碳纤维加固技术在钢结构梁加固中的应用综述

高全发

摘 要：本文采用对损伤钢结构梁进行修复，这种加固方法可以有效地恢复结构承载力。粘贴碳纤维增强复合材料技术具有明显的优越性，优于传统的钢结构修复方法，碳纤维加固适用面广，节省空间，而且基本不增加。加固修复钢结构是一种先進的钢结构修复方法。提出了传统的钢结构修复方法以及存在的问题，总结了国内外对纤维增强复合材料粘结修复钢结构的研究状况，并对碳纤维加固修复钢结构技术可以有效提高钢结构梁承载力，以及钢结构梁的抗疲劳强度作用进行了介绍。

关键词：刚结构;质量轻;可塑性好

引言

钢结构是一种质量轻，可塑性好，可循环利用的建筑材料，在建筑工程中应用很广泛，而钢结构工程中，也面临很多问题，例如：设计方面不合理，施工方面不合理，有时钢结构建筑也会遇到自然灾害，这些因素对钢结构工程很不利。所以需要对钢结构进行加固设计。采用碳纤维加固设计有诸多优点：碳纤维的抗拉强度很高，而且具有超高的抗疲劳能力，可以与钢结构构件协同工作，能够有效提高钢结构梁的抗拉强度，承载力稳定性，以及抗疲劳能力。

1 加固技术在钢结构加固方面的优势

（1）碳纤维片材的比强度和比刚度都很高，采用较小尺寸的碳纤维片材就可以达到以往大尺寸金属板材的加固效果，而且新增加的碳纤维片材的自重很轻，对原结构不产生丝毫影响。（2）通过对钢结构缺陷的严重程度以及受力情况特点分析，采用合理的加固方法，这样不同的结构部位可以具有多种方法，利于统一设计。（3）对特别复杂形式的结构采用法加固是非常适用的。（4）在抵抗反复作用力产生疲劳损伤与腐蚀性物质的侵蚀方面，具有很大优势。（5）加固方法是一种无损加固方法。这种方法不需要破坏原有结构的完整性，基本上不削弱基体的承载能力，也不产生新的应力集中源和切断纤维体的原材料。它大大避免了损坏和开裂的可能性。

2 粘结修复技术在国内外的研究概况

目前来说，碳纤维加固技术应用已经相当广泛，我们知道，碳纤维加固混凝土以及碳纤维击鼓钢筋混凝土已经很常见，可见碳纤维加固技术在加固混凝土结构方面已经比较成熟，而碳纤维加固钢结构还处于初始阶段，碳纤维加固技术还有很大的发展空间，我们主要介绍国内外碳纤维加固技术在加固钢结构方面的发展。鉴定及加固技术在国外发达国家应用较早，且具有一定的理论研究成果。

2.1 国外研究现状

碳纤维加固技术在国外一些发达国家开始较早，最早始于20世纪80年代的日本等一些发达国家，是一种新型的结构加固技术，该技术是将碳纤维应用于土木结构，用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，与构件协同工作，从而大大改善结构构件的受力性能。

国外一些学者对碳纤维加固技术做出了诸多重大成果，Chajes et al采用四点弯曲实验法对一些钢筋混凝土梁完成了对用环氧粘结的玻璃纤维版来修不钢筋混凝土梁的实验。预测复合材料加固钢筋混凝土梁的应力应变，可以通过建立分析模型的方式来实现，Nanni et al引进了对用片加固的钢筋混凝土杆的设计程序An et al基于变形的协调性和力的平衡对矩形和T型梁建立了一个分析模型。

2.2 国内研究现状

我国碳纤维加固技术的研究开始于 1996 年左右，在 1998 年运用于工程实践。我国一些学者和研究人员在研究碳纤维加固混凝土和钢筋混凝土结构方面取得重大成果。

西南交通大学张世贤研究了碳纤维的性能特点，通过研究提出了采用碳纤维加固的简化计算方法——近似估算法。同时也研究了碳纤维加固的社会经济意义、适用性、耐久性等问题。在编写著作方面的研究，岳清瑞通过对应用碳纤维增强材料修复缺陷钢结构（CFSS）新技术的研究，编写了第一部此方面的著作。长安大学蒋红章研究了在初始几何缺陷存在的条件下压弯构件的极限承载力变化规律，并分析了在粘贴碳纤维增强材料对压弯构件极限承载力的影响及增强机理。

3 碳纤维加固钢结构梁可以有效提高钢梁的受弯性能

（1） 山东建筑大学赵考重教授等利用碳纤维片材和粘钢对钢结构受弯构件进行混合加固处理，有效地改善钢梁的受力性能提高了梁的承载力和刚度。碳纤维加固混凝土构件已经得到广泛的应用，赵教授通过验证了碳纤维加固钢结构受弯构件可行性。碳纤维有环氧树脂结合在一起后具有很高的抗拉强度，弹性模量与钢材相仿，适合和钢材结合在一起共同工作。本实验采用了在H型钢的受压区粘贴钢板条，在受拉区粘贴碳纤维片材， 对钢结构受弯构件进行加固的一种混合加固方法。加载方式采用分级加载，钢梁经历了弹性阶段，塑性阶段，破环阶段，并得出了何在-位移曲线。通过对实验结果的分析，可以得到，在强度方面，在H钢梁粘贴三层碳纤维片后，其承载力提高了25%。加固后，H型钢的承载力有所提高， 但纤维的强度不足。刚度方面：碳纤维强度高，弹性好，提高了钢梁的刚度，而且结构受压区增加了钢板条，结构的截面积增加。加固后虽然可以提高构件的承载力，但是提高的幅度是有限值的，主要取决于钢板条与型钢梁之间的粘结力以及钢板条的面积。

（2） CFRP（碳纤维增强复合材料）的特点弹性模量高，抗拉强度高， 耐腐蚀。Deng等通过采用CFRP对钢梁进行加固研究。通过控制CFRP的厚度和长度，加载方式采用跨中集中力和三分点集中力的加载方法。最终得出结论：同样厚度的CFRP，其长度改变对加固钢梁的刚度影响不大，但能提高钢梁的承载能力;CFRP长度过小，很容易发生钢材与胶层之间的界面剥离破坏;同样长度的CFRP，其厚度增加不一定能提高加固梁的承载能力， 因为CFRP厚度越大，其端部界面应力越大，会提前发生剥离破坏。

4 结语

碳纤维加固钢结构梁的方法是直接粘贴在受拉钢结构的底部，可使碳纤维和钢结构梁受拉部分共同受力，协同工作，有效提高了钢结构梁的承载力。对于形状不规则的钢梁，可将碳纤维网加工成各种形状，对于工字形钢梁，矩形钢梁，钢混梁等不规则钢梁都非常实用。对于受损的钢梁，采用碳纤维进行加固可有效恢复钢结构梁的刚度和承载力的损失，也可以有效保护钢结构梁免遭腐蚀。在将碳纤维粘贴到钢结构上的过程中，将碳纤维粘贴到钢结构受损部分的表面，通过胶带层将荷载传递到碳纤维结构上，以减少钢结构的损伤，防止裂纹继续扩展，从而延长钢结构的使用寿命。

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