碳纤维布加固预应力混凝土结构探讨

摘要：文章通过分析目前国内外碳纤维布运用研究情况，结合我国预应力混凝土结构的现状，阐述了结构加固的必要性。通过分析碳纤维布的施工流程来阐明碳纤维布加固结构的优缺点及其运用的必然性。

关键词：碳纤维布，预应力混凝土，结构加固

中图分类号：TV331文献标识码： A

1.碳纤维布加固结构国内外研究现状

建筑业是我国国民经济的基础产业，二十世纪五十年代以来，我国建筑业市场一直在持续稳健发展。随着时间的推移，建筑物也在发生逐渐的老化，而新建则成本较高，对结构进行加固进而延长建筑物的使用寿命是一种较为经济、实用的方法。有资料显示，改建加固工程与新建工程相比，可以节约投资约40%，缩短工期约50%，并且工程项目的投资回收速度比新建工程快3～4倍。

建筑业的发展一般都要经历几个阶段，首先是规模庞大的新建阶段，然后是维修与加固并重的阶段，最后是重点维修老建筑阶段。资料显示，我国目前已逐步迈向第二个阶段，因此，对结构进行维修加固是当前摆在我们面前不得不考虑的问题。碳纤维布加固结构具有很多的优点使得这种技术逐渐大众化。在国外，尤其是欧、美、日等国家，采用碳纤维布对结构进行加固的相关技术和规范都已经比较成熟。美国Marshall-Vega公司在二十世纪六十年代就已经生产出玻璃纤维用于混凝土结构，八十年代初纤维已被广泛用于沿海结构物中；1981年瑞典最早采用碳纤维复合材料加固Ebach桥，取得了较好的效果；1995年1月，日本阪神大地震以后，大量采用碳纤维织物加固受损的建筑物。我国2000年8月成立了纤维加固混凝土结构学术委员会，2003年5月1日《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》正式开始施行，2006年出版《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）将碳纤维加固法作为重要的章节。时至今日，我国的碳纤维布加固混凝土技术已经取得了长足的进步，近几年国内对碳纤维加固混凝土结构的各种性能做了大量的理论研究和试验验证，但是对于加固预应力混凝土结构的研究却少之又少。

2.我国的预应力混凝土结构背景

据有关部门统计，目前我国国内现存的各种建筑物中绝大部分为混凝土结构，而且至少有50%已经投入使用了20年以上。以大型桥梁为例，位于哈尔滨的松花江大桥桥龄113年，宁波的奉化江上灵桥桥龄78年，杭州的钱塘江大桥桥龄77年，武汉的长江大桥桥龄57年，南京的长江大桥桥龄46年。也就是说，很大一部分的建筑物已逐步走向老化阶段，结构的加固已是一个亟待解决的问题，并且，以后每年的建筑加固改造量也会逐年增大。因此，随着结构加固的进一步深入，如何进一步提高结构的加固质量、改良结构加固的施工方法直接关系着工程项目的成本与进度。

2008年以来，国务院出台十项措施拉动内需，其中最有效、最简便、最快速的一种手段就是加快重大基础设施建设，至此，各种高架桥立交桥等基础设施如雨后春笋般拔地而起，高架桥几乎成为一座座城市的象征。其受力结构很大部分都采用预应力混凝土结构。随着交通量的迅猛增长，许多原设计标准稍低的桥梁目前看来承载力明显不足；另外，许多桥梁结构被超高超重车撞坏，严重威胁运营安全；更多的是，随着时间的推移，一些桥梁受各种病害影响其强度、刚度发生严重的降低。当桥梁的受力构件不能提供足够的使用性能时，必须进行加固。

近几年来，越来越多的桥梁经历了或者正在经历大修阶段，武汉长江二桥属于预应力混凝土斜拉桥，于1995年6月建成通车。但由于桥梁负荷过大，已于2006年10月至2007年6月进行了大修。据楚天都市报报道，该桥由于桥梁长期超载超量超负荷运行，桥梁梁体已出现下弯变形、局部裂缝等病害，今年或将进行再一次的大修。广州市海珠桥于1950年3月25日开始重建，1974年12月扩建，形成预应力混凝土与钢桁架组合梁体系，该桥梁已在1995年5月至1996年9月间进行了加固与维修。但目前由于建造海珠桥的材料已经有100年历史，该桥梁已在2012年2月28日开始了为期18个月的大修加固。

3.碳纤维布加固结构的具体做法

由于粘贴碳纤维布所采用的树脂胶在高温和低温条件下性能比较差，碳纤维布粘贴时的条件通常情况下对气温有一定的要求，一般施工条件为5～35℃，以25℃为宜。

首先对结构基层进行处理，将混凝土表面打磨平整，不能有突出结构表面或凹进去的情况出现，因为这样会减小碳纤维布和结构的接触面积，对碳纤维布加固性能造成影响。通常情况下对混凝土结构漏浆或其他原因造成的部分结构部位突出的进行打磨处理，对蜂窝、麻面、烂根等部位的处理采用注入砂浆或注入环氧树脂修补处理，待表现干燥以后用水冲洗涂上基层处理剂。

接下来均匀地将粘贴剂涂在结构表面上后粘贴碳纤维布，粘贴面必须平整、光滑、紧密，不能存在气泡，以免影响结构受力性能。此外，碳纤维布与结构的共同承受荷载情况也受搭接区的影响，这相当于钢筋混凝土结构里的钢筋锚固长度的需求，因此搭接区的粘贴也是比较重要的工作，最好在粘贴过程中加以标记并保证好搭接长度。

以上工作完成以后将粘贴好的结构静置30分钟以上，保证环氧树脂和中间层粘贴层充分渗透和连接性能的形成。

最后对加固好的结构进行养护，养护中不要接触施工面。对于结构层有外观要求的业主可以要求在碳纤维布表面抹一层水泥砂浆，无外观要求的直接在表面涂刷一层保护膜，如树脂。

4.需要注意的问题

①碳纤维布与被加固结构之间的粘贴为理想化的考虑，即两者之间的粘贴性能良好，可以近似地认为两者之间在受力时没有相对位移，两者受到的应力应变情况符合同一材料受力规律。

②被加固结构在碳纤维布结构强度尚未形成时就发生的破坏，如钢筋混凝土结构破坏或加固结构的剥离等，此类破坏属于突然性破坏，施工过程中要尽可能地排除类似事件的发生。

③碳纤维布横向粘贴与竖向粘贴也会对结构造成一定的影响，如横向粘贴会对结构形成一个紧箍效应，因此，如何对加固方案进行调整使得既能满足加固的需求，又能获得一个比较好的经济效果，这也是一个值得进一步研究的问题。

5. 碳纤维布加固结构的优缺点

碳纤维布的抗拉强度可以达到4900MPa，是钢材抗拉强度的十几倍。

碳纤维布的弹性模量可以达到2.4×10∧5 MPa，也大于钢材的弹性模量。因此采用这种方式提高构件的抗弯刚度也比较大。

碳纤维布的耐腐蚀性强，在酸性、碱性和中性环境中的耐腐蚀性都比较强。

碳纤维布的操作比较简单，易于裁剪，施工适应性强。

当然，碳纤维布加固结构也有缺点，如预应力混凝土结构在施工和使用过程中会产生拱度，这种拱度实际上对结构使用本身是存在好处的，因为它能抵抗一部分荷载效应。而粘贴碳纤维布会对拱度的形成产生约束作用，对结构有所不利。

总而言之，碳纤维布以其不增加结构自重、不影响结构外观、不减小结构净空、不设置锚固构件、不损伤原有结构等众多优点，当仁不让地成为结构加固领域里的排头兵，因而这种加固方法在工程领域里值得推广。

参考文献

1. 委玉奇，贾云龙运用碳纤维布加固混凝土结构施工技术 低温建筑技术2011年第2期。

2. 李小峰浅谈碳纤维布加固混凝土结构的技术原理林业科技情报 2008年第3期。

3. 张准碳纤维布加固预应力混凝土梁的设计方法研究同济大学工程硕士学位论文 2007年7月。

4. 赖鉴铭碳纤维布在金华桥加固中的应用来源于百度文库。