纖維復(fù)合材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

范冰倩

（河南大學(xué)， 河南 鄭州 475001）

0 引言

自上個(gè)世紀(jì)60年代起，纖維復(fù)合材料就被納入到了建筑結(jié)構(gòu)加固研究體系中。時(shí)至今日，纖維復(fù)合材料已經(jīng)在我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。建筑結(jié)構(gòu)加固本身是一項(xiàng)非常重要的工作，所以必須要采取科學(xué)有效的加固措施，而纖維復(fù)合材料的應(yīng)用效果久經(jīng)考驗(yàn)，獲得了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可與信賴。本文將實(shí)際對(duì)纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行淺析。

1 纖維復(fù)合材料的概念及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 概念

纖維復(fù)合材料又被稱之為碳纖維復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或碳纖維加強(qiáng)塑料等。碳纖維是一種由碳元素為主要成份構(gòu)成的物質(zhì)，并且它具有很多種類，具體的種類區(qū)別主要在于含碳量的不同，但大多數(shù)碳纖維的含碳量都＞90%。由于碳元素是主要構(gòu)成元素，因此碳纖維具備普通碳元素材料的很多基本性能，例如較強(qiáng)的抗腐蝕性能與耐高溫性能、良好的導(dǎo)熱性能與導(dǎo)電性能等。此外，碳纖維擁有特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如柔軟度好、外形特異性明顯、軸方向強(qiáng)度高、容重比較小等?？偟膩碚f，碳纖維是一類力學(xué)性能較好的新型優(yōu)質(zhì)材料。而纖維復(fù)合材料本身為一種新型的復(fù)合材料，其在建筑結(jié)構(gòu)加固中擁有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與其他材料相比，纖維復(fù)合材料優(yōu)越性較強(qiáng)。具體來說，首先，與普通的鋼材相比，纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值高出10倍以上，其次，與其他材料對(duì)比，纖維復(fù)合材料自振頻率較高，可更好地預(yù)防共振，抗震性能較強(qiáng)；再者，與其他材料對(duì)比，纖維復(fù)合材料耐久性、抗鹽侵蝕性、抗酸侵蝕性及抗堿侵蝕性等較優(yōu)；最后，與其他材料對(duì)比，纖維復(fù)合材料柔軟性、著色性更高，因?yàn)槠渲械臉渲鲜且环N具備流動(dòng)性的物質(zhì)，方便改變成不同形狀，在著色方面也具有很大的選擇空間?；谝陨线@些優(yōu)勢(shì)，纖維復(fù)合材料在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域內(nèi)，獲得了廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景良好。

2 纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用的意義

建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過程中，受外界環(huán)境因素、人為因素等的作用，會(huì)逐漸出現(xiàn)功能降低、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)的情況，而只有通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效加固，才能夠解決這一問題。一般情況下，我國(guó)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用期限多為50年，這意味著大部分建筑結(jié)構(gòu)僅能夠在50年內(nèi)滿足人們的使用需求，而超過50年后若想再繼續(xù)使用，就必須要再次加固建筑結(jié)構(gòu)，否則存在著嚴(yán)重的安全隱患。另外，有時(shí)遇到一些特殊情況，例如地震破壞、外力撞擊破壞等，建筑結(jié)構(gòu)也許不到使用期限就需要進(jìn)行加固。由此可見，加固建筑結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)非常重要的工作。而若想切實(shí)保證建筑結(jié)構(gòu)加固效果，就必須要采取一些科學(xué)有效的加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)。經(jīng)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)用纖維復(fù)合材料來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)加固是一項(xiàng)十分行之有效的方法，我們可以稱這種方法為纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)。利用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，不僅可以良好解決建筑結(jié)構(gòu)受損問題,大大提高建筑結(jié)構(gòu)性能，并且還能夠保存原本的建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)，而不必使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。同時(shí)，纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)在實(shí)際施工過程中非常方便簡(jiǎn)單、省時(shí)省力。無論是對(duì)于工業(yè)建筑還是民用建筑，均可以應(yīng)用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)來提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能；再者，在樓面板加固、鋼筋混凝土梁抗彎等方面，也可以應(yīng)用到纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)。

3 纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)要點(diǎn)

3.1 構(gòu)件表面處理的要點(diǎn)

構(gòu)件表面處理是纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的前期環(huán)節(jié)，主要需注意以下幾項(xiàng)要點(diǎn)：（1）在構(gòu)件表面處理過程中應(yīng)把握好溫度和濕度因素，盡量將溫度控制在6～35℃范圍內(nèi)，構(gòu)件外表層的相對(duì)濕度應(yīng)之85%，且其中含水量須≤4%；（2）在實(shí)際加固施工過程中，加固區(qū)域出現(xiàn)裂縫問題，則應(yīng)立即暫停施工，先對(duì)裂縫進(jìn)行有效修補(bǔ)后再繼續(xù)加固;（3）在實(shí)際加固施工過程中，一旦發(fā)現(xiàn)待加固建筑結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了混凝土缺陷問題，需要立即處理，然后再有效磨平，確保區(qū)域平整，在使用丙酮溶液對(duì)其進(jìn)行反復(fù)清洗，確保區(qū)域內(nèi)干凈，表面無灰塵或油污。總的來說，碳纖維是一類力學(xué)性能較好的新型優(yōu)質(zhì)材料，纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 底膠涂刷的要點(diǎn)

在建筑結(jié)構(gòu)的待加固構(gòu)件上粘貼完纖維復(fù)合材料后，需再涂刷底膠。在底膠涂刷過程中主要需注意以下幾項(xiàng)要點(diǎn):（1）涂刷底膠需使用專門的涂刷工具如滾筒等，以保證涂刷均勻;（2）在涂刷底膠時(shí)，需對(duì)待加固構(gòu)件表面進(jìn)行細(xì)致的涂刷，涂刷邊界不能小于纖維復(fù)合材料的邊界；（3）待底膠凝結(jié)后，應(yīng)仔細(xì)檢查表面的光滑度，一旦發(fā)現(xiàn)了有凹凸不平的地方，應(yīng)及時(shí)用砂紙磨平，確保表面光滑平整。

3.3 找平膠涂刷的要點(diǎn)

待底膠干燥后，應(yīng)仔細(xì)檢查其表面情況，一旦發(fā)現(xiàn)了有凹凸、缺損等問題而又無法通過砂紙來有效磨平時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用找平膠進(jìn)行處理。在找平膠材料的選擇中，需注意選擇與底膠相同的材料進(jìn)行調(diào)制。

3.4 加固技術(shù)的要點(diǎn)

內(nèi)嵌FRP筋加固法具有施工方便、維修費(fèi)用低、可以有效避免加固材料磨損和撞擊等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固改造工程中。加固構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在服役期間同樣會(huì)遭受潮濕、凍融循環(huán)、腐蝕介質(zhì)侵蝕等惡劣環(huán)境，出現(xiàn)FRP筋劣化、FRP筋與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度下降等問題。由于FRP筋與黏結(jié)材料界面和黏結(jié)材料與混凝土界面既是傳遞應(yīng)力的關(guān)鍵部位，又是加固構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，因此開展惡劣環(huán)境下內(nèi)嵌FRP筋加固混凝土界面黏結(jié)性能的研究尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)內(nèi)嵌FRP筋加固混凝土界面黏結(jié)破壞模式、黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)關(guān)系、FRP筋的受拉承載力以及不同影響因素對(duì)界面黏結(jié)性能的影響進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。

3.5 養(yǎng)護(hù)過程中的要點(diǎn)

在應(yīng)用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)加固完畢后，還需做好后期的養(yǎng)護(hù)工作，在養(yǎng)護(hù)過程中需注意以下幾項(xiàng)要點(diǎn):

（1）養(yǎng)護(hù)期間避免受外界干擾和外力沖擊；

（2）養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)≥1d；

（3）養(yǎng)護(hù)期間做好防護(hù)措施，避免受雨水及其他物質(zhì)污染。

4 土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

4.1 纖維復(fù)合材料加固技術(shù)方案設(shè)計(jì)

由于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要將化學(xué)纖維聚合物材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)，首先是規(guī)劃土木工程項(xiàng)目的總體加固策略，然后再確定具體的加固技術(shù)方案。碳纖維材料塑料板在鋼筋混凝土彎曲預(yù)制構(gòu)件的抗彎結(jié)構(gòu)加固，抗剪結(jié)構(gòu)加固和柱抗震等級(jí)結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用較多。在加強(qiáng)彎曲結(jié)構(gòu)時(shí)，碳纖維塑料片的化學(xué)纖維取向應(yīng)與拉伸區(qū)的拉伸應(yīng)力取向一致。當(dāng)增強(qiáng)剪切結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將碳纖維塑料板的化學(xué)纖維取向作為混凝土中的主要張力。應(yīng)力方向是相同的，但是為了使施工更加方便，可以使用化纖方向和預(yù)制構(gòu)件的縱向坐標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。加強(qiáng)抗震等級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將碳纖維布封閉地纏繞在圓柱上。另外，碳纖維材料塑料片還可以沿著預(yù)制構(gòu)件的徑向方向粘貼，可沿著腋下角度粘貼,可在樞轉(zhuǎn)力下對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。當(dāng)在彎曲下加固結(jié)構(gòu)時(shí)，也可以向碳纖維塑料板中添加預(yù)應(yīng)力鋼的方法來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固的實(shí)際效果。碳纖維塑料板還可以用于框架柱和特殊結(jié)構(gòu)，例如殼體，筒倉和煙囪。

4.2 應(yīng)重視纖維復(fù)合材料的研發(fā)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定

碳纖維材料高分子材料目前在國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)用尚不十分廣泛，目前主要應(yīng)用于一些專業(yè)性較高的建筑結(jié)構(gòu)中。主要原因在于許多碳纖維材料產(chǎn)品仍然必須從國(guó)外購(gòu)買，這不僅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)階段依然使用的是國(guó)外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)技術(shù)方法已越來越不適用。迫切需要制定適合于我國(guó)國(guó)情的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑加固施工作業(yè)規(guī)程，以改善碳纖維材料和高分子材料的建筑應(yīng)用技術(shù)。因此，加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料的研發(fā)力度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，并制定適合的材料生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑加固施工作業(yè)規(guī)程，是現(xiàn)階段的重點(diǎn)問題。

4.3 結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程加固技術(shù)應(yīng)用也較為廣泛,但是仍然有很多課題有待解決，主要包括兩個(gè)方面:一是在預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)增技術(shù)研究；另一個(gè)是界面受力性能研究。為了使用該類復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域發(fā)揮更大價(jià)值，還需要進(jìn)一步的深入研發(fā)。

5 結(jié)束語

綜上所述，由于纖維復(fù)合材料的諸多優(yōu)勢(shì)，使得它在建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中展現(xiàn)出了十分重要的應(yīng)用價(jià)值與非常廣闊的發(fā)展前景。但現(xiàn)階段還有許多制約其發(fā)展的因素存在，需要在未來一段時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用的研究。CFRP板與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力不是通過試驗(yàn)直接得到的，而是通過CFRP板變形分析間接得到的。加載開始時(shí)，CFRP板僅在加載點(diǎn)附近區(qū)域生成變形，自由點(diǎn)附近的變形為零，此時(shí)變形傳輸區(qū)域較小。載荷增加時(shí)，載荷端的變形會(huì)增加，并傳遞到自由端。在載荷開始時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力從載荷端分布在不超過60mm的范圍內(nèi)，從自由端逐漸減小到零。隨著負(fù)載的增加，負(fù)載末端的貼合約束也會(huì)相應(yīng)增加，并且貼合約束開始轉(zhuǎn)移至自由末端。接近極限載荷時(shí)，粘結(jié)點(diǎn)會(huì)傳遞到自由端附近，試驗(yàn)將發(fā)生挖方斷裂。使纖維復(fù)合材料加固技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛深入，在建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性建設(shè)中充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。