碳纖維加固鋼筋混凝土構(gòu)件性能研究綜述

符官春 郭渝閩 萬俊余(長江師范學(xué)院 重慶 涪陵 408100)

1 碳纖維材料性能與加固結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

碳纖維材料高強(qiáng)輕質(zhì)、耐熱性極好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。同時，它又具有纖維般的柔曲性，可進(jìn)行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優(yōu)良的性能是比強(qiáng)度和比模量超過一般的增強(qiáng)纖維，它和樹脂形成的復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍左右。碳纖維復(fù)合材料在加固中可以顯著減輕重量，提高有效載荷，改善性能。

碳纖維加固結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，碳纖維材料所具有的抗拉強(qiáng)度恰好能補(bǔ)強(qiáng)混凝土所欠缺的抗拉強(qiáng)度，從而提升結(jié)構(gòu)的承載能力，大幅度的提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力;化學(xué)穩(wěn)定性更好，碳纖維材料具有良好的抗腐蝕，抗侵蝕能力;施工工藝簡便，碳纖維加固技術(shù)施工便捷，操作系數(shù)難度低無需過多專業(yè)技能培養(yǎng)，無繁瑣的施工流程，碳纖維布條能在現(xiàn)場可根據(jù)實(shí)際情況剪切，膠結(jié)劑只需在現(xiàn)場調(diào)制即可使用，且最后施工工藝效果強(qiáng);適用范圍廣，碳纖維材料具有諸多優(yōu)良特點(diǎn)，自身輕薄，使其可廣泛適用于各種類型的結(jié)構(gòu)、形狀，各部位的加固修補(bǔ)，且因碳纖維材料自身輕薄不會改變其加固結(jié)構(gòu)外觀，這是任何傳統(tǒng)加固方式所不能達(dá)到。

2 國外研究現(xiàn)狀

碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用最早開始于上世紀(jì)80年代的日本，專門研究發(fā)展修復(fù)加固新技術(shù)，把碳纖維布類似于粘貼鋼板加固一樣將其粘貼于混凝土表面，隨后在政府與制造商的通力合作下該技術(shù)得到了大力發(fā)展與推廣。90年代碳纖維加固技術(shù)在國際上得到拓展，瑞士首先將碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用于橋梁加固工程中，隨后在1997年中英國也至少有30座橋梁選擇采用了該技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)加強(qiáng)。

在溫度、濕度、天氣、以及化學(xué)性能方面，CangaRao采用三面包裹碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的抗彎實(shí)驗(yàn)和耐久性實(shí)驗(yàn)。從結(jié)果上來看:粘貼碳纖維后的試件在上述條件中能長久保持性能工作，同時提高了試件的極限強(qiáng)度以及剛度，其提高程度均與碳纖維的粘貼層數(shù)相關(guān)，碳纖維粘貼層數(shù)能直接影響試件強(qiáng)度以及剛度;在一定程度受損試件再粘貼碳纖維其提高程度與無損試件一致，同時也受碳纖維層數(shù)的直接影響。Malek提出了對碳纖維加固受剪試件計算進(jìn)行開理論分析，分析了各種參數(shù)分別對受剪承載力的計算方法，分析了各種參數(shù)對受剪試件承載力的影響，并提出簡化計算公式。

在受彎實(shí)驗(yàn)中，碳纖維加固試件在實(shí)驗(yàn)中表明加固后的試件，裂縫寬度得到減少，尤其體現(xiàn)在低配筋梁抗彎強(qiáng)度中，試件的延性也一定程度得到緩解，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中加固時選擇不同的膠黏劑，其效果韌性和粘貼面不同最終將影響其效果。

在材料方面，國外加強(qiáng)碳纖維材料基礎(chǔ)研究穩(wěn)定提高纖維性能，使碳纖維化學(xué)性能優(yōu)，而且具有抗高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn);提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大;在碳纖維的回收利用上以美、德、日、英四國為代表，分別對碳纖維材料的回收利用再加工為復(fù)合材料研究。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)上世紀(jì)90年代末開始進(jìn)行土建工程方向的碳纖維加固研究，新興的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在近十幾年開始應(yīng)用在實(shí)際工程中，如河北地區(qū)橋梁加固工程、北京人民大會堂加固等。

歐陽熠等基于彈性理論的基礎(chǔ)上加以分析在線性荷載作用下粘貼碳纖維片材加固的鋼筋混凝土梁端部進(jìn)行剪應(yīng)力和較大粘結(jié)剪應(yīng)力，得出了對于存在較大粘結(jié)剪應(yīng)力的影響因素情況下以及在均布荷載和集中荷載作用下的剪應(yīng)力計算方法;西南交通大學(xué)張世賢對碳纖維的性能特點(diǎn)以及在工程搶修加固中的應(yīng)用進(jìn)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性，經(jīng)濟(jì)性適用性，耐久進(jìn)行了研究。長安大學(xué)蔣紅章進(jìn)行研究了在結(jié)構(gòu)初始存在幾何缺陷條件下受彎構(gòu)件的極限承載能力的變化規(guī)律，并分析了碳纖維材料粘貼鋼筋混凝土構(gòu)件上如何影響其極限承載能力與作用原理。

4 結(jié)束語

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，碳纖維材料使用范圍不斷得到擴(kuò)展且也開始進(jìn)行回收利用;碳纖維加固技術(shù)在耐火性、粘接膠耐久性以及加固后抗震抗疲勞均有探索研究。國內(nèi)碳纖維加固技術(shù)研究起步較晚但也在不斷進(jìn)步、逐漸完善，針對于不同情況下進(jìn)行了研究探索，得出相應(yīng)的計算方面的經(jīng)驗(yàn)公式，同時也開展了大量構(gòu)件及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，成果豐富。