碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析

【摘  要】我国是碳纤维制造大国，中国拥有世界上最多的碳制造加工业，当今世界面临着环境日益恶劣的严重考验，各国都开始应用一些节能环保能源，随着我国的工业技术的不断完善，我国对于碳纤维加固的“反拱预应力技术”也越来越更加地成熟，碳纤维加固的“反拱预应力技术”在我国的许多工业都有着不可替代的应用技术，在某些轻工业中用途非常广泛，有着不可取代的作用，在钢结构作为主体的部分，碳纤维是整个结构的支架，鉴于此，笔者将对碳纤维的一些有关知识概念进行具体分析，以及重点描述碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析。

【关键词】碳纤维;加固;反拱预应力技术;钢结构承载能力

1.碳纤维基本特征介绍

碳纤维是目前研发出来的一种由有机纤维加热处理过后的高强度的化工合成材料，含有碳量在90%以上，有高稳定性和高强度性和材料轻盈的特点，不仅耐高温，而且减震性能良好，操作方便，使用起来用途广泛，已经获得了在钢筋水泥钢架桥的上应用，当然还有其他的化工用途，在许多的桥梁加固中也经常能看到它的身影，并且取得了人们的广泛好评，同时，国内外的许多专家科研单位对碳纤维的这种材质做了大量的理论研究，发现碳纤维在不同的领域都可以相互应用，而且发现碳纤维可以有效恢复化工结构材料同时提高桥梁等一些大型建筑物钢筋混凝土结构的承载力，多年来，我国的铁路桥的钢结构上经常会有破损出现，过去对于在铁路桥的钢结构修复与加固，我们都是通过焊接和增大截面的方法，但是这些方法都有一定的缺陷，不能完全弥补常年要经受风吹日晒的铁路桥的维护，而且这些方法施工难度较大，工艺复杂，耗费人力财力较大，使结构自重，造成更多的不可控安全因素，现在由于有了碳纤维的出现，科学家发现利用碳纤维可以更快有效的地恢复与提高桥梁等钢筋混凝土结构的承载力，通过我国的一些科研专家的不懈研究，结合即降碳，微合金化和先进的生产工艺技术，包括冶金工艺精炼，控热控冷以及必要时的热处理，这种由碳纤维生产出来的钢板有着优良稳定的质量，取代了传统的在铁路桥上利用焊接加固的形式。

随着我国对有些高复合材料的需求不断加大，碳纤维一直是人们关注的焦点，从玻璃纤维与有机树脂合成的玻璃钢问世以来，碳纤维也成功研制成功，发现这种材料材质轻盈，稳定性更强，同时经过不断的验证发现经过这种材料加固后的钢结构明显比之前更加牢固，有效地提高了钢结构的刚度与柔韧性，而且多了防高温的特性，但是这种材料也有许不足，碳纤维的横截面积较小，而且它的弹性模量与钢结构的弹性模量相近，于是在相同环境下经过压力的试验，发现两者的受压力与承载力几乎没有变化，导致这种结构受到的形变没有得到有效的减小。而钢结构是按照传统模式加工制造而成，一般在强度设计，刚材筛选方面没有过多要求，没有考虑材料的塑性承载能力，因而在现有的技术上采用碳纤维贴合钢结构的技术还不够完善，于是在这基础上，我们提出了一种全新的对钢结构加固的技术——“反拱预应力技术”。

2.如何进行碳纤维的加固

碳纤维加固是建筑加固工程中的一种常用的加固手段，可以运用到的地方很多，尤其是在建筑行业中，碳纤维加固越来越受到人们的喜爱，很多的施工单位都会优先选择碳纤维加固的方法，作为加固行业的宠儿，碳纤维加固有着很好的优势，那到底我们应该如何进行碳纤维的加固呢？笔者将碳纤维加固的方法进行探讨

2.1施工的准备阶段

在我们开始一件工作事情之前，都需要了解这件工作的所需要的基本材料与知识，同样地碳纤维加固也不例外，在进行碳纤维加固工作之前，我们首先要熟悉施工图纸，这样有利于后面加固施工的进行。通过对不同的施工要求和施工现场分析，对整体施工的材料选择也极具意义，在进行碳纤维的加固工作之前，我们首先也要做好准备工作。

2.2钢筋混凝土结构表面处理

在进行碳纤维加固处理的时候，我们要对加固的结构件进行表面进行一定程度的清洁处理，对破损部分和残缺部分进行完全的排除，保证粘贴表面的坚固性是符合可以粘贴碳纤维的基本要求，裸露的钢筋外面也要进行一定的杂物处理，加工的温度和适度的控制同样重要，环境的洁净是对碳纤维加固工程施工以后更好的保养作保证。

2.3涂抹结构胶

在进行碳纤维加固时，会运用到结构胶，我们需要按照说明书配制使用，按照比例混合均勻，粘贴碳纤作为加工工具的时候，需要有相对应的环氧树脂结构胶作为粘贴材料，为了保证粘贴的强度，以及粘贴的黏合度，需要底层的粘接剂完全地渗透到钢筋混凝土的表面结构种，在实际应用中，黏度要经过多次的实际测验来保证粘合程度符合安全范围。

2.4粘贴碳纤维布

在构件表面经过相应的清洁处理之后，要使用调配好的环氧树脂结构胶，将根据要求裁剪好的碳纤维布料进行粘接。手工粘贴过程中，应该用手轻轻粘贴于构件表面上，利用专用滚筒来实现气泡的排除。这一过程应该多次重复，从而保证树脂结构胶能够完全的和碳纤维布料充分的结合。

2.5 表面防护及碳纤维布表面处理

钢结构的一般养护时间为一到两周，当然，可以根据施工环境的特点适当延长或者缩短。根据当时温度的不同，来进行操作和检查，固化树脂结构之后，应该根据实际需求在碳纤维表面刷一层防晒漆或者防火漆，来保证工程的整体安全性。在碳纤维加固的时候，对于材料的选择也是很重要的，因为不同的碳纤维加固材料所起到的作用是有差别的，还有的就是不同品牌的碳纤维材料加固的效果是不一样的。碳纤维加固是需要按照施工步骤来进行的，这样可以确保加固施工的顺利完成，也可以保证碳纤维加固的质量。

2.6碳纤维加固的数学计算公式：

我们知道在传统的碳纤维加固的技术下，为了满足钢结构器材的结构强度，结构截面的最大应力与最大应变应该满足他们的数学表达如图1所示：

3.碳纤维的“反拱预应力技术”

碳纤维的“反拱预应力技术”是最新的一种科研技术，它主要是靠传统的外部作用力与碳纤维技术相结合起来，在具体实施的时候，考虑结构状态变化的基础上，给出了利用碳纤维加固的“反拱预应力技术”加强钢结构正截面上的预应力与应变分布的解析解，在理论推导上说明了该技术可以提高钢结构的承载力，首先利用合适的作用力对刚体表面结构进行可塑性形变，让结构产生反向变形，并在该变形的形态下面加工碳纤维，当碳纤维与钢梁等结构两者结合在一起，并可靠稳定后，撤掉施加压力的设备，该过程如图2所示。

4.钢结构承载能力测试

碳纤维加固的钢结构的钢材都要进行一定的钢结构承载能力测试，在该阶段的测试可以分为两个阶段，一种是由于反拱作用施加在梁或者钢结构上面的预应力，其数学表达式如图3表示（通过图二的三个计算公式可以求该次测试的预应力大小）;二是在荷载作用在钢结构上引起的应变作用，由于碳纤维与钢结构材料的弹性强度相似，所产生的形变量相似，即当材料达到最大的形变程度时，应变增加的同时，应力却保持不变，即在纤维应力达到纤维断裂程度的极限之前，认为该材料可以满足钢结构的最大承载力，因为一旦纤维断裂后便不再承受任何应力，而此次的钢结构的承载能力测试也就以失败而告终。

5.结束语

本文通过对碳纤维加固方法的介绍以及重点介绍“反拱预应力技术”，以及在碳纤维加固钢结构的承载力方面作了部分理论知识推导，通过理论知识推导发现，针对传统碳纤维加固钢结构的方法效果不明显的问题，将“反拱预应力技术”应用于碳纤维加固钢结构，给出了应用该技术加固钢结构极限承载力的计算公式，结果表明该方法可以作为钢结构加固的有效方法，显著提高钢结构的承载能力。

参考文献

[1] 孙宝俊：现代PRC结构设计.南京：南京出版社，1995

[2] 岳清瑞：我国碳纤维加固修复技术研究应用现状与展望.工业建筑，2001（10）：23-26

作者简介：张昊（1985.11-），男，汉族，甘肃人，本科，工程师（中级），研究方向为工业建筑结构类型（结构专业）。

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