碳纖維加固技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)梁加固中的應(yīng)用綜述

高全發(fā)

摘 要：本文采用對(duì)損傷鋼結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行修復(fù)，這種加固方法可以有效地恢復(fù)結(jié)構(gòu)承載力。粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性，優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方法，碳纖維加固適用面廣，節(jié)省空間，而且基本不增加。加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方法。提出了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方法以及存在的問題，總結(jié)了國內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘結(jié)修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的研究狀況，并對(duì)碳纖維加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)可以有效提高鋼結(jié)構(gòu)梁承載力，以及鋼結(jié)構(gòu)梁的抗疲勞強(qiáng)度作用進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：剛結(jié)構(gòu);質(zhì)量輕;可塑性好

引言

鋼結(jié)構(gòu)是一種質(zhì)量輕，可塑性好，可循環(huán)利用的建筑材料，在建筑工程中應(yīng)用很廣泛，而鋼結(jié)構(gòu)工程中，也面臨很多問題，例如：設(shè)計(jì)方面不合理，施工方面不合理，有時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑也會(huì)遇到自然災(zāi)害，這些因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程很不利。所以需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。采用碳纖維加固設(shè)計(jì)有諸多優(yōu)點(diǎn)：碳纖維的抗拉強(qiáng)度很高，而且具有超高的抗疲勞能力，可以與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作，能夠有效提高鋼結(jié)構(gòu)梁的抗拉強(qiáng)度，承載力穩(wěn)定性，以及抗疲勞能力。

1 加固技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加固方面的優(yōu)勢(shì)

（1）碳纖維片材的比強(qiáng)度和比剛度都很高，采用較小尺寸的碳纖維片材就可以達(dá)到以往大尺寸金屬板材的加固效果，而且新增加的碳纖維片材的自重很輕，對(duì)原結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生絲毫影響。（2）通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度以及受力情況特點(diǎn)分析，采用合理的加固方法，這樣不同的結(jié)構(gòu)部位可以具有多種方法，利于統(tǒng)一設(shè)計(jì)。（3）對(duì)特別復(fù)雜形式的結(jié)構(gòu)采用法加固是非常適用的。（4）在抵抗反復(fù)作用力產(chǎn)生疲勞損傷與腐蝕性物質(zhì)的侵蝕方面，具有很大優(yōu)勢(shì)。（5）加固方法是一種無損加固方法。這種方法不需要破壞原有結(jié)構(gòu)的完整性，基本上不削弱基體的承載能力，也不產(chǎn)生新的應(yīng)力集中源和切斷纖維體的原材料。它大大避免了損壞和開裂的可能性。

2 粘結(jié)修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外的研究概況

目前來說，碳纖維加固技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，我們知道，碳纖維加固混凝土以及碳纖維擊鼓鋼筋混凝土已經(jīng)很常見，可見碳纖維加固技術(shù)在加固混凝土結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)比較成熟，而碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)還處于初始階段，碳纖維加固技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，我們主要介紹國內(nèi)外碳纖維加固技術(shù)在加固鋼結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展。鑒定及加固技術(shù)在國外發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較早，且具有一定的理論研究成果。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

碳纖維加固技術(shù)在國外一些發(fā)達(dá)國家開始較早，最早始于20世紀(jì)80年代的日本等一些發(fā)達(dá)國家，是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，該技術(shù)是將碳纖維應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)，用樹脂類材料把碳纖維粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，與構(gòu)件協(xié)同工作，從而大大改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能。

國外一些學(xué)者對(duì)碳纖維加固技術(shù)做出了諸多重大成果，Chajes et al采用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)法對(duì)一些鋼筋混凝土梁完成了對(duì)用環(huán)氧粘結(jié)的玻璃纖維版來修不鋼筋混凝土梁的實(shí)驗(yàn)。預(yù)測(cè)復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁的應(yīng)力應(yīng)變，可以通過建立分析模型的方式來實(shí)現(xiàn)，Nanni et al引進(jìn)了對(duì)用片加固的鋼筋混凝土桿的設(shè)計(jì)程序An et al基于變形的協(xié)調(diào)性和力的平衡對(duì)矩形和T型梁建立了一個(gè)分析模型。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國碳纖維加固技術(shù)的研究開始于 1996 年左右，在 1998 年運(yùn)用于工程實(shí)踐。我國一些學(xué)者和研究人員在研究碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面取得重大成果。

西南交通大學(xué)張世賢研究了碳纖維的性能特點(diǎn)，通過研究提出了采用碳纖維加固的簡化計(jì)算方法——近似估算法。同時(shí)也研究了碳纖維加固的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義、適用性、耐久性等問題。在編寫著作方面的研究，岳清瑞通過對(duì)應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)材料修復(fù)缺陷鋼結(jié)構(gòu)（CFSS）新技術(shù)的研究，編寫了第一部此方面的著作。長安大學(xué)蔣紅章研究了在初始幾何缺陷存在的條件下壓彎構(gòu)件的極限承載力變化規(guī)律，并分析了在粘貼碳纖維增強(qiáng)材料對(duì)壓彎構(gòu)件極限承載力的影響及增強(qiáng)機(jī)理。

3 碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)梁可以有效提高鋼梁的受彎性能

（1） 山東建筑大學(xué)趙考重教授等利用碳纖維片材和粘鋼對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件進(jìn)行混合加固處理，有效地改善鋼梁的受力性能提高了梁的承載力和剛度。碳纖維加固混凝土構(gòu)件已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，趙教授通過驗(yàn)證了碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件可行性。碳纖維有環(huán)氧樹脂結(jié)合在一起后具有很高的抗拉強(qiáng)度，彈性模量與鋼材相仿，適合和鋼材結(jié)合在一起共同工作。本實(shí)驗(yàn)采用了在H型鋼的受壓區(qū)粘貼鋼板條，在受拉區(qū)粘貼碳纖維片材， 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件進(jìn)行加固的一種混合加固方法。加載方式采用分級(jí)加載，鋼梁經(jīng)歷了彈性階段，塑性階段，破環(huán)階段，并得出了何在-位移曲線。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到，在強(qiáng)度方面，在H鋼梁粘貼三層碳纖維片后，其承載力提高了25%。加固后，H型鋼的承載力有所提高， 但纖維的強(qiáng)度不足。剛度方面：碳纖維強(qiáng)度高，彈性好，提高了鋼梁的剛度，而且結(jié)構(gòu)受壓區(qū)增加了鋼板條，結(jié)構(gòu)的截面積增加。加固后雖然可以提高構(gòu)件的承載力，但是提高的幅度是有限值的，主要取決于鋼板條與型鋼梁之間的粘結(jié)力以及鋼板條的面積。

（2） CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的特點(diǎn)彈性模量高，抗拉強(qiáng)度高， 耐腐蝕。Deng等通過采用CFRP對(duì)鋼梁進(jìn)行加固研究。通過控制CFRP的厚度和長度，加載方式采用跨中集中力和三分點(diǎn)集中力的加載方法。最終得出結(jié)論：同樣厚度的CFRP，其長度改變對(duì)加固鋼梁的剛度影響不大，但能提高鋼梁的承載能力;CFRP長度過小，很容易發(fā)生鋼材與膠層之間的界面剝離破壞;同樣長度的CFRP，其厚度增加不一定能提高加固梁的承載能力， 因?yàn)镃FRP厚度越大，其端部界面應(yīng)力越大，會(huì)提前發(fā)生剝離破壞。

4 結(jié)語

碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)梁的方法是直接粘貼在受拉鋼結(jié)構(gòu)的底部，可使碳纖維和鋼結(jié)構(gòu)梁受拉部分共同受力，協(xié)同工作，有效提高了鋼結(jié)構(gòu)梁的承載力。對(duì)于形狀不規(guī)則的鋼梁，可將碳纖維網(wǎng)加工成各種形狀，對(duì)于工字形鋼梁，矩形鋼梁，鋼混梁等不規(guī)則鋼梁都非常實(shí)用。對(duì)于受損的鋼梁，采用碳纖維進(jìn)行加固可有效恢復(fù)鋼結(jié)構(gòu)梁的剛度和承載力的損失，也可以有效保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)梁免遭腐蝕。在將碳纖維粘貼到鋼結(jié)構(gòu)上的過程中，將碳纖維粘貼到鋼結(jié)構(gòu)受損部分的表面，通過膠帶層將荷載傳遞到碳纖維結(jié)構(gòu)上，以減少鋼結(jié)構(gòu)的損傷，防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，從而延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。

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