碳纤维材料在结构加固技术中的应用

张春林 徐 华

(江苏吴中地产集团有限公司，江苏 苏州 215000)

碳纤维材料在结构加固技术中的应用

张春林 徐 华

(江苏吴中地产集团有限公司，江苏 苏州 215000)

介绍了碳纤维布与碳纤维板的材料特性，并对无预应力和预应力碳纤维加固方式进行了探讨，分析了建筑结构的二次受力问题，指出了使用碳纤维进行结构加固补强时需要注意的事项，为今后类似工程提供了参考。

碳纤维材料，结构加固，预应力

0 引言

建筑结构经常会由于建筑功能改变，地震等自然灾害对结构造成损害等，需要进行结构加固补强。在常用的加固方法中，碳纤维加固方法由于材料自身突出的力学性能，比重不到钢的1/4，材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上等，成为了应用较为广泛的一种加固材料[1，2]。外贴碳纤维材料对于提高所加固构件的抗弯强度、抗剪强度具有很好的加固效果。但碳纤维材料自身同时也具有材料的不足，因此在使用碳纤维材料对结构进行加固时需要进行仔细的分析和研究，选择合适适宜的加固方法和具体的加固材料。

1 碳纤维布和碳纤维板

在建筑结构加固工程中常用的碳纤维材料主要有两种，一是碳纤维布；二是碳纤维板材。这两种材料具有各自不同的材料特性。

1.1 碳纤维布

碳纤维布是一种单向碳纤维加固产品，通常采用12K碳纤维丝织造。具有两种厚度：0.111 mm和0.167 mm，多种宽度。用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固时，与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料，构成性能卓越的碳纤维布片材增强体系。具有强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸等优点。

采用碳纤维布进行结构加固补强便于现场裁剪施工和对有转角的构件进行转角。但是，由于其自身是纤维织布，需要在加固时增加碳纤维单向织物的树脂固化阶段，导致施工的工序和施工质量保证的难度的增加。

1.2 碳纤维板

碳纤维板是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型。采用优质碳纤维原料与良好的环氧树脂加工而成，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。制成的碳纤维单向板材能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量，在施工时可免除碳纤维单向织物的树脂固化阶段，强度利用效率高，施工方便，具有更高的施工质量保证。由于，碳纤维板出厂时已经固化，实际工程应用时，对于被加固构件的基面打磨平整度要求很高，否则不利于碳纤维板与加固构件的紧密贴合，影响加固效果[3，4]。

2 碳纤维材料加固的方案

目前采用碳纤维材料进行结构加固时常用两种方式，一种是无预应力的外贴方式，另一种是采用预应力的方式。

2.1 无预应力碳纤维加固

被加固构件的承载力提高程度不大，并且对于构件的开裂没有十分严格要求是可以考虑采用传统的无预应力碳纤维加固方法。该方法简单，不需要特殊的设备，但是对于结构承载力的提高程度不高，同时不能利用充分发挥碳纤维材料的抗拉承载力高的特性。

该方法加固时，首先应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整，并且对混凝土构件表面有裂缝的应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理；然后，按图纸要求将需粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面；最后，在清洗后干净的混凝土结构层涂抹专用的底胶，待底胶指触干燥后涂抹专用的碳纤维材料粘贴胶，将按设计要求裁剪好的碳纤维材料粘贴于结构的表面。

2.2 预应力碳纤维加固

碳纤维材料的强度约为钢材的10倍，而其模量基本上与钢材相等，因此传统的外贴碳纤维加固技术通常无法发挥碳纤维材料的高强度的性能。特别是对于受弯构件进行加固后，不能充分发挥碳纤维的高强度。因此，将预应力技术应用于碳纤维材料结合上成为了一个自然的选择。大量的研究表明：施加预应力后，加固构件的开裂弯矩、屈服弯矩增大，减小了构件的变形和截面应变，其极限变形远小于非预应力构件。对于加固后承载力增幅要求较大或者对加固后结构变形具有严格要求时，应考虑采用预应力的加固方法[6，7]。

采用预应力碳纤维加固方法，可以充分利用碳纤维材料的抗拉强度高的特性，增大结构的开裂弯矩，减小结构的变形。但是，该方法需要特殊的张拉设备和碳纤维材料的锚固设备，对设备和人员要求较高，增加了施工的难度。

3 二次受力问题

在实际工程中，通常会涉及对现役结构和在建结构进行加固补强。二者的不同在于，二次受力问题对前者的影响更为明显，进行计算时需要考虑初始弯矩的影响。

对在建结构进行加固补强时，正常使用荷载还没有完全作用于结构上，初始弯矩较小，导致结构变形和截面应变较小，忽略二次受力的问题不会带来严重的计算误差。

对于现役结构，荷载的长期作用，结构的变形和截面应变较为明显，而碳纤维材料自身具有高强度，低模量的特点。在初次弯矩作用下，结构剩余的变形能力不多，此时，若忽略二次受力的影响，则会导致计算结果远大于加固后结构的实际承载力。对于这种情况下，需要从两方面考虑：

1)加固设计时，考虑二次弯矩的影响，计算初始弯矩作用下结构的变形和截面的应变；2)在加固施工时，对结构进行卸载，恢复部分变形能力。

4 结语

碳纤维材料是一种十分优秀的加固材料，广泛应用于结构加固工程中，在实际应用时需要考虑碳纤维布和碳纤维板材料性能不同，并且对采用不同材料性能时的加固方式的选择给出了一些建议，同时讨论了碳纤维材料加固设计时被加固构件的二次受力问题。文中给出的建议都是在假定碳纤维布与混凝土面之间没有相对滑移的条件下得出的，因此碳纤维布与混凝土基面之间的剥离需要进行控制。

[1] 吴 刚，安 琳，吕志涛.碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加

固的试验研究[J].建筑结构，2000(7)：45-47.

[2] 邓宗才.碳纤维布增强钢筋混凝土梁抗弯力学性能研究[J].中国公路，2001(2)：45-51.

[3] 尚守平，彭 晖，童 桦.预应力碳纤维布材料加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J].建筑结构学报，2003(5)：46.

[4] 丁亚红，张春生，曾宪桃.内嵌CFRP筋抗弯加固混凝土梁试验研究[J].钢璃钢/复合材料，2009(4)：56.

[5] 杨力彬.碳纤维布(CFRP)在建筑物结构加强中的应用[J].山西建筑，2012，38(15)：40-41.

[6] Meier U.Fiber-Reinforced-P1 astic Reinforcement for Concrete Structures，1993.

[7] Thanasis C.Triantafilllou Shear strengthing of reinforced concrete beams using epoxy-bonded FRP composites，1998.

The application of carbon fiber materials in construction reinforced technology

ZHANG Chun-lin XU Hua

(JiangsuWuzhongRealEstateGroupLimitedCompany,Suzhou215000,China)

This paper introduced the material characteristics of carbon fiber sheet and carbon fiber plate, and discussed the non pre-stressed and pre-stressed carbon fiber reinforcement methods, analyzed the secondary force problems of building structure, pointed out the matters should pay attention to in using carbon fiber to make structure reinforcement, provided reference for future similar project.

carbon fiber material, structure reinforcement, pre-stressed

1009-6825(2014)11-0053-02

2014-01-24

张春林(1979- )，男，工程师； 徐 华(1977- )，男，工程师

TU381

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