淺談鋼筋混凝土CFRP加固

王璐

哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000

摘要：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic），由于具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高模量、高耐溫、耐腐蝕以及抗疲勞性能好等特點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用于工程中，如建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)加固、維修、改造中。采用碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)加固、維修的方法是現(xiàn)代工程技術(shù)常用的方法。

關(guān)鍵詞：CFRP；混凝土結(jié)構(gòu)；加固

CFRP混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究始于美、日等國(guó)家，近十多年來(lái)得到大量的推廣和應(yīng)用。日本在該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用處于比較領(lǐng)先的地位并且編制較為成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范。美國(guó)也推出包括材料，計(jì)算與施工技術(shù)等相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。CFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在歐美與亞洲許多國(guó)家和地區(qū)得到了充分的發(fā)展。我國(guó)對(duì)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用起步較晚。首先是由國(guó)內(nèi)的一些高校與科研院所帶頭研究，并取得了一定的科研學(xué)術(shù)成果。

一、碳纖維加固的優(yōu)點(diǎn)

與采用傳統(tǒng)材料的加固方法比較，CFRP加固技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：

1）高強(qiáng)高效。由于CFRP優(yōu)異的物理力學(xué)性能，使用CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以充分利用CFRP材料抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)，可顯著提高被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和延性，改善混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能，加固效果好；

2）耐腐蝕性能及耐久性。CFRP的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而用CFRP加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問(wèn)題；

3）不增加構(gòu)件的自重及體積。CFRP質(zhì)量輕且厚度薄，經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸，也就不會(huì)減少建筑物的使用空間，有比較好的經(jīng)濟(jì)效益；

4）適用面廣。由于CFRP是一種柔性材料，且可以任意地裁剪，所以這種加固技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部位，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。同時(shí)，對(duì)于其它加固方法無(wú)法實(shí)施的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，諸如大型橋梁的橋墩、橋梁和橋板，以及隧道、大型筒體及殼體結(jié)構(gòu)工程等，CFRP加固技術(shù)都能很好地解決；

5）便于施工。將CFRP用于加固混凝土結(jié)構(gòu)，在施工現(xiàn)場(chǎng)不需要大型的施工機(jī)械，占用施工場(chǎng)地少，且沒有濕作業(yè)，因而工效很高。但采用何種碳纖維布和合理的選用粘貼方式成了影響提高混凝土構(gòu)件承載力的主要因素。普通碳纖維布材料的加固，對(duì)構(gòu)件正常階段受力性能的改善有限，加固材料的高強(qiáng)特性不能充分發(fā)揮。而對(duì)碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力，可以彌補(bǔ)普通碳纖維布工程加固技術(shù)中的不足，較好的改善構(gòu)件的受力性能，大幅度提高碳纖維布的利用率。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

近二十多年來(lái)對(duì)CFRP約束混凝土的研究與分析已有較多，大量的研究主要是從CFRP約束混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系模型的研究，還有CFRP加固混凝土梁、混凝土柱等構(gòu)件開展研究并有了不少研究成果。

1、試驗(yàn)分析研究

國(guó)外關(guān)于CFRP加固RC框架主要有加拿大多倫多大學(xué)Sheikh教授與意大利那不勒斯大學(xué)的Balsamo等。Sheikh等人對(duì)一足尺兩層平面框架分為兩組，一組未加固框架，作為對(duì)照組，另一組為加固框架，作為實(shí)驗(yàn)組，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了偽靜力試驗(yàn)，加固后，框架的水平承載力提高了1.4倍以上，位移延性系數(shù)提高了0.7倍以上，最大位移提高了3.7倍以上，耗能能力提高了5.7倍以上，充分證明CFRP加固框架梁后，能夠可有效提高框架結(jié)構(gòu)性能，特別是結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

國(guó)內(nèi)關(guān)于CFRP加固RC框架也有一定的研究成果，王新玲等進(jìn)行了1/3縮尺比例的單層單跨平面RC框架模型的偽靜力試驗(yàn)及CFRP加固嚴(yán)重?fù)p傷后框架的偽靜力試驗(yàn)，對(duì)比分析CFRP加固前后RC框架的受力性能及破壞形態(tài)，CFRP損傷后的鋼筋混凝土框架的節(jié)點(diǎn)，再采用CFRP加固框架后，能夠發(fā)揮碳纖維的抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，加固后滯回曲線飽滿，CFRP加固技術(shù)能夠明顯改善框架的耗能能力，并能夠提高框架的承載力與延性。此外還有吳剛等進(jìn)行了單層單跨框架縮尺模型CFRP加固前后的偽靜力試驗(yàn)研究。王國(guó)炎對(duì)兩個(gè)兩層鋼筋混凝土框架展開研究，一個(gè)框架未加固，另一個(gè)框架采用CFRP加固，通過(guò)對(duì)框架的偽靜力試驗(yàn)分析框架的性能。熊耀清等進(jìn)行了1/4縮尺的兩層單跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型在CFRP加固前后的進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

上述研究均是采用試驗(yàn)的方法，通過(guò)試驗(yàn)研究CFRP加固RC框架性能，通過(guò)該方法能夠?yàn)槔碚摲治鎏峁┯辛A(chǔ)，但是存在下列問(wèn)題：（1）試驗(yàn)研究分析的框架模型層數(shù)較低，不少的研究?jī)H僅為一層框架，試驗(yàn)分析的層數(shù)最多的框架層數(shù)僅為三層，無(wú)法發(fā)現(xiàn)CFRP加固RC框架后帶來(lái)的結(jié)構(gòu)薄弱部位轉(zhuǎn)移的問(wèn)題；（2）有相當(dāng)多的框架模型為平面框架，無(wú)法揭示各榀框架的相互之間的作用，并且無(wú)法反應(yīng)實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在樓梯等結(jié)構(gòu)的作用；（3）由于試驗(yàn)條件的限制，大部分的CFRP加固RC框架的試驗(yàn)多為縮尺的，因尺寸效應(yīng)的影響無(wú)法反映實(shí)際CFRP加固工程中工程真實(shí)受力情況。（4）CFRP加固框架的試驗(yàn)研究中，CFRP加固方式過(guò)于的理想化，考慮實(shí)際工程中有樓板的作用的研究很少。

2、理論分析研究

國(guó)外關(guān)于CFRP加固RC框架理論分析主要有如下的研究：（1）采用CANNY有限元軟件分析加固框架結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)建立低層和高層框架結(jié)構(gòu)，采用時(shí)程分析的方法研究框架的性能，各框架采用不同加固方案，研究加固對(duì)于框架抗震性能的影響。（2）利用ANSYS與SAP2000分別對(duì)框架的節(jié)點(diǎn)與框架進(jìn)行有限元分析，所研究的框架采用CFRP加固，框架為八層三跨，其主要采用的研究方法為Pushover分析，在建立有限元模型時(shí)，需要確定CFRP加固框架節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度，節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度是通過(guò)單獨(dú)建模進(jìn)行分析確定。

國(guó)內(nèi)關(guān)于CFRP加固RC框架理論分析主要有如下的研究：（1）胡孔國(guó)等人采用SAP2000對(duì)于RC采用CFRP加固框架進(jìn)行分析，研究對(duì)象為六層鋼筋混凝土框架，并用Pushover的靜力分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)加固前與加固后的性能進(jìn)行分析。（2）戴紹斌等人是進(jìn)行的純理論分析研究，其研究對(duì)象為一棟九層框架，采用的實(shí)體建模分析，混凝土采用實(shí)體單元，鋼筋采用各方向的配筋率分布與混凝土中，而CFRP采用殼單元模擬。該研究采用實(shí)體建模，有限元分析的收斂性難于控制。

目前，對(duì)碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的性能研究較多且已比較成熟。但從基本的力學(xué)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由于受彎加固RC梁的承載歷史和現(xiàn)狀、混凝土強(qiáng)度（應(yīng)變）、鋼筋應(yīng)力（應(yīng)變）、加固后使用條件不同的影響等，目前所用的CFRP布加固RC梁方法存在著一些不足。具體表現(xiàn)為：利用CFRP布加固RC梁時(shí)，CFRP布的高強(qiáng)度的特點(diǎn)僅在RC梁中受拉鋼筋屈服后才得以充分發(fā)揮，而在受拉鋼筋屈服前，CFRP布所起的作用有限，因此它對(duì)提高被加固構(gòu)件的開裂荷載及屈服荷載作用不是十分明顯，對(duì)RC梁在正常使用階段的性能改善也有限。而對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力后進(jìn)行鋼筋混凝土梁的加固可以有效的解決上述問(wèn)題。

作者簡(jiǎn)介：

王璐，1985年出生，現(xiàn)為哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，講師。