选混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性

【摘要】混凝土本身作为建筑工程建设过程中至关重要的结构材料，目前已经被广泛的应用到了各种不同形式的建筑工程之中。但随着人们要求的不断提升，以及技术的发展，传统形式的混凝土已经无法更好的满足工程结构性能需求，而要让混凝土的结构性能有所提升，就务必要对相应的加固技术进行应用。本篇文章主要针对选混凝土结构碳纤维加固技术以及技术适用性进行了全面详细的探讨。

【关键词】混凝土结构；碳纤维；加固技术；适用性

通过高性能的纤维类型材料，例如碳纤维材料来对混凝土结构进行加固之后，混凝土所呈现出的耐久性更强，再无需增大结构截面的情况下，能够使得荷载性能大幅度提升，同时外观也不会有任何差异性。该碳纤维结构加固技术目前已经开始在抗震结构、抗剪结构、抗弯结构的加固中得到了应用。并且就实际情况来看，碳纤维加固技术本身实际上有着相对的适应范围，使用的过程中要依据实际情况来确定。下文主要对于选混凝土结构碳纤维加固技术以及技术性进行了全面详细的探讨。

1、碳纤维用于抗震加固

1.1工程概况和加固方案

某多层钢筋混凝土框架结构在完成施工后进行验收期间，明显发现有9根框架柱所呈现出的强度与工程要求不符合，其中的轴压比超过正常水准，根本无法切实有效的满足轴压比限值要求，针对该情况进行研究后，决定使用碳纤维布的方式对柱体进行加固。原因有两个方面：碳纤维包裹加固后，混凝土会受到环箍影响，提升轴心抗压强度；碳纤维包裹下呈现出的横向约束效果，能够极大的提升柱体本身在水平荷载下的延性。

1.2加固承载力和延性分析

经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。

原结构为800mm×800mm框架柱，层高3.6m。根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪承载力的提高可按下式计算：

VCFS=νρCFSfCFSbho

对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为：

VCFS=2νtfCFSho

式中，t为包裹的碳纤维厚度，fCFS为碳纤维的极限抗拉强度，ho为混凝土截面有效高度，ν为碳纤维布受剪系数，按下式计算：

式中n为轴压比，λ为剪跨比，λsv+λCFS为总配箍特征值。

设计混凝土强度为C40，按此计算，单根柱的抗剪承载力应为1312KN。对强度较低的3根柱，最低混凝土强度为28.3Mpa，未加固时的抗剪承载力为1031KN。包裹3层碳纤维，可算出承载力提高值为319KN，则加固后总承载力为1350KN，高于设计承载力。对另6根柱，最低混凝土强度为35Mpa，未加固时的抗剪承载力为1209KN。包裹2层碳纤维，可算出承载力的提高值为246KN，加固后总承载力为1455KN，也高于设计承载力。

根据有关试验结果，当轴压比确定时，碳纤维加固柱延性系数μ随强剪弱弯系数Vs/VM基本呈线性增长。当轴压比为0.48时，有如下拟合公式：

μ=-1.278+5.233Vs/VM

由上式可见，碳纤维抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系数就越大。

另外，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比有如下关系：

上式表明，当轴压比增大时，为保持延性系数不变，应适当增加配箍率。

按保守估算，对本工程假设由于混凝土强度降低导致柱轴压比增大值为0.3，则对应所需的配箍特征系数增量为0.066，本加固方案完全满足要求。

2、碳纤维用于楼板抗弯加固

碳纤维材料所呈现出的较高抗拉强度，实际上可以直接使用在混凝土的抗弯加固需求中。在抗弯加固中，纤维所粘贴的方向必须要完全和构件本身的主受力方向相同。此外，在对计算机采取结构抗弯承载力加固期间，还必须要对碳纤维带来的强度折减加以考虑。

3、碳纤维加固方法的适用性

通过以上的描述，能够明显看到的是，碳纤维材料能够直接使用到抗弯、抗震、抗剪等方面的加固中。但需要了解的是，由于碳纤维所呈现出的加固特性有受力的特点，这导致部分混凝土结构无法使用碳纤维加固，必须要针对其具体适用性加以探讨。

3.1刚度问题

在屋盖结构、混凝土楼本身刚度不足，并且变形量过大的情况下，将可能会给建筑安全带来隐患，而这类型的混凝土结构便无法使用粘贴碳纤维布进行加固处理。大量研究证据表明，某些梁板式横向受力构件，如果说使用碳纤维加固，那么所呈现出的刚度提升幅度不会超过10%，甚至没有任何提升。

3.2碳纤维抗弯加固的适用范围

在混凝土结构是由于抗弯承载能力无法满足各方面需求的情况下，需要直接使用碳纤维布材料进行加固的情况下，那么加固结构呈现出的破坏形态本身主要是在原结构的配筋参数下受到直接影响，而另外一方面情况下，则是由具体所使用的碳纤维量大小来决定。就目前阶段来说，在原结构本身为适筋构件形式的情况下，那么加固结构具体的破坏形态主要会表现在以下三个方面：

⑴碳纤维用量较少。在发生破坏的过程中，其受压区域的边缘，会由于碳纤维用量不足，而导致钢筋受拉之后，出现屈服现象，但利用加大碳纤维用量的方式，能够使得结构所承受的拉应变大幅度提升。

⑵碳纤维用量适中。在遭受破坏时，其结构边缘的混凝土会被压碎，受拉钢筋也完全屈服，通过对碳纤维的利用，可以使得结构本身达到一个中等的拉应变状态下。

⑶碳纤维用量较多。在遭受破坏影响的过程中，受压区域的边缘，混凝土会被直接压碎，同时钢筋在受拉影响下完全屈服，碳纤维在这一过程中所呈现出的应变性较差。

从以上三方面问题，能够明显看出的是，第三种情况下，由于过量的碳纤维使用，所呈现出的强度利用率并不高；第一种加固措施，能够使用在截面高度等级大的梁柱上，而第二类适中的添加方式，则可以使用在高度小的扁梁或者是板结构中。

3.3抗扭问题

对于碳纤维材料进行的混凝土结构抗扭加固方面，我国实际上还没有进行过多的研究。而仅仅从混凝土结构本身呈现出的破坏机理上进行观察来看，碳纤维的使用方向无论是与轴线平行还是垂直，都可以起到一定程度的扭转斜裂缝约束效果，达到结构性能加固的目的。

但在实际使用的过程中，其构件的裂缝实际上已经形成，裂缝走向也基本稳定；其碳纤维本身的极限应变能力虽然说能够达到10000με以上，但是普通的钢筋应用仅仅在不到2000με的状况下便会屈服，如果说应变达到4000με以上，那么裂缝宽度已经较大，结构破坏已经形成。所以，碳纤维具体呈现出的受扭构件加固效果还需要进行深入研究。

4、结论

综上所述，碳纤维加固法虽然能够强化结构本身的抗剪、抗弯、抗震等方面的性能，但是使用范围有所局限，进行相关强化能力计算期间，必须要将碳纤维的强度折减效果加以考虑。要注意的是，碳纤维加固技术无法使用在本身刚度不足的极限加固需求，即便是要使用，所呈现出加固效果和经济性也并不高，这方面的问题还需要全面深入的研究。