碳纤维复合材料在建筑结构加固中的应用

【摘要】随着人类社会不断的进步和科学研究飞速的进步，建筑结构加固的方法也越来越多，施工模式也越来越简单实用。碳纤维复合材料作为一种用于建筑结构加固的新型材料，由于碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。

【关键词】碳纤维复合材料；建筑结构；加固；应用

一、碳纤维复合材料加固结构的原理

碳纤维复合材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。加固改善混凝土结构所用碳纤维复合材料主要分为两种：碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍，而弹性模量与钢材相当，某些（如高弹性）碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料；配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

二、碳纤维复合材料加固结构的作用

1.提高结构抗剪切能力。碳纤维包覆柱或墩时，由于碳纤维的横向约束作用使柱或墩的受力状态發生变化，进一步提高了抗剪切能力。特别时发生地震时，能有效地防止柱或墩出现脆裂性破坏。

2.加强结构抗弯曲能力。一般把碳纤维布粘在梁或板的底部后，当梁或板出现弯曲变形时，碳纤维布与梁或板内部的联合承受力，共同发挥作用，可有效地增强梁或板的抗弯曲能力。

3.增长结构使用寿命。由于碳纤维布包覆混凝土结构提升了结构的延伸性和承受力，同时又对建筑结构有防护作用，因此可以增长结构的使用寿命。

4.延迟裂缝出现，抑制裂缝扩散。当碳纤维布包覆混凝土结构后，大大提高了混凝土抗裂能力，延迟了裂缝的出现。当结构产生裂缝时，碳纤维布可有效地抑制裂缝继续扩散。

三、碳纤维复合材料在建筑结构加固中的应用

1.碳纤维材料结构加固适用范围

碳纤维材料可应用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、烟囱、筒体、壳体等结构部位；另外，砖砌体的某些力学性能也可以通过碳纤维材料进行加固。具体说来适用范围如下：利用碳纤维材料加固公路桥敦结构、对既有钢筋混凝土烟囱的加固；构件抗弯加固、梁柱构件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿断裂加固、砌体的抗震加固、承载力不足加固、楼房增层加固、框架柱轴压比超限加固、楼板裂缝加固、剪力墙开洞加固、楼面荷载增大加固、桥梁断裂、旧桥改修加固和水塔加固等等。

2.碳纤维片材可选用以下方式对建筑结构进行加固

在梁、板构件的受拉区粘贴碳纤维片材进行受弯加固，纤维方向与加固处的受拉方向一致；选用封闭式粘贴、U形粘贴或侧面粘贴对梁、柱结构进行受剪加固，纤维方向应与结构轴向垂直；采用封闭式粘贴对柱进行抗震加固，纤维方向与柱轴向垂；当有可靠依据时，碳纤维片材也可选用其它形式或其它受力状况的混凝土结构进行加固；采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应依据国家现行有关标准采用以概率理论为基础的极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算；钢筋和混凝土材料，依据检测获得的实际强度，依据国家现行有关标准确定其相应的材料强度设计指标；碳纤维片材应依据构件达到极限状态时的应变，按线弹性应力应变关系确定其相应的应力；碳纤维片材应选择厂家提供的不低于95%保证率的极限抗拉强度作为抗拉强度标准值；当使用粘贴碳纤维片材对结构或构件进行加固时，应考虑加固后对结构中其它构件或构件的其它性能可能带来的影响。如果不能在完全卸载条件下进行加固，应考虑二次受力的影响；在受弯加固和受剪加固时，被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应小于Cl5.使用封闭粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时，混凝土强度等级不应小于C10.

四、结语

碳纤维复合材料的耐久性好，抵抗酸、碱腐蚀的能力强，对原结构的影响较小，施工方便，具有其他加固方式无法比拟的优越性及良好的经济效益、社会效益和环境效益，随着碳纤维材料成本的降低及国内外研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景，也许在未来人类社会在材料应用上会从钢铁时代进入到一个碳纤维材料广泛应用的时代。

参考文献：

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[2]高笑娟，谢镭.碳纤维复合材料在结构加固中的应用现状[J].山西建筑，2006，（14）.

[3]李芝华，甘卫平，郑子樵，尹志民，谢佑卿，章四琪.建材用碳纤维复合材料应用的新进展[J].纤维复合材料，1998，（01）.

作者简介：

张蕾（1988—），女，汉族，浙江杭州人，德国莱比锡应用技术大学硕士，浙江同济科技职业学院，讲师，研究方向：建筑工程管理、建筑结构、结构加固材料。