碳纤维钢板复合加固技术应用展望

碳纤维与钢板复合加固技术应用与展望

摘要:钢板及碳纤维增强塑料在混凝土结构加固中的应用是目前的热点。本文从应用材料、加固技术等角度，对国内混凝土结构加固修复现状作了回顾，并对钢板及碳纤维增强塑料复合加固的应用前景进行了展望。

关键词:钢板；碳纤维；复合加固

present status of research and application of composite rehabilitation with cfrp and steel plate and its outlook abstract: the application of stee1 plate and carbon fiber reinforced polymer (cfrp) in civil engineering is a hot spot. this paper reviews the use of the civil architectural structures strengthened and repaired with steel plate and cfrp in china in the light of material and technical research at the same time, an outlook of composite rehabilitation with steel plate and cfrp is a1so given.

key words: steel plate, cfrp, composite rehabilitation 1 前言

近些年，房屋结构如何抵抗自然或人为灾害影响日益受到人们重视。地震具有难以预见并且非常强烈的破坏力，对人民的生命财产安全构成极大的威胁。我国处在世界上最为活跃的两个地震带中间，是地震多发的国家。有40%以上的地区位于7度地震烈度区，有70%的自万人口大城市处于此地震区内，上个世纪，我国先后经

历了邢台、海城、唐山等强烈地震；2008年的汶川地震，更是给人民的生命财产造成了巨大的损失。在我国，许多建于50年代或更早的房屋大多没有采用抗震措施；还有近年来所建房屋，由于设计、施工等原因，或由于原地区抗震等级的提高，不能满足抗震设防要求。因此，应该特别重视建筑结构的抗震加固问题。建筑物都有一定的设计基准使用期，我国取为50年，而我国在建国后建造的大量房屋有的已经接近50年。同时，有很多因素会缩短现有建筑结构的使用寿命，除地震作用外还包括物理老化、化学腐蚀、社会需求的变化、设计标准的提高等等。其具体表现是过量的变形(位移)、较大的裂缝，或在构件上出现各种各样的损伤。这些问题的出现，会对结构的安全和使用性能造成影响，但经过采取适当的技术措施进行加固改造构，仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求。

2 混凝土结构补强加固技术现状

随着人们对建筑物补强加固研究课题投入的增多，相应的研究成果也越来越多。钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：加大截面加固法，外包钢加固法，预应力加固，粘钢加固，玻璃钢加固，喷射混凝土，粘贴碳纤维材料等技术。但由于原有建筑的存在，加固施工场地狭窄，又常受到己有设备、管道和结构构件的约束，施工设备和机具操作困难，常规施工方法难以奏效，大型机械设备无法使用，稍大的预制构件无法进入现场。并且结构方案又受到原有结构形体的束缚，现有建筑结构的形式，跨度，高度，结构构件截面

尺寸等因素都在一定程度上了结构方案的选择范围，设计者必须结合原有结构体系，根据实际结构的条件来具体分析，提出合理的加固方案。综合各方面性能，粘钢法和粘贴碳纤维法因其高强高效，基本不增加原结构自重及原构件尺寸，施工便捷等原因逐渐成为最常用的加固方法。 3 粘贴钢板加固法

3.1 粘钢加固法的特点和应用范围

粘钢(bonding steel plates)加固法即用特制的结构胶将钢板粘贴于原结构表面，使钢板与原结构牢固形成一个整体，共同受力和变形，从而达到增强原结构强度或刚度的目的。其原理同钢筋与混凝土之间共同作用关系本质上是一样的： 将钢板粘贴于钢筋混凝土构件受拉或受压表面，利用建筑结构胶良好的粘结性能，有效地传递应力使原有钢筋混凝土构件与钢板形成一体，将钢板作为钢筋的一部分，行使钢筋职能。这是一种有效的、简便的加固方法，具有明显的时间、经济效益上的优势。在国内外，己经成功地用这种方法加固了许许多多建筑物，包括住宅、办公建筑以及桥梁等。 这种复合系统的关键在于其复合介质——结构胶的性能。结构胶介质作用的发挥有赖于胶体传递应力的能力，而这种能力反过来又取决于肢体与混凝土和胶体与钢板的粘结及界面剪应力，以及胶体的刚度、柔度和粘性。当结构胶的性能能够得以保证时，粘贴钢板加固法即为一种有效的加固方法。工程实践表明其主要有以下的优点:

(1)性能好，基本不增加构件及结构的荷载，不改变原设计的结构体系和受力形式。

(2)所占空间小，不影响被加固结构外观和使用空间。 (3)加固施工周期短。 (4)耗材少，经济合理。

(5)在有效提高原构件的承载力的同时还通过大面积的钢板粘贴，有效地保护了原构件的混凝土，裂缝的开展，提高了原构件的刚度和抗裂能力。

3.2 粘钢加固的适用范围和材料要求 (1)适用范围

根据试验结果，建筑结构胶的粘结抗剪强度随温度而变，当温度高于60℃时，强度开始下降。试件长期泡在水中，强度也有所降低。因而粘钢加固法仅适用于环境温度不超过60℃，相对湿度不大于70%，以及无化学腐蚀的环境中。构件混凝土强度不能低于c15过低，否则不能发挥钢板和胶粘剂的作用。 (2)材料要求

粘钢加固的前提是结构胶能够保证加固钢板与混凝土之间的有效粘结，从而使二者之间在受力时能够共同作用。目前国内外均采用环氧树脂作为主剂，并在配方及工艺方面进一步采取降低变形的措施，以满足混凝土结构加固的需要。目前我国己生产出了多种适合粘钢加固技术应用的结构胶，其中代表性的主要jgn i.11型。强度高、耐久性好、具有一定弹性。

4 粘贴破纤维加固法

纤维增强塑料(frp) 最早用于军工和航空航天领域。frp 种类主要包括碳纤维增强塑料(cfrp)、(gfrp) 和芳纶纤维增强塑料(afrp)。近年来，纤维类材料因其较好结构性能和耐久性能在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。随着材料技术的发展，现在已开发了多种高科技纤维材料。在所有的这些纤维材料中，碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域技术，用量最大的一种高科技材料。

碳纤维有很多种类，其中pan 基碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，非常适用于土木工程领域。用于建筑结构补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同水平上并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。碳纤维材料的这些特点，为建筑结构的补强与加固提供了技术支持。

应用frp加固混凝土结构的优势主要有以下几点：

(l) frp材料轻且薄，基本不增加原结构自重及原构件尺寸； (2) 高强高效，能够有效提高混凝土结构的承载力和延性，改善其受力性能；

(3) 施工便捷，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少；

(4) 具有较强的耐腐蚀性能。

碳纤维材料在土木工程领域的应用己非常广泛，概括起来夫要有以下几种途径:

(1)在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土； (2)长丝制成束状(棒材)在现挠混凝土中代替钢筋用于新建结构；

(3)将碳纤维制成织物(片材)，粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固，是重点研究的一个方面，也是实际工程中应用最多的一种。

在钢筋混凝土结构加固中，frp材料的成型工艺主要有两种:第一种工艺为湿粘法，即将纤维布在现场用树脂浸润粘贴，是目前应用最为广泛的一种方法；第二种工艺是将frp 材料预制成各种型材。湿粘法在现场施工中适用性较广，特别是可用于曲面和角部的粘贴，而预制法则能使质量得到更好的控制。

尽管纤维的种类和成型工艺不同，所有三种frp材料的应力一应变关系是相同的：受拉时线弹性上升直至脆断。这是frp材料的一个重要特性，用于结构加固时必须予以重视。用于结构加固时，frp的脆性性能会对结构性能产生以下两点重要影响：第一，frp材料不像钢筋那样具有延性，其脆性性能会加固后钢筋混凝土结构的延性；第二，frp材料的脆性性能了应力的重分布。因此，外贴frp 材料的加固设计，不能简单地按照现有钢筋混凝土结构的设计方法，将frp 作为钢筋进行代换。 5 复合加固的现状及展望

根据对粘钢及粘贴碳纤维加固性能的研究发现，这两种加固方法均各有其优点和不足：碳纤维加固后梁的承载力有明显提高，碳纤维布层数越多，梁的承载力提高幅度越大。但对构件的刚度有一定的影响。与普通钢筋混凝土受弯构件相比，对cfrp加固构件，无论其最后是哪一种破坏形式，加固后截面的延性大幅度降低，同时由于纤维材料的脆性性能，其破坏具有一定的突然性。而对于粘钢加固，可以明显提高梁的刚度及梁的极限承载力。钢板越厚，承载力越大，但由于钢板并不如cfrp 柔软，且加固用钢板厚度也不宣过大，故在粘结时对粘钢的层数有一定的，一般不超过二层。 因此，如采用cfrp 与钢板的复合加固方式可弥补单一材料加固方法的不足，一方面能满足构件承载力提高的要求，另一方面也可以解决对cfrp 材料的错固，改善被加固构件的延性，使施工过程更便捷。

但笔者发现目前的研究尚存在以下问题：

(1) 受力模型有待进一步完善。构件在加固后结构体系受力复杂：加固后的结构多半属于组合结构或组合截面，新旧两部分共同工作，因此结构受力程度，以及新旧材料的结合情况和施工措施等都对加固结构的受力性能有相当大的影响，因此分析难度很大。一般情况下，加固结构属于二次受力结构，新旧两部分存在着应变和应力不同步发展的现象，新加部分材料的潜力有时得不到充分利用。另外，对部分构件的加固有时还会改变结构体系的刚度分布，便加国后结构体系在外力作用下受力的分配模式发生改变，可能会

出现一些新的薄弱环节。现有文献的研究多集中于一次受力，且构件都是在完好的状态下进行加固的，这与实际情况下，构件受力甚至己产生裂缝的状态不符。

(2) 大多数文献资料都仅限于对受拉区的加固，而对粘接锚固可靠的粘纤维加固受弯构件，其正截面可能产生纤维拉断破坏或混凝土压碎破坏两种破坏形态。截面的破坏状态与截面的配筋量、外贴纤维的用量以及混凝土的强度等级有关。在混凝土强度和原有配筋率不变的情况下，当纤维配置率较小时，截面的破坏是以纤维拉断破坏为标志，随着碳纤维配置率的增大，截面将产生界限破坏，即在纤维拉断的同时混凝土压碎，当纤维配置率继续增大时，截面的破坏以混凝土的压碎为标志。

因碳纤维是对混凝土梁受拉区的加固，所以当纤维配置率较大时，构件受力机理可等同于梁底钢筋配筋量增大的超筋梁。此时的梁在开裂前换算截面的中和轴下移，顶面压应变大于底面拉应变。随着弯矩增加，临近梁的破坏时，顶面混凝土首先达到极限抗压强度。构件最终的表现为受压区混凝土被压碎的脆性1 破坏。所以混凝土受压区的加固也是不可忽视的一个重要问题。

(3) 目前讨论矩形梁加固的资料较多，而t 形梁在工程中应用非常广泛，例如在整体式肋形楼盖中，楼板、梁浇注在一起，应按t形截面梁处理。

综上，笔者认为研究利用钢板和碳纤维各自的特点对t形梁在受压区及受拉区进行复合加固并研究其在二次受力状态下的加固

效果应更具有实际的意义。