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　摘要：本文主要介紹FRP復(fù)合材料與混凝土結(jié)構(gòu)的加固受力基理、碳纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件受力分析以及例證說(shuō)明碳纖維加固在實(shí)際中的運(yùn)用。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維加固；結(jié)構(gòu)

　　前言：混凝土結(jié)構(gòu)由于多種原因需要進(jìn)行修復(fù)與加固，F(xiàn)RP復(fù)合材料具有受力明確、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，因此在實(shí)際中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。本文主要對(duì)FRP復(fù)合材料中的碳纖維對(duì)混凝土加固進(jìn)行分析介紹。

　　1.FRP復(fù)合材料加固技術(shù)簡(jiǎn)介

　　混凝土結(jié)構(gòu)是建筑業(yè)最常用的建筑結(jié)構(gòu)形式。在以往的混凝土結(jié)構(gòu)往往由于多種原因需要進(jìn)行修復(fù)與加固，如設(shè)計(jì)失誤、施工質(zhì)量控制不嚴(yán)、材料質(zhì)量不符合要求、使用功能改變、遭受自然災(zāi)難、受腐蝕性環(huán)境的影響等等。因此，土木工程界一直致力于研發(fā)加固修復(fù)混凝土的材料和技術(shù)。FRP復(fù)合材料加固技術(shù)是用膠粘劑把FRP粘貼在構(gòu)件外部進(jìn)行加固以提高構(gòu)件承載能力的加固技術(shù)。目前，纖維增強(qiáng)聚合物（fiberreinforcedpolymer，F(xiàn)RP）復(fù)合材料加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在世界范圍內(nèi)相當(dāng)廣泛。

　　FRP復(fù)合材料是以纖維（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂（如不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯酯）為基體材料，并摻入適量輔助劑（如引發(fā)劑、促進(jìn)劑等）經(jīng)成型技術(shù)形成的一種新型復(fù)合材料。根據(jù)纖維增強(qiáng)材料種類，F(xiàn)RP復(fù)合材料可分為碳纖維增強(qiáng)聚合物、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物和芳綸纖維增強(qiáng)聚合物。

　　在FRP復(fù)合材料中，纖維起增強(qiáng)作用，承受大部分荷載，使復(fù)合材料顯示出較高的抗拉強(qiáng)度和剛度。基體與增強(qiáng)纖維通過(guò)界面連接在一起，基體將荷載經(jīng)界面?zhèn)鬟f給纖維，不僅能夠充分發(fā)揮纖維抗拉性能優(yōu)異的特點(diǎn)，還能起到使荷載均勻分布和保護(hù)纖維免遭外界損傷的作用。通常增強(qiáng)材料是具有強(qiáng)結(jié)合鍵的物質(zhì)，對(duì)于硬質(zhì)材料如玻璃、陶瓷等，其內(nèi)部常含有裂紋，輕易斷裂，具有脆性，不能發(fā)揮結(jié)合鍵強(qiáng)的特點(diǎn)。但假如將硬質(zhì)材料制成具有一定長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)纖維，則由于纖維的尺寸小，在其中出現(xiàn)裂紋的幾率以及裂紋長(zhǎng)度減小，脆性得到改進(jìn)，強(qiáng)度顯著提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP加固梁、板、柱等構(gòu)件的受力性能已進(jìn)行了大量的研究并且還在如火如荼地開(kāi)展，研究?jī)?nèi)容涉及構(gòu)件的抗彎性能、抗剪性能、抗壓性能、抗震性能、粘結(jié)方式及錨同技術(shù)等許多方面。在地震區(qū)，F(xiàn)RP復(fù)合材料是一種非常有效的加固材料，通過(guò)FRP的橫向約束可以提高橋柱、混凝土柱的強(qiáng)度及延性，提高墻體的承載能力、變形能力、抗裂能力，最終提高其抗震能力。

　　FRP復(fù)合材料加固技術(shù)中，目前使用較為普遍的技術(shù)為碳纖維增強(qiáng)聚合物加固，以下稱為碳纖維加固。采用碳纖維加固技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1.1強(qiáng)度高。碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度一般都在3500MPa以上，遠(yuǎn)高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。因此它的比強(qiáng)度可達(dá)到2000MPa/g/cm3以上，而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59MPa/g/cm3左右，比模量也比鋼材高。

　　1.2施工簡(jiǎn)便、快捷。使用碳纖維加固構(gòu)件不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟(jì)性好。

　　1.3抗酸堿鹽類介質(zhì)的腐蝕，應(yīng)用面廣。加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性，可以應(yīng)用于各種工作環(huán)境的構(gòu)件加固。

　　1.4可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

　　1.5易于保持結(jié)構(gòu)原狀，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸。

　　2.碳纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件受力分析

　　2.1碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件。

　　鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過(guò)將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)，代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂前，碳纖維的應(yīng)變很小；在混凝土開(kāi)裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速加快，其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。

　　2.2碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件。

　　鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構(gòu)件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構(gòu)件屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展緩慢，所達(dá)到的最大應(yīng)變值也較小；在構(gòu)件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展加快，應(yīng)變值要高于箍筋的應(yīng)變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應(yīng)變發(fā)展緩慢。

　　2.3碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。

　　應(yīng)用碳纖維對(duì)混凝土柱進(jìn)行抗震加固，是通過(guò)用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來(lái)提高其延性而實(shí)現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對(duì)其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，這種約束是被動(dòng)約束，隨著混凝土柱軸向壓力的增大，橫向膨脹促使外包碳纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長(zhǎng)，從而提高側(cè)向約束力。約束機(jī)制取決于兩個(gè)因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過(guò)程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點(diǎn)在素混凝土峰值應(yīng)力四周；第二階段，構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增長(zhǎng)，環(huán)向約束力增加，混凝土極限壓應(yīng)變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構(gòu)件的延性。

　　3.碳纖維加固鋼筋混凝土技術(shù)實(shí)際運(yùn)用實(shí)例

　　目前國(guó)內(nèi)碳纖維布加固在工程上的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)階段，本章介紹了碳纖維布應(yīng)用于受彎受剪構(gòu)件的加固工程情況。

　　3．1某高層綜合樓

　　<一>、工程概況

　　該工程為18層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在七、八層有6根框架梁存在嚴(yán)重的施工質(zhì)量問(wèn)題，梁截面尺寸為200mm×700mm，梁長(zhǎng)8000mm，現(xiàn)場(chǎng)

　　檢測(cè)存在問(wèn)題如下：

　　l、表面存在許多蜂窩麻面并有多條溫度收縮裂縫。

　　2、原設(shè)計(jì)砼強(qiáng)度為C30，實(shí)測(cè)砼強(qiáng)度在C20．C30之間。

　　3、個(gè)別梁下部有露筋現(xiàn)象。

　　<二>、加固處理方案

　　該工程是因施工質(zhì)量低劣而影響構(gòu)件強(qiáng)度的，由于業(yè)主對(duì)使用空間及加固后外觀有較高要求，且要求施工工期快，以減少負(fù)面影響，所以經(jīng)多種方案比較選擇方案如下：

　　對(duì)框架梁裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，并在梁底部及側(cè)面粘貼碳纖維布以提高框架梁的抗彎及抗剪承載力，材料采用日本進(jìn)口FTS．C1．30及配套膠體。

　　<三>、計(jì)算方法

　　梁砼按C20考慮，經(jīng)復(fù)核建筑情況進(jìn)行計(jì)算，梁受彎承載力需提高15％，沿梁底通長(zhǎng)粘貼一層300寬的碳纖維布，可提高梁抗彎極限承載力20％，滿足設(shè)計(jì)要求：

　　粱的抗剪設(shè)計(jì)參照日本有關(guān)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)梁的實(shí)際情況，在梁兩側(cè)粘貼250mm寬U形碳纖維箍（間矩600mm），U型箍外則貼200mm寬壓條進(jìn)行錨固。經(jīng)計(jì)算，加固后可滿足梁的抗剪承載力設(shè)計(jì)要求。

　　<四>、加固過(guò)程

　　第一步：先對(duì)框架梁進(jìn)行基層處理，鑿除混凝土表面劣質(zhì)疏松的部分，對(duì)于要粘貼碳纖維的部位采用角磨機(jī)反復(fù)打磨，去除表面的雜質(zhì)，并將凸起部位磨平之后，用吹風(fēng)機(jī)將附在表面的灰塵吹凈，最后用棉紗擦拭干凈。

　　第二步：對(duì)進(jìn)行灌漿處理，灌縫材料為實(shí)驗(yàn)配制的膠體。由于其粘接強(qiáng)度很高，因此可以通過(guò)注漿灌縫來(lái)恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性。

　　第三步：在混凝土表層處理完成后，刷涂底膠，待指觸干燥后用環(huán)氧類膩?zhàn)覨E修補(bǔ)粘貼面。

　　第四步：粘貼碳纖維布之前先確認(rèn)FE的干燥程度，其完全固化后即可開(kāi)始粘貼，先貼梁底共分三段粘貼，搭接處在1／3梁跨部位，然后粘貼U型箍，最后為確保U型箍的錨固質(zhì)量，在梁側(cè)通長(zhǎng)粘貼200mm寬碳纖維壓條。

　　<五>、結(jié)論

　　此項(xiàng)工程的加固結(jié)果表明碳纖維布可以有效地解決目前鋼筋混凝土工程施工質(zhì)量差的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)碳纖維布的加固補(bǔ)強(qiáng)，提高了結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性，而且在加固施工過(guò)程中不需要任何大型機(jī)具和濕作業(yè)，施工場(chǎng)地面積小，基本上在正常作用狀態(tài)下就可完成，其綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于粘鋼具，具有廣闊的應(yīng)用前景.

　　另一工程加固實(shí)例：某工程樓面梁加固實(shí)例，由于使用功能改變，現(xiàn)荷載比原設(shè)計(jì)荷載大35%，通過(guò)計(jì)算復(fù)核：樓蓋梁不能滿足使用要求，對(duì)梁進(jìn)行基層處理清除雜質(zhì)，涂底膠二遍，加固粘貼過(guò)程同上。處理結(jié)論表明：采用碳纖維布進(jìn)行加固處理，技術(shù)先進(jìn)、施工方便快捷，與目前同類產(chǎn)品加固技術(shù)如加大混凝土截面和粘鋼法相比，更易于保證施工質(zhì)量與砼粘接效果好，有效粘貼面可過(guò)100％，且碳纖維抗拉強(qiáng)度高，因此可以用作補(bǔ)強(qiáng)受拉鋼筋。在該工程項(xiàng)目中，碳纖維布加固后的井字梁，抗彎極限承載力提高50％，所以該加固技術(shù)對(duì)混凝土梁的加固具有良好的效果。

　　4.結(jié)論與展望

　　經(jīng)實(shí)際工程檢驗(yàn)證實(shí)，F(xiàn)RP復(fù)合材料加固技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有十分顯著的加固效果，經(jīng)加固處理后的結(jié)構(gòu)極限承載力和剛度都有明顯的提高，達(dá)到了預(yù)期的加固要求。這是一項(xiàng)新型的技術(shù)，隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑物的加固、維修、改造的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也將越來(lái)越廣，在今后的工程中將會(huì)得到更廣泛的研究、運(yùn)用和發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.GB503672006

　　碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.CECS146：20032007年版.