碳纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

文/張蕾 浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 311231

碳纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

文/張蕾 浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 311231

隨著人類社會不斷的進步和科學(xué)研究飛速的進步，建筑結(jié)構(gòu)加固的方法也越來越多，施工模式也越來越簡單實用。碳纖維復(fù)合材料作為一種用于建筑結(jié)構(gòu)加固的新型材料，由于碳纖維具有強度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。

碳纖維復(fù)合材料；建筑結(jié)構(gòu)；加固；應(yīng)用

一、碳纖維復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)的原理

碳纖維復(fù)合材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量。加固改善混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維復(fù)合材料主要分為兩種：碳纖維材料與配套樹脂。其中碳纖維的抗拉強度為建筑鋼材的十倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些（如高彈性）碳纖維的彈性模量甚至在鋼材的兩倍以上，且施工性能與耐久性良好，是一種很好的加固修復(fù)材料；配套樹脂則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復(fù)合性整體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固、補強的目的。

二、碳纖維復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)的作用

1.提高結(jié)構(gòu)抗剪切能力。碳纖維包覆柱或墩時，由于碳纖維的橫向約束作用使柱或墩的受力狀態(tài)發(fā)生變化，進一步提高了抗剪切能力。特別時發(fā)生地震時，能有效地防止柱或墩出現(xiàn)脆裂性破壞。

2.加強結(jié)構(gòu)抗彎曲能力。一般把碳纖維布粘在梁或板的底部后，當(dāng)梁或板出現(xiàn)彎曲變形時，碳纖維布與梁或板內(nèi)部的聯(lián)合承受力，共同發(fā)揮作用，可有效地增強梁或板的抗彎曲能力。

3.增長結(jié)構(gòu)使用壽命。由于碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)提升了結(jié)構(gòu)的延伸性和承受力，同時又對建筑結(jié)構(gòu)有防護作用，因此可以增長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4．延遲裂縫出現(xiàn)，抑制裂縫擴散。當(dāng)碳纖維布包覆混凝土結(jié)構(gòu)后，大大提高了混凝土抗裂能力，延遲了裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫時，碳纖維布可有效地抑制裂縫繼續(xù)擴散。

三、碳纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

1．碳纖維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍

碳纖維材料可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)部位；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以通過碳纖維材料進行加固。具體說來適用范圍如下：利用碳纖維材料加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓房增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板裂縫加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋改修加固和水塔加固等等。

2．碳纖維片材可選用以下方式對建筑結(jié)構(gòu)進行加固

在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向一致；選用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對梁、柱結(jié)構(gòu)進行受剪加固，纖維方向應(yīng)與結(jié)構(gòu)軸向垂直；采用封閉式粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當(dāng)有可靠依據(jù)時，碳纖維片材也可選用其它形式或其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)進行加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時，應(yīng)依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算；鋼筋和混凝土材料，依據(jù)檢測獲得的實際強度，依據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其相應(yīng)的材料強度設(shè)計指標(biāo)；碳纖維片材應(yīng)依據(jù)構(gòu)件達到極限狀態(tài)時的應(yīng)變，按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力；碳纖維片材應(yīng)選擇廠家提供的不低于95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)使用粘貼碳纖維片材對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固時，應(yīng)考慮加固后對結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能帶來的影響。如果不能在完全卸載條件下進行加固，應(yīng)考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時，被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實際混凝土強度等級不應(yīng)小于Cl5.使用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應(yīng)小于C10.

四、結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結(jié)構(gòu)的影響較小，施工方便，具有其他加固方式無法比擬的優(yōu)越性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入，該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景，也許在未來人類社會在材料應(yīng)用上會從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時代。

[1]李貴國,趙軼玲,尹冬嶺.碳纖維復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].低溫建筑技術(shù),2002,(03).

[2]高笑娟,謝鐳.碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西建筑,2006,(14).

[3]李芝華,甘衛(wèi)平,鄭子樵,尹志民,謝佑卿,章四琪.建材用碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的新進展[J].纖維復(fù)合材料,1998,(01).

張蕾（1988—），女，漢族，浙江杭州人，德國萊比錫應(yīng)用技術(shù)大學(xué)碩士，浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院，講師，研究方向：建筑工程管理、建筑結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)加固材料。