碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)原理

南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)有限公司 210048

摘要：碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡稱CFRP）是一種新興的高強(qiáng)材料，最早應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。近年來在土木工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法，碳纖維加固技術(shù)是一種新型高效的加固修復(fù)技術(shù)，它具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維加固技術(shù)是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及改善受力性能的目的。

關(guān)鍵詞：碳纖維粘結(jié)材料；加固優(yōu)點(diǎn)；加固分析；

前言：碳纖維加固技術(shù)適用于各種混凝土結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15即可。

一、碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)原理

碳纖維材料（CFRP）是英文Carbon Fibire Reinforcement Polymer 的首字母縮寫，翻譯為碳纖維增強(qiáng)材料。是近些年來新興的、應(yīng)用廣泛的一種加固混凝土的材料。碳纖維絲是通過氧化有機(jī)聚合物（通常是聚丙稀硝胺纖維或乳化瀝青）后，只留下碳素材料，其碳原子沿原有纖維長度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲是由3000～12000個(gè)碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細(xì)僅相當(dāng)于人的1根頭發(fā)絲。碳纖維CFRP一般是直徑為5μm～20μm的連續(xù)纖維，基材由樹脂和固化劑組成，用樹脂（內(nèi)加固化劑）浸潤碳纖維，待樹脂固化后便形成了碳纖維增強(qiáng)塑料。具有以下特性：強(qiáng)度高，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于；密度小，僅為普通鋼材的1/6；抗腐蝕性能好，強(qiáng)度不受酸堿腐蝕介質(zhì)的影響；非磁性，不影響電磁信號(hào)的傳播；抗疲勞性能優(yōu)良，疲勞壽命普遍高于鋼材；溫變系數(shù)和混凝土相當(dāng)。

二、碳纖維布其加固優(yōu)點(diǎn)

碳纖維成品可以制成不同的型材如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固混凝土工程中應(yīng)用量較多的還是碳纖維布（片材）。使用碳纖維布加固具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)；

1、強(qiáng)度高（強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍），效果好；

2、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；

3、自重輕，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；

4、柔性好，易裁剪，應(yīng)用范圍廣；

5、施工簡便（不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料）及工期較短。

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)是指，用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎和抗剪的承載能力。碳纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度為普通鋼材的10倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲無法同時(shí)進(jìn)行工作，在承受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲能先達(dá)到抗拉強(qiáng)度后斷裂、退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。在使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲就能很好地同時(shí)進(jìn)行工作，大大的提高了碳纖維布的抗拉強(qiáng)度。故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能同時(shí)工作，因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲能同時(shí)工作，又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)能共同工作，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、加固混凝土結(jié)構(gòu)的目的。

需要注意的是，在使用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，粘貼層數(shù)需通過計(jì)算來確定，考慮到各層的共同工作系數(shù)，抗疲勞的能力和避免脆性破壞。另外，從受力性能角度而言，單層優(yōu)于多層，窄幅優(yōu)于寬幅，除計(jì)算要求外，還應(yīng)滿足必要的構(gòu)造要求。

三、碳纖維布在混凝土結(jié)構(gòu)加固分析

碳纖維加固技術(shù)適用范圍很廣，可用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)。能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪等構(gòu)件進(jìn)行加固。

采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)通過配套的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑將碳纖維片材粘貼于構(gòu)件表面， 使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，共同受力。在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向應(yīng)與加固部位的受拉方向一致。將碳纖維布粘貼于受彎構(gòu)件的受拉區(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。粘貼碳纖維布后，在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂前，碳纖維的應(yīng)變很??；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與，共同工作；在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應(yīng)變?cè)鲩L，其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。

采用U型箍或環(huán)形箍的形式對(duì)梁或柱的抗剪性能進(jìn)行加固，纖維方向應(yīng)與構(gòu)件軸向方向垂直。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。在混凝土構(gòu)件屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，達(dá)到的最大應(yīng)變值也比較?。坏诨炷翗?gòu)件屈服后，碳纖維逐漸代替箍筋的作用，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展增快，其應(yīng)變值要高于原構(gòu)件箍筋的應(yīng)變值，從而增強(qiáng)了原混凝土構(gòu)件的抗剪性能。

采用環(huán)向圍束粘貼對(duì)柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向應(yīng)與柱軸向垂直。柱端箍筋加密區(qū)的總折算體積配箍率應(yīng)按公式計(jì)算，并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》G B 5 0 O 1 O 對(duì)柱端箍筋加密區(qū)體積配箍率的要求。采用碳纖維片材纏繞加固混凝土柱可以約束混凝土的變形，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，降低軸壓比。鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時(shí)，構(gòu)件是由于受到極限值非常小的橫向擴(kuò)張引起的，如能在構(gòu)件四周創(chuàng)造橫向約束，以阻止受壓構(gòu)件的這種橫向擴(kuò)張，從而提高構(gòu)件抗壓承載力和變形能力。碳纖維加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和碳纖維增強(qiáng)帶之間產(chǎn)生約束作用。柱的抗震加固必須采用環(huán)向圍束式粘貼并應(yīng)有可靠的連接。此時(shí)，搭接長度比受彎加固、受剪加固的搭接長度應(yīng)大一些，才能保證加固效果。

結(jié)語

由大量的工程實(shí)踐證明，碳纖維加固技術(shù)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固效果十分理想，在基本不增大構(gòu)件的截面尺寸及自重的前提下，該技術(shù)在施工工期、材料耐久性、施工質(zhì)量等方面均能達(dá)到要求。施工簡便、快捷，使用碳纖維加固構(gòu)件時(shí)不需要大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟(jì)性好。碳纖維具有較高的抗酸、堿鹽類介質(zhì)腐蝕的性能，應(yīng)用面較廣，用其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。用碳纖維后，可以有效的封閉混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，延長混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命。碳纖維自重輕、厚度小，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。碳纖維具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有較大的推廣使用價(jià)值。由此可見，碳纖維布加固結(jié)構(gòu)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，其應(yīng)用前景很光明。

參考文獻(xiàn)

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