尹云廳

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

碳纖維布加固技術研究現(xiàn)狀

尹云廳

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

碳纖維增強塑料(CFRP)在土木工程中的應用是目前國際土木工程領域研究開發(fā)的一個熱點，為此，從CFRP的材料、技術研究與開發(fā)、市場等角度對國內CFRP加固修復土木建筑結構的研究與應用進行了總結與回顧，同時對其今后的發(fā)展與應用前景進行了展望。

碳纖維增強塑料；FRP；加固修復；結構

纖維增強塑料(簡稱 FRP) 在土木工程中的應用近幾年來一直是國內外土木工程界研究的一個熱點，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，其中碳纖維布增強聚合物（簡稱CFRP）是迄今為止應用于土木工程領域最早、技術最成熟、也是用量最大的一種高科技纖維材料。

1.研究應用現(xiàn)狀

1.1 碳纖維增強塑料(CFRP)的材料類型

可用于土木建筑結構加固修復的CFRP材料形式有很多種,從國際上看,在長纖維的 CFRP中,用于結構加固修復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,每年達近200萬m2,折合碳纖維約5×105～6×105kg,且技術最成熟,美國、日本等國均已有了標準規(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棒材可用于結構加固,也可用于新建結構中,在結構加固中主要用于橋梁的體外預應力加固,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準規(guī)范。型材中有應用實例的網(wǎng)格型材,但用量較少。其它類型材在土建結構加固上的應用基本沒有,但有研究實例報道,類型材在新建結構或特殊類結構中會有所應用。特殊構造用型材是片材、棒材及型材在實際中的補充,目前僅有大量使用CFRP的國家和地區(qū)才有。

我國目前對CFRP布材進行了大量研究,對板材的研究較少,對棒材的研究也有少數(shù)單位正在進行之中,對其它形式的CFRP材料用于加固修復結構的研究及其應用尚未見報道。

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)展實質上就是混凝土和其內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。

（2）碳纖維布的約束限制了斜裂縫的擴展，并減少其向受壓區(qū)的延伸，在增大的荷載下，“混凝土懸臂”的長度不會變長，錨固端也不會變化，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，提高了銷栓所承擔的剪力。

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

1.3 碳纖維加固結構施工特點

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

在碳纖維結構技術應用中，影響加固質量的因素主要有兩方面，一是碳纖維材料的抗拉強度，二是粘貼碳纖維材料用粘結劑的剪切強度。碳纖維和混凝土的粘結質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，適應面廣。以上優(yōu)點將使碳纖維加固結構技術在國內未來的加固行業(yè)中起著越來越重要的作用。

2.碳纖維與鋼板復合加固技術

隨著結構加固補強技術的不斷發(fā)展，粘貼鋼板和碳纖維(CFRP)加固修復混凝土結構已廣泛運用，對這 2種加固方式加固混凝土受彎構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，CFRP加固梁的延性大大降低，粘貼鋼板加固梁對受拉鋼筋屈服后的抗彎承載力提高有限。因此，將這2種加固方式結合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同協(xié)調工作是一種行之有效的方法。

同濟大學的熊學玉等過1根原梁、3根碳纖維與鋼板復合加固梁和3根碳纖維加固粱的受彎性能試驗，研究碳纖維與鋼板復合加固鋼筋混凝土粱的裂縫發(fā)展機理及裂縫寬度計算方法。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；復合加同梁的裂縫發(fā)展速度比碳纖維加同梁緩慢，說明復合加固的限裂作用優(yōu)于碳纖維；隨著負載的增加，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，說明負載降低了加固的限裂作用，但負載對復合加固限裂作用的影響比碳纖維加固小。

武漢大學的盧亦焱第通過22根加固混凝土方柱的軸心受壓試驗，研究了碳纖維布和角鋼以及兩者復合加固后混凝土柱破壞特征、受力性能和破壞機理。對不同方法加固的混凝土柱的極限承載力、應力-應變關系以及剛度和延性等方面進行了研究與分析。試驗結果表明，復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，使它們能協(xié)調工作，共同作用，獲得極為優(yōu)良的力學性能。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锰峁﹨⒖?。

3 ．結論

FRP用于土木建筑已是國際土木工程界的一個熱點,由于其優(yōu)異的材料及其使用性能,其應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)建材的一個重要補充,CFRP也同樣如此。就國內外發(fā)展情況而言,在近2～3年內國內在CFRP的應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,國內將有更多的學校和研究單位加入到CFRP研究開發(fā)中來,從而使我國在該項技術領域得到更快速地發(fā)展。在2～3年內中國將能夠形成自己的研究應用體系,更加重視一些基礎性的研究,標準規(guī)范也將初步形成自己的體系。

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

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

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

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

[3]尚守平，彭暉.預應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.2006,11(11):85-98

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尹云廳（1993-）男 漢族 四川 碩士研究生 重慶交通大學 橋梁加固方向