我國碳纖維加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀

■王 偉，徐廣舒，葉 俊 ■南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226001

2008年汶川大地震后，各地中小學(xué)校都在按照新的抗震規(guī)范對校舍進行排查、鑒定、加固改造。碳纖維加固與傳統(tǒng)的加大混凝土截面、粘鋼混凝土補強等相比，具有適用面廣，節(jié)省空間，幾乎不增加結(jié)構(gòu)的重量，施工簡便、無噪音、質(zhì)量易保證，降低加固成本，提高建筑物使用壽命，耐腐蝕、耐久性能好等特點。因此，碳纖維加固技術(shù)不僅在房屋建筑的抗震加固修復(fù)工程中廣泛應(yīng)用，在各類建筑結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)中也備受青睞和關(guān)注。

1 我國碳纖維加固技術(shù)的發(fā)展

早在20世紀80年代，碳纖維加固技術(shù)已在日本、歐美等國家得到重視，并成立科研機構(gòu)展開研究，形成了一系列的研究成果和相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。我國碳纖維加固技術(shù)的研究開始于1996年左右，在1998年運用于工程實踐。起初只有國家建筑診斷與改造技術(shù)研究中心進行研究，現(xiàn)在中國建筑科學(xué)研究院、上海等各地的建筑科學(xué)研究院，以及清華大學(xué)、同濟大學(xué)、東南大學(xué)、天津大學(xué)等各大高校也都在進行這方面的研究。目前，大量的研究主要集中于碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以及在橋梁加固改造中的應(yīng)用。

2 我國有關(guān)碳纖維加固的技術(shù)規(guī)范

《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)，2003年5月1日起施行，是我國第一部有關(guān)碳纖維加固技術(shù)的規(guī)范。

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2006)，2006年11月1日起實施。

《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》(GB/T21490-2008)，2008年10月1日起執(zhí)行。

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2013)，2013年11月1日發(fā)布，2014年6月1日起實施。

《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》(GB50728-2011)，2011年12月5日發(fā)布，2012年5月1日起實施。

3 碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究

同濟大學(xué)陸洲導(dǎo)等人［1］［2］對碳纖維加固混凝土梁板柱節(jié)點的抗震性能進行了比較系統(tǒng)的研究，為實際工程中存在正交梁的梁板柱節(jié)點的加固提供了理論依據(jù)。

吉林大學(xué)李春良［3］利用非線性有限元方法對碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明了該方法不僅能夠求出結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形發(fā)展的全過程，而且能夠描述裂縫的形成和擴展，以及結(jié)構(gòu)的破壞過程，從而揭示出結(jié)構(gòu)的薄弱部位和環(huán)節(jié)，以利于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

西南交通大學(xué)張世賢［4］對碳纖維的性能特點以及在工程搶修加固中的應(yīng)用進行了研究，提出了適用于碳纖維搶修加固的簡化計算方法——近似估算法。同時還對碳纖維加固的社會經(jīng)濟意義、適用性、耐久性等問題進行了研究。

重慶大學(xué)袁劍平［5］通過有限元的方法，對碳纖維端部的粘結(jié)剪應(yīng)力的分布情況和粘結(jié)剪應(yīng)力在端部附近較大的產(chǎn)生原因進行了深入的研究;對U形碳纖維箍與混凝土梁之間的粘結(jié)剪應(yīng)力的分布情況進行一定的分析;并通過無量綱的計算方法，討論碳纖維用于受彎構(gòu)件正截面加固時的充分發(fā)揮其有效性的條件和方法，得出一些在工程應(yīng)用中簡單易行的防止和緩解碳纖維剝離破壞的方法，以及影響碳纖維加固利用率和有效性的因素。

同濟大學(xué)陳永秀［6］通過2組CFRP加固連續(xù)梁的試驗研究了CFRP加固鋼筋混凝土連續(xù)梁的彎矩重分布能力和預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土梁的施工工藝和受力特性，提出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP施工工藝，并對該工藝進行理論分析，得出無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼筋混凝土梁正截面承載力的計算方法。

大連理工大學(xué)陳鳳山［7］研制了適用于潮濕混凝土表面粘貼CFRP加固的濕固化粘結(jié)劑，通過一系列的試驗研究證明該材料的本體強度、工藝性能、正拉粘結(jié)性能均能滿足我國加固規(guī)程的要求，并驗證了其廣泛實用性，為海工混凝土結(jié)構(gòu)可能面臨的在潮濕表面粘貼CFRP加固的技術(shù)問題提供了參考。

合肥工業(yè)大學(xué)楊君［8］，北京建筑工程學(xué)院劉海亮［9］對火災(zāi)下碳纖維加固混凝土構(gòu)件的溫度場進行分析，比較碳纖維加固混凝土構(gòu)件在有無防火保護層以及不同厚度的防火層對界面溫度場的影響，得出能保護碳纖維安全工作的合理保護層厚度。

東南大學(xué)肖德后，徐明等人［10］對碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火問題的研究現(xiàn)狀進行了整理分析，并提出了今后這一領(lǐng)域的研究趨勢，為進一步研究工作的展開提供參考。

祖德峰［11］對粘貼一層縱向和兩層橫向碳纖維的試驗?zāi)Ｐ?四個單層無梁混凝土框架結(jié)構(gòu))的整個過程作了數(shù)值計算。通過對有限元模型的建立，計算了試驗?zāi)Ｐ偷淖哉耦l率，并采用時程反應(yīng)分析模擬了試驗?zāi)Ｐ偷恼駝舆^程，其數(shù)值模擬結(jié)果與試驗研究結(jié)果在相對位移時程曲線上基本相同。

吉林大學(xué)姚允武［12］研究了環(huán)境溫度變化后，粘結(jié)區(qū)域內(nèi)碳纖維表面的應(yīng)變變化規(guī)律。通過高低溫凍融循環(huán)試驗研究了凍融溫度疲勞荷載對膠層粘結(jié)性能的影響，揭示出多次凍融循環(huán)后的膠層粘結(jié)性能的變化情況，對界面粘結(jié)膠層進行溫度可靠性研究，為寒冷地區(qū)的加固工程提供了依據(jù)。

哈爾濱工程大學(xué)龐立民［13］研究了樓板開洞后洞口邊梁的受力性能，碳纖維加固邊梁的計算方法，碳纖維加固混凝土的各種影響因素，并結(jié)合碳纖維對梁抗彎抗剪的加固實踐，研究了扭矩對梁的受力性能的影響及相應(yīng)的加固方法。

4 碳纖維加固砌體結(jié)構(gòu)的研究

高林，張鵬飛［14］對碳纖維加固砌體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制進行了研究。

周新剛，韋昌芹，葉列平［15］在分析碳纖維加固的磚砌體在水平周期反復(fù)荷載作用下試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了碳纖維加固磚砌體的約束及抗倒塌機理，提出了改進的粘貼加固方法以提高加固效果。

張維［16］對CFRP加固實心砌體墻抗震性能進行試驗研究，并在此基礎(chǔ)上進行有限元分析。采用砌體均質(zhì)化和設(shè)有接觸單元的有限元模型對比分析了試件的力學(xué)性能，探討了空間膜單元、混凝土單元、面—面柔性接觸單元、尤其是多層殼單元、彈簧單元等在碳纖維布砌體結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用。

重慶大學(xué)姚遠［17］開展了4片嚴重破壞墻體的碳纖維布加固試驗，研究表明采用粘貼碳纖維布加固后墻體的抗剪承載力、變形性能都較原墻墻體有明顯提高，雖然不能提高加固后的墻片的開裂強度，但能很好地約束裂縫的發(fā)展。

栗鵬［18］從國內(nèi)現(xiàn)存的古老建筑和既有砌體建筑加固修復(fù)的研究出發(fā)，對碳纖維布加固砌體墻的抗震性能進行了一些探索性的研究，為碳纖維加固技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的應(yīng)用及制訂相關(guān)規(guī)范提供了部分參考依據(jù)。

5 碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的研究

岳清瑞等［19］編寫了第一部應(yīng)用碳纖維增強材料修復(fù)缺陷鋼結(jié)構(gòu)(CFSS)新技術(shù)方面的著作。

江克斌，許特，趙啟林［20］將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)，給出了應(yīng)用該技術(shù)加固鋼結(jié)構(gòu)極限承載力的計算公式，并通過有限元方法進行了驗證，結(jié)果表明該技術(shù)可以進一步提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力。

鄭云，葉列平，岳清瑞，惠云玲［21］通過6根含10mm長中央疲勞裂紋鋼板用碳纖維板加固前后的受拉疲勞性能試驗研究，表明與未加固鋼板相比，采用碳纖維板加固后鋼板的剩余疲勞壽命得到顯著提高。

李良春，蔣鑫［22］利用ANSYS軟件對碳纖維加固的鋼板試件進行了拉伸模擬計算，建立了碳纖維加固鋼板拉伸試件的有限元數(shù)值模型。結(jié)果表明，利用有限元的數(shù)值模擬能準確地預(yù)測出實際的碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生的破壞現(xiàn)象，以及破壞發(fā)生的位置，由此可以采取一些保護措施來防止結(jié)構(gòu)發(fā)生的早期破壞。

完海鷹，葛春林［23］，王偉佳［24］，合肥工業(yè)大學(xué)曹靖［25］通過 ANSYS有限元的方法對碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)進行了驗證，提出了“三維實體—桁架—殼元”有限元模型，分別對粘貼不同種類碳纖維加固工字鋼梁的受力性能進行了分析。結(jié)果表明該建模方法是切實可行的、所得到的結(jié)果是可靠的。

長安大學(xué)蔣紅章［26］研究了在初始幾何缺陷存在的條件下壓彎構(gòu)件的極限承載力變化規(guī)律，并分析了在粘貼碳纖維增強材料對壓彎構(gòu)件極限承載力的影響及增強機理。

鄭云，陳煊等人［27］采用斷裂力學(xué)方法對CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命進行了研究，給出了CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的疲勞驗算的建議方法。

上海交通大學(xué)姜震宇［28］基于ABAQUS軟件，利用擴展有限元法對碳纖維布加固H型鋼梁建立的模型進行精度驗證，提出了“CFRP布——膠層——鋼梁”有限元模型。

6 碳纖維加固木結(jié)構(gòu)的研究

謝啟芳［29］，趙鴻鐵，薛建陽等人［30］通過8根矩形木梁的靜力試驗，以及3個碳纖維布加固榫卯節(jié)點的構(gòu)架模型在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗，得出碳纖維布加固后木結(jié)構(gòu)強度增加。

楊俊杰，沈旸，馮敏通過對從歷史建筑修繕過程中置換下來的木梁進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)CFRP加固過的木梁具有足夠的抗彎承載能力，即使是局部受到過白蚊侵蝕的木梁，其抗彎承載力也不亞于新木梁。

潘閃通過對北京前門地區(qū)青云胡同22號院顏料會館的實例分析，說明碳纖維加固技術(shù)是木結(jié)構(gòu)建筑加固修復(fù)的有效途徑，可進一步推廣應(yīng)用。

黃龍?zhí)?，李載寧，郭志強采用粘貼碳纖維片材加固在建的景觀亭，不僅恢復(fù)和提高了整體的承載力，且覺察不到加固的痕跡。表明碳纖維加固木結(jié)構(gòu)的方法是成功的，如用于古建筑的木結(jié)構(gòu)維修加固應(yīng)有廣闊前景。

徐明剛，邱洪興，淳慶在榫卯節(jié)點試驗及受力機理研究基礎(chǔ)上，提出碳纖維加固榫卯節(jié)點抗彎承載力計算方法。

7 結(jié)語

本文對碳纖維加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了整理，碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究比較成熟，而碳纖維加固砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的研究還處于初始階段。碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，研究碳纖維加固技術(shù)對工程實踐有重要的意義，本文以期能為相關(guān)研究人員了解這一領(lǐng)域的研究成果和開展研究提供參考。

［1］陸洲導(dǎo)，謝莉萍，洪濤.碳纖維加固低配箍混凝土梁板柱節(jié)點的抗震試驗［J］.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，(3).

［2］陸洲導(dǎo)，宋彥濤，王李果.碳纖維加固混凝土框架節(jié)點的抗震試驗研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2004，(5).

［3］李春良.碳纖維加固混凝土梁的非線性有限元數(shù)值模擬分析與試驗研究［D］.［碩士學(xué)位論文］.吉林大學(xué)，2005.

［4］張世賢.工程搶修中采用碳纖維加固的應(yīng)用研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.西南交通大學(xué)，2006.

［5］袁劍平.碳纖維加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的兩個基本問題研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.重慶大學(xué)，2006.

［6］陳永秀.碳纖維加固混凝土梁試驗與理論研究［D］:［博士學(xué)位論文］.同濟大學(xué)，2007.

［7］陳鳳山.海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)CFRP加固研究［D］:［博士學(xué)位論文］.大連理工大學(xué)，2007.

［8］楊君.碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能分析［D］:［碩士學(xué)位論文］.合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［9］劉海亮.高溫下碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性有限元模擬［D］:［碩士學(xué)位論文］.北京建筑工程學(xué)院，2005.

［10］肖德后，徐明，陸忠范.碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火問題的研究現(xiàn)狀［J］.工業(yè)建筑.2008(10).

［11］祖德峰.碳纖維加固混凝土柱試驗研究及數(shù)值模擬［D］:［碩士學(xué)位論文］.中國地震局工程力學(xué)研究所，2009.

［12］姚允武.碳纖維加固鋼筋混凝土連續(xù)梁解耦故的理論與試驗研究［D］:［博士學(xué)位論文］.吉林大學(xué)，2009.

［13］龐立民.洞口邊梁的彎剪扭復(fù)合受力分析及碳纖維加固研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［14］高林，張鵬飛.碳纖維加固砌體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制［C］.2005年全國砌體結(jié)構(gòu)基本理論與工程應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集，2005.

［15］周新剛，韋昌芹，葉列平.CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析［J］.工程力學(xué)，2008，(6).

［16］張維.碳纖維加固砌體試驗研究及有限元分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，(10).

［17］姚遠.碳纖維加固嚴重破壞砌體墻的試驗研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.重慶大學(xué)，2010.

［18］栗鵬.碳纖維加固磚砌體有限元分析［D］.［碩士學(xué)位論文］.太原理工大學(xué)，2013.

［19］岳清瑞，張寧，彭福寧，鄭云.碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)性能研究與工程應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［20］江克斌，許特，趙啟林.采用預(yù)應(yīng)力碳纖維技術(shù)提高鋼結(jié)構(gòu)承載力的分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，(4).

［21］鄭云，葉列平，岳清瑞，惠云玲.CFRP加固疲勞損傷受拉鋼板的疲勞性能試驗研究［C］.FRP與結(jié)構(gòu)補強——05全國FRP與結(jié)構(gòu)加固學(xué)術(shù)會議論文精選，2005.

［22］李良春，蔣鑫.碳纖維加固鋼板構(gòu)件受拉過程的數(shù)值模擬研究［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2009，(6).

［23］完海鷹，葛春林.碳纖維加固鋼梁的有限元模擬［C］.第九屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集，2009.

［24］王偉佳.CFRP加固工字鋼梁非線性有限元數(shù)值模擬分析［D］:［碩士學(xué)位論文］.合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［25］曹靖.碳纖維增強復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)理論分析和試驗研究［D］:［博士學(xué)位論文］.合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

［26］蔣紅章.碳纖維增強材料(CFRP)加固壓彎構(gòu)件彈塑性失穩(wěn)分析［D］:［碩士學(xué)位論文］.長安大學(xué)，2012.

［27］鄭云，陳煊，李忠煜，惠云玲.碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2013，(2).

［28］姜震宇.CFRP加固H型鋼梁的精細有限元分析［D］:［碩士學(xué)位論文］.上海交通大學(xué)，2013.

［29］謝啟芳.中國木結(jié)構(gòu)古建筑加固的實驗研究及理論分析［D］:［博士學(xué)位論文］.西安建筑科技大學(xué)，2007.

［30］謝啟芳，趙鴻鐵，薛建陽等.中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點加固的試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2008，(1)