碳纖維加固鋼筋混凝土梁變形性能影響因素分析

摘要：碳纖維加固技術(shù)是近年來在加固行業(yè)產(chǎn)生的一種新型的加固方法，具有加固強(qiáng)度高、施工便捷、耐腐蝕等多種優(yōu)點(diǎn)，在加固行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文從碳纖維加固鋼筋混凝土梁的特點(diǎn)出發(fā)，分析了碳纖維加固鋼筋混凝土梁變形性能的影響因素，對工程實(shí)際中碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：碳纖維加固 鋼筋混凝土梁 變形性能

碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國家。我國的這項(xiàng)技術(shù)起步很晚，但隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)低造成歷史遺留問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進(jìn)行維修、加固。目前常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。碳纖維CFRP是整個土木工程界使用最為廣泛且熱門的加固材料，該項(xiàng)加固技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，于90年代后期在我國迅速發(fā)展起來，國內(nèi)外很多科研單位和高校就碳纖維CFRP加固混凝土構(gòu)件這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。

1 碳纖維加固鋼筋混凝土梁的特點(diǎn)

碳纖維加固鋼筋混凝土梁所使用的產(chǎn)品是碳纖維，是一種高強(qiáng)度的纖維制品，是一種導(dǎo)性材料。在當(dāng)前的加固行業(yè)中，碳纖維的使用主要有兩種個，一種是碳纖維布，另一種是炭纖維板。對于碳纖維用于新建筑物，我國對其進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為可以將碳纖維材料進(jìn)行加工，變成片狀、棒狀或者卷狀，具有普通的鋼材料無法比擬的極高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，能增強(qiáng)梁的變形性能。

與其他的建筑材料加固鋼筋混凝土梁相比，碳纖維加固混凝土梁具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，具有較高的強(qiáng)度和模量。由于碳纖維材料具有較高的強(qiáng)度和模量，因此，利用碳纖維材料對混凝土梁進(jìn)行加固，可以提高提高梁的承載力和抗變形性能，達(dá)到高度加固的目的。第二，具有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。由于碳纖維材料具有比較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不會和酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，利用碳纖維材料對混凝土梁進(jìn)行加固具有較好的耐酸堿和耐腐蝕性，能防止加固過程中遇到的化學(xué)腐蝕問題。第三，具有質(zhì)量輕和厚度薄的特點(diǎn)。碳纖維材料的這種特點(diǎn)，可是使加固后的構(gòu)建不增加自身重量，同時其薄的特點(diǎn)也不會引起尺寸的明顯變化。第四，具有較好的柔韌性。碳纖維的這種特點(diǎn)使得其很容易被裁減，利用它可以對各種結(jié)構(gòu)類型、部位和形狀的建筑物進(jìn)行加固。同時，它的柔韌性特點(diǎn)使得其還可以被用于大型橋梁的橋墩、大型筒體、隧道等一些其他加固技術(shù)無法實(shí)施的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。第五，具有占地面積少的特點(diǎn)。碳纖維材料在用于混凝土加固時，不需要大型的施工機(jī)械，因而只需占用較少的施工場地，施工功效相對較高。

綜上所述，碳纖維材料是一種新興的加固材料，利用其進(jìn)行鋼筋混凝土梁加固，有很好的加固效果，在實(shí)際的運(yùn)用中具有重要的推廣作用。

2 碳纖維加固鋼筋混凝土梁變形性能影響因素分析

在碳纖維加固鋼筋混凝土梁時，影響其變形性能的因素有很多，除了碳纖維本身的粘貼層數(shù)外，還有混凝土的強(qiáng)度等級、縱筋配筋率、橫截面高度和剪跨比都會對碳纖維加固時的變形性能造成一定的影響。

2.1 粘貼層數(shù)碳纖維的粘貼層數(shù)對加固后的承載力具有較大的影響，從而影響鋼筋混凝土梁的變形性能。如，粘貼一層碳纖維布時，極限承載力較未加固梁提高了13.6%；粘貼兩層時，極限承載力較未加固梁提高了21.9%；粘貼三層時，極限承載力較未加固梁提高了30.8%；粘貼四層時，極限承載力較未加固梁提高了41.7%；粘貼五層時，極限承載力較未加固梁提高了45.80k。然而承載力的提高幅度并不是和碳纖維的粘貼層數(shù)成正比關(guān)系的，而是呈現(xiàn)一種雙線性的關(guān)系，即當(dāng)粘貼層數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，承載力的提高幅度呈現(xiàn)逐漸較少的趨勢。也就是說，隨著粘貼層數(shù)的增加，碳纖維加固鋼筋混凝土梁的承載力的提高幅度的增長率逐漸下降，進(jìn)而梁也會出現(xiàn)更高的變形。根據(jù)這一影響因素的分析，我們認(rèn)為在對碳纖維的粘貼層進(jìn)行選擇的時候，要權(quán)衡各種因素后選出最佳層數(shù)。

2.2 混凝土的強(qiáng)度等級混凝土的強(qiáng)度等級也會對碳纖維的加固效果產(chǎn)生重要影響，并最終影響到碳纖維加固鋼筋混凝土梁的變形性能?；炷鹊牡燃墢?qiáng)度對碳纖維的加固影響界限為C30。即當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級為C30的時候，碳纖維的加固效果是最好的，其變形性能也為最佳。當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級大于C30的時候，碳纖維的加固效果的提高會隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高而呈現(xiàn)下降的趨勢，進(jìn)而影響到碳纖維加固鋼筋混凝土梁的變形性能。之所以混凝土的等級強(qiáng)度最佳值為C30，是因?yàn)椋?dāng)混凝土的等級強(qiáng)度小于C30時，加固梁會因?yàn)殇摻畹钠茐亩a(chǎn)生裂縫。隨著混凝上強(qiáng)度提高，極限破壞時混凝上的受壓區(qū)高度有所減小，因而增加了鋼筋和碳纖維布的內(nèi)力臂長度，因此使得碳纖維對極限彎矩的貢獻(xiàn)在原有基礎(chǔ)上增強(qiáng)，承載力提高幅度加大。但是當(dāng)混凝土的等級強(qiáng)度大于C30時，加固梁會因?yàn)榛炷恋膲核槎a(chǎn)生裂縫，并限于鋼筋的拉壞被壓碎。因此，確定混凝土的強(qiáng)度等級對于加強(qiáng)碳纖維的加固效果，增強(qiáng)對鋼筋混凝土量的變形性能具有重要意義。

2.3 縱筋配筋率當(dāng)粘貼相同層數(shù)的碳纖維布時，縱筋配筋率越高的梁，加固后的極限承載力提高幅度就越小，加固效果越差。原因是，由于縱筋配筋面積的增大，增加了極限破壞時混凝土的受壓區(qū)高度，而減少了鋼筋和碳纖維布的內(nèi)力臂長度，因此使得碳纖維對極限彎矩的貢獻(xiàn)在原有基礎(chǔ)上減弱，極限承載力提高幅度降低。配筋率的改變對梁的極限承載力的提高幅度影響最大，對加固梁的屈服荷載提高幅度的影響次之，對加固梁開裂荷載的提高幾乎沒有影響。

2.4 橫截面高度橫截面的高度對加固后的承載力具有重要影響作用，進(jìn)而會影響到碳纖維加固后的鋼筋混凝土梁變形性能。根據(jù)相關(guān)的研究結(jié)果表明，梁的橫截面高度為500mm是最佳的橫截面高度，是碳纖維加固的最佳效果，具有較高的防變形性能。當(dāng)橫截面高度大于500mm時，混凝土的壓碎破壞先于鋼筋的拉壞，因此梁的破壞是由混凝土的壓碎破壞引起的，故其極限承載力的提高幅度又有所降低。之所以橫截面為500mm是最佳的高度，是因?yàn)?，?dāng)加固梁的橫截面高度小于500mm的時候，加固梁會因?yàn)殇摻畹钠茐亩a(chǎn)生裂縫。同時，隨著加固梁橫截面高度的不斷增加，鋼筋和碳纖維至今的內(nèi)力臂力度就會得到增加，從而增強(qiáng)梁的承載力，相應(yīng)的變形性能也增強(qiáng)。但是，當(dāng)加固梁的橫截面大于小于500mm的時候，加固兩會因?yàn)榛炷恋膲核槎獾狡茐模沟眉庸塘旱某休d力下降，導(dǎo)致碳纖維的優(yōu)越的抗拉性能沒有充分的發(fā)揮，從而降低了碳纖維對極限彎矩的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)變形。

2.5 剪跨比改變剪跨比也會對碳纖維加固鋼筋混凝土的承載力產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而會影響到其變形性能。一般而言，剪跨比和加固后的梁的極限承載力呈現(xiàn)正比的增長關(guān)系，即剪跨比越大，加固后的梁的極限承載力提高幅度越大。如，當(dāng)剪跨比為1.61時，加固后的極限承載力提高了10.59%，當(dāng)剪跨比為2.26時，加固后的極限承載力提高了13.63ry0，當(dāng)剪跨比為2.9時，加固后的極限承載力提高了16.44%。這主要是因?yàn)?，如果剪跨比比較小，鋼筋的破壞就會因?yàn)樘祭w維兩端的應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致碳纖維端部臨近鋼筋單元的拉應(yīng)變超限而引起；如果剪跨比比較大時，四點(diǎn)彎的加載形式逐漸向跨中作用集中力的加載形式過渡，破壞形式也變?yōu)榭缰械匿摻顔卧睦瓚?yīng)變超限。因此，通過增大剪跨比，能夠充分發(fā)揮碳纖維的抗拉優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)梁的極限承載力，從而提高梁的防變形性能。

3 結(jié)論

碳纖維加固是一種在加固行業(yè)興起的新型加固技術(shù)，具有由于其他加固材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，能對鋼筋混凝土梁進(jìn)行很好的加固，具有很好的變形性能。本文通過分析碳纖維材料的概念和其與其他加固材料相比所具有的加固優(yōu)點(diǎn)，分析了影響碳纖維加固鋼筋混凝土梁變形性能的因素主要有：粘貼層數(shù)、混凝土的強(qiáng)度等級、縱筋配筋率、橫截面高度和剪跨比。希望本文對碳纖維加固技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有一定的參考價值。

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作者簡介：馬守才（1964-），男，回族，甘肅省臨夏市人，蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校副教授，主要研究建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固技術(shù)。