碳纤维增强塑料加固混凝土结构技术研究探讨

　　摘要：碳纤维增强塑料(CFRP)加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术，由于碳纤维材料的轻质、耐腐、高强及施工便利，在加固领域得到了大量应用。本文从碳纤维加固结构的优越性出发，对碳纤维布加固钢筋混凝土的理论进行了分析，并就碳纤维加固在建筑物中加固设计的注意事项做了阐述。

　　关键词：碳纤维增强塑料、钢筋混凝土、加固

　　Abstract: Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) reinforced concrete structure repair technology is a new structure strengthening technology, because the carbon fiber materials, light weight, high strength and corrosion resistance, construction is convenient, in the reinforcement areas to be a lot of application. This paper, from the carbon fiber reinforced the superiority of the structure of reinforced concrete of the CFRP reinforced the theory analysis, and the carbon fiber reinforced in building in the strengthening design matters needing attention of the paper.

　　Keywords: carbon fiber reinforced plastics, reinforced concrete and reinforcement

　　中图分类号：TV331         文献标识码：A               文章编号：

　　引言

　　混凝土结构的修复加固中，加固方法的选择，应根据结构功能要求、结构所处的具体条件以及经济合理等因素进行综合分析决定。

　　工程中常用的加固方法可以归纳为直接加固法和间接加固法两类。其中，直接加固法就是通过一些技术措施，直接提高构件的刚度和承载能力；间接加固法就是根据结构体系的条件，通过其它途径改变结构的传力，从而相对地提高结构的承载能力。

　　传统加固补强技术整体水平比较落后，施工方法和工艺比较复杂，设备繁多且受场地因素限制。作为新兴的纤维增强加固技术，特别是粘贴碳纤维加固法修复混凝土结构具有高强高效、施工便捷、耐锈蚀、自重轻、不增加结构尺寸等明显的优点。

　　一、碳纤维加固结构具有一定的优越性

　　碳纤维加固结构的基本原理就是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强片材;用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴需加固的结构上，从而形成一个新的组合受力整体，使碳纤维片材与钢筋混凝土结构共同受力承受荷载，有效传递剪力，降低了钢筋应力，增大结构的承载能力，提高结构的强度、刚度和延性，达到补强、加固的目的。

　　与传统的加固方法相比，碳纤维加固结构具有一定的优越性：

　　（1）高强高效。

　　碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10倍、弹性模量和钢材相近，而质量约为钢材的115，不需要大型的机器设备，便于施工操作，节约加固时间，加快结构加固修复进程。且耐腐蚀、不生锈，对受盐害和腐蚀物质影响的混凝土结构物有良好的保护效果。

　　（2）耐腐蚀、耐久性好。

　　碳纤维和环氧树脂对大部分无机、有机酸及碱都具有较好的安定性，当PH值在3-13范围内性能基本稳定的，碳纤维在600℃高温下性能保持不变，在零下180℃低温下仍具有很好的韧性，环氧树脂胶在零下540C-82℃范围内强度不降低，当环境湿度低于70℃时，对树脂的固化和粘结影响也不大。

　　（3）施工质量易保证。

　　碳纤维材料的柔性好、刚性低，可以加固不同表面的结构，当构件表面凹凸不平，通过粘结胶，可以使碳纤维材料与被加固结构完全接触，保证粘贴率，从而有效地提高结构加固后的性能。

　　（4）适用性广。

　　碳纤维因具有一定的柔韧性和耐腐蚀性，变形性能好，能随意裁剪，适用各种形状和尺寸的结构及各种环境下的结构加固。

　　二、碳纤维布加固钢筋混凝土梁的理论分析

　　1、基本假定

　　从理论上对碳纤维加固梁正截面抗弯进行计算时，作如下基本假定：CFRP加固混凝土受弯构件正截面平均应变满足平截面假定；在达到受弯承载力极限状态前，各种材料变形协调，混凝土与受力钢筋之间、碳纤维与混凝土之间粘结可靠，没有相对滑移，碳纤维与混凝土之间不发生粘结剥离破坏，且钢筋和CFRP的应变与相同水平位置的混凝土纵向纤维的变形

　　相同；当加固结构考虑二次受力时，应根据加固时的荷载状况，按截面应变保持平面的假定计算碳纤维的滞后应变；不考虑截面受拉区混凝土的作用。

　　2、材料的本构关系

　　凝土为弹塑性材料，应力一应变关系按现有混凝土结构规范取值，变达到极限应变时，混凝土被压碎。不考虑截面受拉区混凝土的作用；取应力-应变关系为：

　　当 时；

　　当时。

　　式中：为混凝土的极限抗压强度。如图1所示，其关系式如下:

　　图1 材料的本构关系

　　(2)钢筋为完全理想的弹塑性材料，当其应力小于屈服强度时，应力一应变关系为线性，服从虎克定律，当应力介于屈服强度与极限强度之间时，应力保持不变;取应力一应变关系为:

　　当 时

　　(3)碳纤维材料为理想线弹性材料，当应力达到极限抗拉强度时，碳纤维断裂;取应力一应变关系为:

　　当时

　　三、碳纤维布加固在建筑物中加固设计的注意事项

　　碳纤维布加固在建筑物中加固设计的注意事项主要体现在以下几个方面：

　　（1）首先应充分调查研究并掌握建筑物的原始资料、受力性能和事故状况，并作周密细致的全面评定，再根据房屋种类、结构特点、材料情况、施工条件以及使用要求等综合考虑进行加固设计，才能做到摸清根源对症下药。

　　（2）根据房屋的重要程度，分清主次，明确项目，区别对待，在一般民用建筑中，要优先加固人员集中的房屋(如影剧院、礼堂)和要害部门(如通讯用房等);应尽量保留和利用有价值的结构，避免不必要的拆除，同时又要能保证保留部分的安全可靠性和耐久性，若要拆除也应考虑对拆除材料加以回收及重新利用的可能性。

　　（3）加固工作直接影响生产和群众生活，，因此，在确定加固方案和作法时，要尽量减少对生产的影响或使用者的影响及搬迁。例如，尽可能在建筑特外围进行加固，在内部尽量减少湿作业，以减少对生产以及住户的干扰。

　　（4）由于高温、锈蚀、冻融、振动、地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏，加固时必须同时考虑消除、减少或抵御这些不利因素的有效措施，以免加固后的结构继续受害，避免二次加固。

　　（5）结构或构件加固除满足承载力要求外，还要有足够的抗震能力，不应存在因局部加强或刚度突变而形成新的对抗震不利的薄弱层或薄弱部位，同时也要注意由于结构刚度的增大而导致地震力增大所带来的影响。结构加固应满足抗震有关要求和提高结构的延性和整体性。

　　（6）加固设计除必须对结构的分析和承载力的校核和计算外，还要求构造合理连接可靠;加固方案应是切实可行、安全可靠、施工方便的，尽量减少施工难度;加固施工往往是在荷载存在的情况下进行，必须采取有效措施，如设置临时支撑、进行卸载处理等，防止和避免在加固施工中发生安全事故。

　　（7）加固确有困难或通过经济综合比较确实不合理，而原结构损坏又不严重时可采用改变结构用途或减少和限制荷载的方法进行处理.减载处理方法可改用轻质隔墙、轻质保温或隔热材料，上部结构改用轻钢结构;楼面的设备在工艺允许情况下合理挪位;减少或限制楼层的使用荷载等。

　　结论

　　总之，碳纤维增强塑料加固设计是项细致的工作，它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的，由于碳纤维材料的轻质、耐腐、高强及施工便利，在加固领域得到了大量应用。由于房屋加固受已有建筑各种条件的限制，应从实际出发，因地制宜，因陋就简，切实可行地进行设计，并绘制详细而完备的加固图纸，经审定后，再行施工。

　　参考文献

　　【1】王秋霞.世界复合材料强国与我国的复合材料现状及发展动向 《玻璃钢/复合材料》 1999 第1期

　　【2】张晓虎，孟宇，张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势《纤维复合材料》 2004 第1期