碳纤维布加固技术研究现状

尹云厅

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

碳纤维布加固技术研究现状

尹云厅

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

碳纤维增强塑料(CFRP)在土木工程中的应用是目前国际土木工程领域研究开发的一个热点，为此，从CFRP的材料、技术研究与开发、市场等角度对国内CFRP加固修复土木建筑结构的研究与应用进行了总结与回顾，同时对其今后的发展与应用前景进行了展望。

碳纤维增强塑料；FRP；加固修复；结构

纤维增强塑料(简称 FRP) 在土木工程中的应用近几年来一直是国内外土木工程界研究的一个热点，FRP的含义很广，它指近年来开发出来的各种高科技纤维材料，其中碳纤维布增强聚合物（简称CFRP）是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟、也是用量最大的一种高科技纤维材料。

1.研究应用现状

1.1 碳纤维增强塑料(CFRP)的材料类型

可用于土木建筑结构加固修复的CFRP材料形式有很多种,从国际上看,在长纤维的 CFRP中,用于结构加固修复最多的材料形式是片材,其次是棒材。在片材中,布状材料(即在使用前不浸润树脂,在施工过程中再给予浸润)使用量最大,每年达近200万m2,折合碳纤维约5×105～6×105kg,且技术最成熟,美国、日本等国均已有了标准规范。板材的使用量依然较小,但由于该种形式的CFRP利用效率高,近年使用量增长很快。CFRP棒材可用于结构加固,也可用于新建结构中,在结构加固中主要用于桥梁的体外预应力加固,由于其良好的耐腐蚀性,极高的耐疲劳性能以及易于施工等性能,近年来其用量正逐渐增长,研究成果也很多,一些国家已有了正式的标准规范。型材中有应用实例的网格型材,但用量较少。其它类型材在土建结构加固上的应用基本没有,但有研究实例报道,类型材在新建结构或特殊类结构中会有所应用。特殊构造用型材是片材、棒材及型材在实际中的补充,目前仅有大量使用CFRP的国家和地区才有。

我国目前对CFRP布材进行了大量研究,对板材的研究较少,对棒材的研究也有少数单位正在进行之中,对其它形式的CFRP材料用于加固修复结构的研究及其应用尚未见报道。

1.2 碳纤维布加固后梁的抗剪能力

混凝土梁在受力过程中是带裂缝工作的，梁抗剪能力的发展实质上就是混凝土和其内钢筋共同抵御裂缝发展的过程碳纤维布与箍筋类似，它从以下个方面提高梁的抗剪能力：

（1）部分剪力由与裂缝相交的碳纤维布承担。

（2）碳纤维布的约束限制了斜裂缝的扩展，并减少其向受压区的延伸，在增大的荷载下，“混凝土悬臂”的长度不会变长，锚固端也不会变化，抗弯能力得以保持。

（3）可以限制裂缝的加宽，使裂缝两面能够保持紧密接触，使骨料咬合力能继续发挥作用。

（4）可阻止混凝土沿纵向钢筋的劈裂，提高了销栓所承担的剪力。

随着斜裂缝的加宽和延伸，碳纤维布上的应力将不断增大，但即使在同一条碳纤维布上，应力分布也不是均匀的，在裂缝区，有一部分的应力集中现象，假如以碳纤维布上的平均应力来进行设计，必然会高估碳纤维布的抗剪能力，因此在裂缝处的应力集中的影响必须在设计中有所反映

1.3 碳纤维加固结构施工特点

碳纤维加固结构技术是利用碳纤维材料的特性，将碳纤维粘贴在结构表面，从而起到对结构的加强作用。在实际施工过程中，碳纤维既可以单层粘贴也可以多层粘贴，还可以缠绕。对于各种不同类型的节点、不规则的部位，都可用碳纤维进行加固处理。在桥梁加固运用中，可粘贴在混凝土梁的顶面或底板上，用以提高梁的挠曲强度和刚度；也可粘贴在梁的腹板上，用以提高其抗剪强度；还可以将碳纤维缠绕在节点部位以满足抗震设计的要求，具有高强高效、施工便捷、周期短等特点。

在碳纤维结构技术应用中，影响加固质量的因素主要有两方面，一是碳纤维材料的抗拉强度，二是粘贴碳纤维材料用粘结剂的剪切强度。碳纤维和混凝土的粘结质量直接影响加固效果加固后，碳纤维与混凝土之间不能有气泡，不能起鼓。另外，碳纤维布是一种可任意曲折的纤维布材料，施工不受加固长度的影响，适应面广。以上优点将使碳纤维加固结构技术在国内未来的加固行业中起着越来越重要的作用。

2.碳纤维与钢板复合加固技术

随着结构加固补强技术的不断发展，粘贴钢板和碳纤维(CFRP)加固修复混凝土结构已广泛运用，对这 2种加固方式加固混凝土受弯构件的抗弯性能和使用性能研究已有了一定成果。根据以往研究可知，这2种加固方式各有其缺点，CFRP加固梁的延性大大降低，粘贴钢板加固梁对受拉钢筋屈服后的抗弯承载力提高有限。因此，将这2种加固方式结合，发挥各自优势，共同协调工作是一种行之有效的方法。

同济大学的熊学玉等过1根原梁、3根碳纤维与钢板复合加固梁和3根碳纤维加固粱的受弯性能试验，研究碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土粱的裂缝发展机理及裂缝宽度计算方法。研究表明，加固粱的裂缝阅距和裂缝宽度均小于原梁，但次生裂缝有所增加；复合加同梁的裂缝发展速度比碳纤维加同梁缓慢，说明复合加固的限裂作用优于碳纤维；随着负载的增加，加固粱裂缝的发展速度加快，限裂作用随之减弱，最大裂缝宽度曲线出现突变，说明负载降低了加固的限裂作用，但负载对复合加固限裂作用的影响比碳纤维加固小。

武汉大学的卢亦焱第通过22根加固混凝土方柱的轴心受压试验，研究了碳纤维布和角钢以及两者复合加固后混凝土柱破坏特征、受力性能和破坏机理。对不同方法加固的混凝土柱的极限承载力、应力-应变关系以及刚度和延性等方面进行了研究与分析。试验结果表明，复合加固混凝土柱充分发挥了碳纤维布和角钢加固混凝土柱的各自优点，使它们能协调工作，共同作用，获得极为优良的力学性能。极限承载力大幅度提高，混凝土柱的延性得到显著的改善，混凝土柱的变形能力大大提高。可为工程应用提供参考。

3 ．结论

FRP用于土木建筑已是国际土木工程界的一个热点,由于其优异的材料及其使用性能,其应用范围与使用量正以惊人的速度增长。FRP作为一种新型的有发展潜力的建筑材料,并不是要取代传统的建筑材料---钢材与混凝土,而是作为传统建材的一个重要补充,CFRP也同样如此。就国内外发展情况而言,在近2～3年内国内在CFRP的应用上必将得到更快速地发展,主要体现在以下几方面:

(1)研究开发。在今后几年内,国内将有更多的学校和研究单位加入到CFRP研究开发中来,从而使我国在该项技术领域得到更快速地发展。在2～3年内中国将能够形成自己的研究应用体系,更加重视一些基础性的研究,标准规范也将初步形成自己的体系。

(2)产品国产化。CFRP的应用材料将能够在1～2年内完全实现国产化,粘贴树脂将会形成配套的系列产品。

(3)材料使用量。在今后一段时间内,国内用量最大的CFRP产品仍将是片材,两年以后预计将达到每年20万m2以上,折合碳纤维达6×104kg以上的用量,棒材将有一定的应用,但数量不会很大,工程造价将会在现有水平上降低50%～80%。

[1]熊学玉，徐海峰.碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁裂缝的试验研究.中国铁道科 学.2012,5（3）:21-27

[2]葛凯，牛斌.碳纤维技术在桥梁加固工程中应用的探讨.中国铁道科学.2006, 7(4):51-55

[3]尚守平，彭晖.预应力碳纤维布材加固混凝土梁受弯性能非线性分析.工程力学.2006,11(11):85-98

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1007-6344（2016）07-0342-01

尹云厅（1993-）男 汉族 四川 硕士研究生 重庆交通大学 桥梁加固方向