碳纤维加固在钢筋混凝土结构中的应用

摘要：碳纤维增强塑料（简称CFRP），是一种新型的工程建筑材料，目前在土建加固工程中运用十分广泛。本文对CFRP约束钢筋混凝土结构在承载状态下的力学性能进行了分析，以及CFRP加固钢筋混凝土结构的适用范围、施工技术、施工要点。

关键字：碳纤维加固,钢筋混凝土,抗拉强度

中图分类号：TU511.3+2文献标识码：A

0 前言

在实际加固工程中，因设计失误、施工不当或使用功能改变等，造成的结构或构件不能满足现行规范规定的正常设计使用要求，要使其结构或构件能够继续安全、正常的使用，则必须采取一定的措施进行补强修复。由于碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构具有较好的物理力学性能、抗化学腐蚀、承载力高、施工简单，在结构补强加固上得到了广泛应用，下面就该加固技术进行介绍。

1 钢筋混凝土结构CFRP加固机理分析

1.1 钢筋混凝土结构CFRP加固原理

钢筋混凝土结构在承受轴向压力时，构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的，如能在构件四周创造横向约束，以阻止受压构件的这种横向扩张，从而提高构件抗压承载力和变形能力。

碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构就是在结构混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用，（它们之间的相互作用力称为界面约束应力）受横向界面约束应力的作用，塑性区的核心混凝土处于三向应力状态，与单向受力状态相比，混凝土的极限压应变和承载力会提高，在结构弯曲承载力没有明显下降的情况下，并不考虑失稳的影响，加固后钢筋混凝土结构具有较大的延性变形与耗能能力。

1.2 钢筋混凝土结构在CFRP包裹作用下的应力分布情况

1) 由于CFRP对钢筋混凝土结构的横向约束后使CFRP形成轴向拉伸应力，而CFRP的抗弯能力极弱（一般不考虑），矩形结构在CFRP包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆结构而言大大降低，主要由于侧向约束应力不均匀。矩形结构边中央侧向约束弱，拐角处侧向应力集中约束较大，结构边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土结构的横向约束应力才能极速增长。

2) 由于CFRP对钢筋混凝土结构的约束为界面约束，只有当混凝土向外横向扩张时（产生塑性变形）CFRP方能对混凝土产生约束应力，因此结构环向的外包CFRP在承受荷载时表现出两阶段的受力过程：第一阶段，混凝土轴向压应力较小，横向变形较小，CFRP受力较小；第二阶段，随着荷载的增加，结构混凝土变形增大，CFRP环向应力显著增长，环向约束力迅速增加，直到当CFRP达到其极限拉伸应变时发生断裂。

3) 约束混凝土与无约束混凝土应力—应变关系

CFRP对混凝土产生约束应力、应变值的提高幅度，与使用CFRP材料的规格、粘贴形式、粘贴层数有关，应通过试验确定。

图1 力—应变关系图

2 碳纤维加固的主要特点和存在问题

2.1 碳纤维加固的主要特点

1) 高强高效。由于FRP 优异的物理力学性能,在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性, 改善其受力性能, 加固后不增加结构体积和自重, 而且不改变结构外观。

2) 便于施工。工序简单, 不需要大型施工设备及吊装机械, 没有湿作业, 施工进度快、工期短, 可在现场剪裁、粘贴, 不受结构表面形状限制, 特别适合于曲面、弧面、环管结构加固, 施工质量易保证。

3) 耐久性好。FRP 多具有优异的化学稳定性,使经过补强和维修的结构具有的抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力。具有足够的适应气温变化的能力, 延长结构寿命; 耐疲劳性能好, 特别适用于桥梁类结构经常承受往复荷载、移动荷载的作用。

4) 适用面广。由于纤维材料是柔性的, 粘贴CFRP 加固修补混凝土结构可以广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补,这是目前任何一种结构加固方法所不要比拟的。

2.2 碳纤维加固研究及应用中存在的问题

碳纤维材料用于加固混凝土结构, 已经在许多工程应用上体现出其优越性, 但碳纤维材料也有其自身的缺点:

1) 碳纤维材料与钢材相比有较高的强度, 但在实际工程中在棱角和构件表面曲率较大的部位容易出现应力集中, 不能对核心混凝土提供均匀有效的约束, 破坏时碳纤维往往在角部率先断裂, 而不能充分发挥其高强的性能。

2) 碳纤维是一种脆性材料, 大部分的碳纤维产品的弹性模量较低, 仅为钢材的5% -50%, 与未加固混凝土结构相比其破坏更为突然。

3) 碳纤维材料的抗剪强度、层间抗拉强度和层间抗剪强度非常低, 这使得碳纤维构件的连接成为突出的问题。粘结材料则依然是碳纤维加固的薄弱环节,连接部位都是整个构件的薄弱环节; 构件加固后极限状态下的破坏形式多数是粘结破坏。

4) 与混凝土相比, 一般碳纤维材料的防火性能较差。临界温度为300℃左右, 而且部分树脂材料有可燃性。

5) 目前对碳纤维加固后结构的长期受力性能、耐久性以及各种恶劣气候环境条件下的性能及可靠度、适用性等问题还研究得不多。

6) 尽管我国碳纤维加固技术的研究已经取得大量的研究成果, 在具体的设计、施工、质量检验等环节缺乏该项技术的标准与规程, 大大地限制了该技术在国内的发展。为此急需建立完整可靠的标准试验方法及设计、施工规范。

3 碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构的技术及施工要点

3.1 适用范围及工况要求

碳纤维加固钢筋混凝土结构适用于圆形结构或小截面矩形结构（截面边长一般小于800mm），在未失稳状态下能大幅提高钢筋混凝土结构的轴压承载能力。加固的前提条件是构件的核心混凝土未被破坏，尚具有一定的承载和变形能力。

3.2 碳纤维外包钢筋混凝土加固技术

3.2.1 前期准备

在实际工程中需要加固的结构子总是在不同的工况下工作，钢筋混凝土结构在加固前，需要对构件采取一定量的卸载工作。构件表面清理，清除表层混凝土浮浆及松动的混凝土，修复构件表面缺陷或不平整（高一级的混凝土或高标号砂浆），矩形结构还须倒角处理以缓解角部的集中应力，倒角半径不小于20mm。

3.2.2 混凝土表面粘贴CFRP

根据混凝土补强要求和试验情况，可采用单层或多层CFRP箍带间隔加固或全截面外包加固的方法。

CFRP粘贴胶均为有机胶（特殊设计的环氧树脂），无机胶尚在研发阶段。构件加固质量的优劣与粘贴胶有直接影响，目前市场的粘贴胶，根据权威部门调查不容乐观，因此粘贴胶施工前的检测至关重要。

CFRP粘贴程序：刷底层粘贴胶粘贴第一层CFRP纤维布环氧树脂浸渍CFRP纤维布若采用多层CFRP粘贴，则重复上述工序。

3.3 加固施工要点

1) 钢筋混凝土结构加固前的卸荷，此项工作往往被忽视，混凝土构件在负荷外包CFRP时，外包CFRP相对于混凝土结构表面存在应变滞后，常发生CFRP尚未被拉断混凝土已被压坏的情况，这种效应使得CFRP的补强效果降低，不能充分发挥CFRP的高强抗拉性能。

2) 矩形结构拐角倒角的半径不得小于20mm，结构侧最好修成外凸面，减轻角部CFRP的集中应力，很多试验表明即使如此CFRP的破坏仍然发生在拐角部位。

3) 混凝土构件表面的修复工作极为重要，其直接影响CFRP对混凝土横向约束效果。

4 结论

1）碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构，能使混凝土承受轴向受力状态变为三向受力状态，约束混凝土的承载力和变形能力得到提高，特别对轴压比不能满足抗震设计规范要求的钢筋混凝土结构加固效果比较明显。

2）提高塑性铰区的承载力及延性，钢筋混凝土结构在地震荷载的重复作用下，上下端会首先出现塑性铰区，承载能力及延性迅速下降，用CFRP进行缠绕加固后，塑性铰区核心混凝土受到约束极限强度及变形能力大幅提高。

3）施工技术含量低、工艺简单，约束效果好、抗腐蚀能力强，只需保护不需要保养。

4）碳纤维CFRP加固技术并非万能“处方”，有其缺点：有机胶的耐高温性能差，高温环境及防火等级要求高的建筑不能使用；不规则或大截面矩形结构应有条件使用。

参考文献

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