖維加固越來越受到人們的喜愛，很多的施工單位都會優先選擇碳纖維加固的方法，作為加固行業的寵兒，碳纖維加固有著很好的優勢，那到底我們應該如何進行碳纖維的加固呢？筆者將碳纖維加固的方法進行探討

2.1施工的準備階段

在我們開始一件工作事情之前，都需要了解這件工作的所需要的基本材料與知識，同樣地碳纖維加固也不例外，在進行碳纖維加固工作之前，我們首先要熟悉施工圖紙，這樣有利于后面加固施工的進行。通過對不同的施工要求和施工現場分析，對整體施工的材料選擇也極具意義，在進行碳纖維的加固工作之前，我們首先也要做好準備工作。

2.2鋼筋混凝土結構表面處理

在進行碳纖維加固處理的時候，我們要對加固的結構件進行表面進行一定程度的清潔處理，對破損部分和殘缺部分進行完全的排除，保證粘貼表面的堅固性是符合可以粘貼碳纖維的基本要求，裸露的鋼筋外面也要進行一定的雜物處理，加工的溫度和適度的控制同樣重要，環境的潔凈是對碳纖維加固工程施工以后更好的保養作保證。

2.3涂抹結構膠

在進行碳纖維加固時，會運用到結構膠，我們需要按照說明書配制使用，按照比例混合均勻，粘貼碳纖作為加工工具的時候，需要有相對應的環氧樹脂結構膠作為粘貼材料，為了保證粘貼的強度，以及粘貼的黏合度，需要底層的粘接劑完全地滲透到鋼筋混凝土的表面結構種，在實際應用中，黏度要經過多次的實際測驗來保證粘合程度符合安全范圍。

2.4粘貼碳纖維布

在構件表面經過相應的清潔處理之后，要使用調配好的環氧樹脂結構膠，將根據要求裁剪好的碳纖維布料進行粘接。手工粘貼過程中，應該用手輕輕粘貼于構件表面上，利用專用滾筒來實現氣泡的排除。這一過程應該多次重復，從而保證樹脂結構膠能夠完全的和碳纖維布料充分的結合。

2.5 表面防護及碳纖維布表面處理

鋼結構的一般養護時間為一到兩周，當然，可以根據施工環境的特點適當延長或者縮短。根據當時溫度的不同，來進行操作和檢查，固化樹脂結構之后，應該根據實際需求在碳纖維表面刷一層防曬漆或者防火漆，來保證工程的整體安全性。在碳纖維加固的時候，對于材料的選擇也是很重要的，因為不同的碳纖維加固材料所起到的作用是有差別的，還有的就是不同品牌的碳纖維材料加固的效果是不一樣的。碳纖維加固是需要按照施工步驟來進行的，這樣可以確保加固施工的順利完成，也可以保證碳纖維加固的質量。

2.6碳纖維加固的數學計算公式：

我們知道在傳統的碳纖維加固的技術下，為了滿足鋼結構器材的結構強度，結構截面的最大應力與最大應變應該滿足他們的數學表達如圖1所示：

3.碳纖維的“反拱預應力技術”

碳纖維的“反拱預應力技術”是最新的一種科研技術，它主要是靠傳統的外部作用力與碳纖維技術相結合起來，在具體實施的時候，考慮結構狀態變化的基礎上，給出了利用碳纖維加固的“反拱預應力技術”加強鋼結構正截面上的預應力與應變分布的解析解，在理論推導上說明了該技術可以提高鋼結構的承載力，首先利用合適的作用力對剛體表面結構進行可塑性形變，讓結構產生反向變形，并在該變形的形態下面加工碳纖維，當碳纖維與鋼梁等結構兩者結合在一起，并可靠穩定后，撤掉施加壓力的設備，該過程如圖2所示。

4.鋼結構承載能力測試

碳纖維加固的鋼結構的鋼材都要進行一定的鋼結構承載能力測試，在該階段的測試可以分為兩個階段，一種是由于反拱作用施加在梁或者鋼結構上面的預應力，其數學表達式如圖3表示（通過圖二的三個計算公式可以求該次測試的預應力大小）;二是在荷載作用在鋼結構上引起的應變作用，由于碳纖維與鋼結構材料的彈性強度相似，所產生的形變量相似，即當材料達到最大的形變程度時，應變增加的同時，應力卻保持不變，即在纖維應力達到纖維斷裂程度的極限之前，認為該材料可以滿足鋼結構的最大承載力，因為一旦纖維斷裂后便不再承受任何應力，而此次的鋼結構的承載能力測試也就以失敗而告終。

5.結束語

本文通過對碳纖維加固方法的介紹以及重點介紹“反拱預應力技術”，以及在碳纖維加固鋼結構的承載力方面作了部分理論知識推導，通過理論知識推導發現，針對傳統碳纖維加固鋼結構的方法效果不明顯的問題，將“反拱預應力技術”應用于碳纖維加固鋼結構，給出了應用該技術加固鋼結構極限承載力的計算公式，結果表明該方法可以作為鋼結構加固的有效方法，顯著提高鋼結構的承載能力。

參考文獻

[1] 孫寶俊：現代PRC結構設計.南京：南京出版社，1995

[2] 岳清瑞：我國碳纖維加固修復技術研究應用現狀與展望.工業建筑，2001（10）：23-26

作者簡介：張昊（1985.11-），男，漢族，甘肅人，本科，工程師（中級），研究方向為工業建筑結構類型（結構專業）。

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