碳纖維布在土木工程中的應(yīng)用綜述

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 前言

目前關(guān)于CFRP 片材加固和修復(fù)技術(shù)的研究多集中于混凝土結(jié)構(gòu)，而巖土抗滑樁結(jié)構(gòu)的CFRP 應(yīng)用還尚不多見，且參考文獻(xiàn)資料較少。從研究方法上主要分為三種：（1）理論分析；（2）試驗(yàn)研究；（3）數(shù)值模擬，本文主要通過上述三種方法分別進(jìn)行對巖土抗滑樁結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)及碳纖維布加固構(gòu)件技術(shù)綜合論述。此外，國內(nèi)外對碳纖維布加固修復(fù)抗滑樁的粘貼方案及不同粘貼方案性能效果的研究較少，因此該論文有很大的改善空間?；率窃谝欢ǖ牡刭|(zhì)條件下，周圍巖土體的力學(xué)平衡破壞，在重力或動力的作用下，土體沿著某一軟弱面、帶向下滑動的現(xiàn)象。除洪水災(zāi)害和地震災(zāi)害，滑坡災(zāi)害是最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，滑坡發(fā)生后災(zāi)害現(xiàn)場，如圖1所示。

近年來，在土木工程領(lǐng)域中關(guān)于碳纖維材料的研究受到里眾多學(xué)者的關(guān)注，新型碳纖維加固修復(fù)技術(shù)有著其自身的優(yōu)勢：強(qiáng)度大、耐腐蝕、使用范圍大、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)的裂縫及破損部位的修補(bǔ)和加固，已經(jīng)在交通工程，水利工程和建筑基礎(chǔ)工程中廣發(fā)應(yīng)用和推廣。經(jīng)調(diào)查研究與閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于碳纖維布加固修復(fù)技術(shù)的研究主要集中于混凝土結(jié)構(gòu)，而碳纖維布加固修復(fù)抗滑樁的應(yīng)用歷史較短，而且目前新型高效的加固技術(shù)理論體系尚不完善遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程應(yīng)用。

圖1 災(zāi)害現(xiàn)場

1 碳纖維在土木工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1 理論研究

碳纖維布抗滑樁是在普通抗滑樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型支擋結(jié)構(gòu)，因而其計(jì)算理論均源于傳統(tǒng)的彈性地基梁理論，碳纖維布抗滑樁與普通抗滑樁最大的區(qū)別就是碳纖維布與抗滑樁利用相互之間的粘結(jié)特性，形成一個新的復(fù)合體，共同承擔(dān)外界荷載，改變了碳纖維布與樁體的荷載分擔(dān)比，大大提高了樁體的承載力。

申永江[1]團(tuán)隊(duì)提出雙排抗滑樁滑坡推力的計(jì)算公式。其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中的監(jiān)測結(jié)果相對比，證明該方法的正確性和適用性。完善了懸臂式雙排樁的設(shè)計(jì)理論體系；王建鋒[2]基于前人研究的基礎(chǔ)上，提出更加先進(jìn)的抗滑樁阻力的計(jì)算理論公式，并提出了抗滑阻力的上、下限計(jì)算方法，該方法可直接用于實(shí)際工程中的阻力計(jì)算；王士川團(tuán)隊(duì)提出抗滑樁彈塑性設(shè)計(jì)模式，通過分析彈塑性區(qū)的穩(wěn)定性，推導(dǎo)出了抗滑樁在錨固段彈塑性區(qū)臨界深度的計(jì)算公式。

微型樁作為一種新型的滑坡支擋結(jié)構(gòu)，其邊坡防治性能優(yōu)于普通抗滑樁，正逐漸代替普通抗滑樁。為此，許多學(xué)者針對微型樁展開了一系列的研究。

鮮飛[3]在溫克勒彈性地基理論的基礎(chǔ)上建立了物理模型，并進(jìn)行試驗(yàn)測試，依據(jù)測試數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)力，繪出內(nèi)力圖，分析微型樁在邊坡加固中的作用機(jī)理、抗滑效果；吳文平[4]針對分析組合結(jié)構(gòu)的微型樁破壞特性，提出更加簡化的力學(xué)計(jì)算公式，并同時(shí)提出了兩種以用來估算微型樁內(nèi)力的方法；姬棟宇[5]分析樁體在土體等效集中荷載、樁側(cè)土體摩擦力和土體自重應(yīng)力外載作用的內(nèi)力分布特征，推導(dǎo)出樁體剪力和彎矩的解析式。并依據(jù)樁體復(fù)合裂紋的分布特征，還得到了樁體結(jié)構(gòu)的KI 和KII 應(yīng)力強(qiáng)度因子解析式和裂紋張開位移COD 計(jì)算式。

1.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究主要有兩種形式：1）室內(nèi)試驗(yàn)；2）室外試驗(yàn)。通過物理模型試驗(yàn)所得的結(jié)論比較有說服力而且也是解決實(shí)際問題的主要有效方式。其中，室內(nèi)物理模型試驗(yàn)與室外現(xiàn)場試驗(yàn)相比較成本低、操作簡易；室外現(xiàn)場試驗(yàn)所得的的結(jié)論更加貼近實(shí)際工程問題，但室外現(xiàn)場試驗(yàn)的開展所要考慮的因素多，比如：場地的選取、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、試驗(yàn)所采用的器械、模型的制作、人員的安排、荷載的施加方式等因素。

我國對土木結(jié)構(gòu)方面的碳纖維研究起步比較晚，在二十世紀(jì)九十年代才開始。目前的研究主要集中在碳纖維加固和修復(fù)鋼筋混凝土橋、梁結(jié)構(gòu)，且該技術(shù)已廣泛應(yīng)用，理論體系上愈加成熟，施工技術(shù)也越來越完善。

2007年，廣西大學(xué)梁金福等人利用8 根矩形梁在不同的試驗(yàn)條件下，對試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、抗彎剛度、裂縫開展情況以及極限承載力進(jìn)行了研究，提出了極限承載力計(jì)算公式；邢麗麗團(tuán)隊(duì)通過從FRP 加固形式、加固效果、影響因素及破壞機(jī)理等方面對混凝土梁的抗剪和抗彎性能兩個方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。并分別從抗剪、抗彎兩個方面對FPR 加固混凝土梁的加固方式及加固效果進(jìn)行了研究與對比。華東交通大學(xué)的李麗以初始損傷、加固長度等為主要研究因素，對碳纖維板加固已受損梁的受彎性能進(jìn)行了研究分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：加固后的損傷梁其承載力可以提高為20%～54%且嵌固長度對該試驗(yàn)有影響；同濟(jì)大學(xué)的張偉平團(tuán)隊(duì)通過對粘貼碳纖維布加固后的梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：縱向碳纖維布可補(bǔ)償主筋面積銹損，橫向U 型箍可抑制縱向碳纖維布的剝離；碳纖維布可以增強(qiáng)銹蝕梁的剛度和提高梁的整體性。

抗滑樁因其抗滑作用效果顯著、實(shí)施安全簡易等優(yōu)勢常應(yīng)用于邊坡加固中。因此，開展關(guān)于抗滑樁在土木工程中的研究探索，具有很大的社會價(jià)值。

陶志平等以具體實(shí)際工程案例為原型，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別進(jìn)行了三種室內(nèi)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)主要分析了坡體內(nèi)部的壓力和位移變化規(guī)律以及模型的受力情況。Nan Li 等進(jìn)行了多次不同方案的振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論表明，邊坡中的微型樁能夠有效提高抗震性，延緩地震滑坡災(zāi)害的發(fā)生，同時(shí)微樁加固后滑坡的坡面可以減小，特別是邊坡腳趾。

1.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬研究方法可以最大程度還原實(shí)際工況，相對于前兩種研究方法，數(shù)值模擬更加有效率，更加節(jié)省成本。有限單元法和有限拆分法目前是解決巖土工程問題的主要數(shù)值模擬方法。

金愛兵等在論文中對懸臂式和埋入式兩種類型的抗滑樁進(jìn)行變形和受力分析，運(yùn)用FLAC 有限差分軟件對錨桿抗滑樁的受力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；申永江等建立雙排抗滑樁有限元模型，采用有限元程序ANSYS 進(jìn)行模態(tài)分析找出了最優(yōu)的樁頂連接方式；俞文虎，袁海江借助plaxis 3D 建立有限元模型，分析了復(fù)雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護(hù)效果。計(jì)算結(jié)果表明：抗滑樁周邊土體位移最大，樁間位移較小，說明樁間位移拱效應(yīng)發(fā)生作用，防止了樁間土體發(fā)生較大的變形。

2 碳纖維加固構(gòu)件的概述

2.1 碳纖維作用機(jī)理

通過利用環(huán)氧樹脂將碳纖維復(fù)合材料粘貼在需要加固修復(fù)的結(jié)構(gòu)表面上，混凝土具有良好的滲透性，碳纖維復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)將形成一個新的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，碳纖維布與結(jié)構(gòu)的結(jié)合從而改善了兩者之間的荷載分擔(dān)比，碳纖維布先受力，并且碳纖維材料受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)，通過改變結(jié)構(gòu)所承受的荷載比值，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力。

2.2 碳纖維加固構(gòu)件施工工藝

2.3 纖維加固構(gòu)件構(gòu)造要求

（1）構(gòu)件拐角處外表面碳纖維布的曲率半徑最小不低于20mm。

（2）當(dāng)采用多條或多層碳纖維布粘貼時(shí)，碳纖維布的搭接長度應(yīng)相互錯開；且沿受力方向的搭接長度最小不低于100mm。

（3）為保證碳纖維布與混凝土更高效率的工作，必要時(shí)應(yīng)采取附加加固措施，例如：錨桿錨索加固措施。

3 總結(jié)與展望

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的加固應(yīng)用技術(shù)，在已經(jīng)在交通工程，水利工程和建筑基礎(chǔ)工程中廣發(fā)應(yīng)用和推廣，并取得了良好的加固效果。但碳纖維材料不具備防火性能，一旦遇到突發(fā)火災(zāi)情況，膠體會受熱融化發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，碳纖維布脫離結(jié)構(gòu)表面，復(fù)合體離散失去承載效果。因此，關(guān)于碳纖維材料防火性能的研究，也是下一步的研究工作重點(diǎn)。隨著地質(zhì)災(zāi)害防治理論和社會實(shí)踐的發(fā)展，這樣一種新型加固方式也將繼續(xù)得到廣泛推廣使用，同時(shí)也將必對我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)產(chǎn)生積極的作用。