碳纖維布加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

尹云廳

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

碳纖維布加固技術(shù)研究現(xiàn)狀

尹云廳

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)在土木工程中的應(yīng)用是目前國際土木工程領(lǐng)域研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，為此，從CFRP的材料、技術(shù)研究與開發(fā)、市場等角度對(duì)國內(nèi)CFRP加固修復(fù)土木建筑結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與回顧，同時(shí)對(duì)其今后的發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

碳纖維增強(qiáng)塑料；FRP；加固修復(fù)；結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)塑料(簡稱 FRP) 在土木工程中的應(yīng)用近幾年來一直是國內(nèi)外土木工程界研究的一個(gè)熱點(diǎn)，F(xiàn)RP的含義很廣，它指近年來開發(fā)出來的各種高科技纖維材料，其中碳纖維布增強(qiáng)聚合物（簡稱CFRP）是迄今為止應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域最早、技術(shù)最成熟、也是用量最大的一種高科技纖維材料。

1.研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)的材料類型

可用于土木建筑結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的CFRP材料形式有很多種,從國際上看,在長纖維的 CFRP中,用于結(jié)構(gòu)加固修復(fù)最多的材料形式是片材,其次是棒材。在片材中,布狀材料(即在使用前不浸潤樹脂,在施工過程中再給予浸潤)使用量最大,每年達(dá)近200萬m2,折合碳纖維約5×105～6×105kg,且技術(shù)最成熟,美國、日本等國均已有了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。板材的使用量依然較小,但由于該種形式的CFRP利用效率高,近年使用量增長很快。CFRP棒材可用于結(jié)構(gòu)加固,也可用于新建結(jié)構(gòu)中,在結(jié)構(gòu)加固中主要用于橋梁的體外預(yù)應(yīng)力加固,由于其良好的耐腐蝕性,極高的耐疲勞性能以及易于施工等性能,近年來其用量正逐漸增長,研究成果也很多,一些國家已有了正式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。型材中有應(yīng)用實(shí)例的網(wǎng)格型材,但用量較少。其它類型材在土建結(jié)構(gòu)加固上的應(yīng)用基本沒有,但有研究實(shí)例報(bào)道,類型材在新建結(jié)構(gòu)或特殊類結(jié)構(gòu)中會(huì)有所應(yīng)用。特殊構(gòu)造用型材是片材、棒材及型材在實(shí)際中的補(bǔ)充,目前僅有大量使用CFRP的國家和地區(qū)才有。

我國目前對(duì)CFRP布材進(jìn)行了大量研究,對(duì)板材的研究較少,對(duì)棒材的研究也有少數(shù)單位正在進(jìn)行之中,對(duì)其它形式的CFRP材料用于加固修復(fù)結(jié)構(gòu)的研究及其應(yīng)用尚未見報(bào)道。

1.2 碳纖維布加固后梁的抗剪能力

混凝土梁在受力過程中是帶裂縫工作的，梁抗剪能力的發(fā)展實(shí)質(zhì)上就是混凝土和其內(nèi)鋼筋共同抵御裂縫發(fā)展的過程碳纖維布與箍筋類似，它從以下個(gè)方面提高梁的抗剪能力：

（1）部分剪力由與裂縫相交的碳纖維布承擔(dān)。

（2）碳纖維布的約束限制了斜裂縫的擴(kuò)展，并減少其向受壓區(qū)的延伸，在增大的荷載下，“混凝土懸臂”的長度不會(huì)變長，錨固端也不會(huì)變化，抗彎能力得以保持。

（3）可以限制裂縫的加寬，使裂縫兩面能夠保持緊密接觸，使骨料咬合力能繼續(xù)發(fā)揮作用。

（4）可阻止混凝土沿縱向鋼筋的劈裂，提高了銷栓所承擔(dān)的剪力。

隨著斜裂縫的加寬和延伸，碳纖維布上的應(yīng)力將不斷增大，但即使在同一條碳纖維布上，應(yīng)力分布也不是均勻的，在裂縫區(qū)，有一部分的應(yīng)力集中現(xiàn)象，假如以碳纖維布上的平均應(yīng)力來進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)高估碳纖維布的抗剪能力，因此在裂縫處的應(yīng)力集中的影響必須在設(shè)計(jì)中有所反映

1.3 碳纖維加固結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)

碳纖維加固結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用碳纖維材料的特性，將碳纖維粘貼在結(jié)構(gòu)表面，從而起到對(duì)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用。在實(shí)際施工過程中，碳纖維既可以單層粘貼也可以多層粘貼，還可以纏繞。對(duì)于各種不同類型的節(jié)點(diǎn)、不規(guī)則的部位，都可用碳纖維進(jìn)行加固處理。在橋梁加固運(yùn)用中，可粘貼在混凝土梁的頂面或底板上，用以提高梁的撓曲強(qiáng)度和剛度；也可粘貼在梁的腹板上，用以提高其抗剪強(qiáng)度；還可以將碳纖維纏繞在節(jié)點(diǎn)部位以滿足抗震設(shè)計(jì)的要求，具有高強(qiáng)高效、施工便捷、周期短等特點(diǎn)。

在碳纖維結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用中，影響加固質(zhì)量的因素主要有兩方面，一是碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度，二是粘貼碳纖維材料用粘結(jié)劑的剪切強(qiáng)度。碳纖維和混凝土的粘結(jié)質(zhì)量直接影響加固效果加固后，碳纖維與混凝土之間不能有氣泡，不能起鼓。另外，碳纖維布是一種可任意曲折的纖維布材料，施工不受加固長度的影響，適應(yīng)面廣。以上優(yōu)點(diǎn)將使碳纖維加固結(jié)構(gòu)技術(shù)在國內(nèi)未來的加固行業(yè)中起著越來越重要的作用。

2.碳纖維與鋼板復(fù)合加固技術(shù)

隨著結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的不斷發(fā)展，粘貼鋼板和碳纖維(CFRP)加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛運(yùn)用，對(duì)這 2種加固方式加固混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能和使用性能研究已有了一定成果。根據(jù)以往研究可知，這2種加固方式各有其缺點(diǎn)，CFRP加固梁的延性大大降低，粘貼鋼板加固梁對(duì)受拉鋼筋屈服后的抗彎承載力提高有限。因此，將這2種加固方式結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同協(xié)調(diào)工作是一種行之有效的方法。

同濟(jì)大學(xué)的熊學(xué)玉等過1根原梁、3根碳纖維與鋼板復(fù)合加固梁和3根碳纖維加固粱的受彎性能試驗(yàn)，研究碳纖維與鋼板復(fù)合加固鋼筋混凝土粱的裂縫發(fā)展機(jī)理及裂縫寬度計(jì)算方法。研究表明，加固粱的裂縫閱距和裂縫寬度均小于原梁，但次生裂縫有所增加；復(fù)合加同梁的裂縫發(fā)展速度比碳纖維加同梁緩慢，說明復(fù)合加固的限裂作用優(yōu)于碳纖維；隨著負(fù)載的增加，加固粱裂縫的發(fā)展速度加快，限裂作用隨之減弱，最大裂縫寬度曲線出現(xiàn)突變，說明負(fù)載降低了加固的限裂作用，但負(fù)載對(duì)復(fù)合加固限裂作用的影響比碳纖維加固小。

武漢大學(xué)的盧亦焱第通過22根加固混凝土方柱的軸心受壓試驗(yàn)，研究了碳纖維布和角鋼以及兩者復(fù)合加固后混凝土柱破壞特征、受力性能和破壞機(jī)理。對(duì)不同方法加固的混凝土柱的極限承載力、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及剛度和延性等方面進(jìn)行了研究與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合加固混凝土柱充分發(fā)揮了碳纖維布和角鋼加固混凝土柱的各自優(yōu)點(diǎn)，使它們能協(xié)調(diào)工作，共同作用，獲得極為優(yōu)良的力學(xué)性能。極限承載力大幅度提高，混凝土柱的延性得到顯著的改善，混凝土柱的變形能力大大提高?？蔀楣こ虘?yīng)用提供參考。

3 ．結(jié)論

FRP用于土木建筑已是國際土木工程界的一個(gè)熱點(diǎn),由于其優(yōu)異的材料及其使用性能,其應(yīng)用范圍與使用量正以驚人的速度增長。FRP作為一種新型的有發(fā)展?jié)摿Φ慕ㄖ牧?并不是要取代傳統(tǒng)的建筑材料---鋼材與混凝土,而是作為傳統(tǒng)建材的一個(gè)重要補(bǔ)充,CFRP也同樣如此。就國內(nèi)外發(fā)展情況而言,在近2～3年內(nèi)國內(nèi)在CFRP的應(yīng)用上必將得到更快速地發(fā)展,主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)研究開發(fā)。在今后幾年內(nèi),國內(nèi)將有更多的學(xué)校和研究單位加入到CFRP研究開發(fā)中來,從而使我國在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域得到更快速地發(fā)展。在2～3年內(nèi)中國將能夠形成自己的研究應(yīng)用體系,更加重視一些基礎(chǔ)性的研究,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也將初步形成自己的體系。

(2)產(chǎn)品國產(chǎn)化。CFRP的應(yīng)用材料將能夠在1～2年內(nèi)完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,粘貼樹脂將會(huì)形成配套的系列產(chǎn)品。

(3)材料使用量。在今后一段時(shí)間內(nèi),國內(nèi)用量最大的CFRP產(chǎn)品仍將是片材,兩年以后預(yù)計(jì)將達(dá)到每年20萬m2以上,折合碳纖維達(dá)6×104kg以上的用量,棒材將有一定的應(yīng)用,但數(shù)量不會(huì)很大,工程造價(jià)將會(huì)在現(xiàn)有水平上降低50%～80%。

[1]熊學(xué)玉，徐海峰.碳纖維與鋼板復(fù)合加固鋼筋混凝土梁裂縫的試驗(yàn)研究.中國鐵道科 學(xué).2012,5（3）:21-27

[2]葛凱，牛斌.碳纖維技術(shù)在橋梁加固工程中應(yīng)用的探討.中國鐵道科學(xué).2006, 7(4):51-55

[3]尚守平，彭暉.預(yù)應(yīng)力碳纖維布材加固混凝土梁受彎性能非線性分析.工程力學(xué).2006,11(11):85-98

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1007-6344（2016）07-0342-01

尹云廳（1993-）男 漢族 四川 碩士研究生 重慶交通大學(xué) 橋梁加固方向