盐城碳纤维加固蓝图设计

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碳纤维(C FRP)复合材料具有耐腐蚀、耐紫外线、轻质、高强和非磁性等特点，作为工程材料在80年代初其物理力学性能获得了突破性的改善和提高。碳纤维较初应用局限于航天、军事和船舶工程，后来范围逐步扩大到土木工程领域，加固修复混凝土结构是自80年代末至90年代初在初在欧美和日本等发达国家兴起的一项新技术， 目前这项技术已成为土木工程领域研究的热点。

 

1．碳纤维优越的物理力学性能

碳纤维材料较突 的优点在于它的轻质高强，其比强度是钢材的20～50倍，因此采用碳纤维材料将会大大减轻结构的自重；碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性，可以在酸、碱、盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀，这是传统结构材料难以相比的；碳纤维材料适用面广，可以广泛应用于各种结构类型、结构形状、结构部位，加固后不影响结构的形状和结构的外观，这是所有的传统加固方法无法比拟的，尤其是一些重要的结构加固工程如桥梁、桥墩、桥板以及一些大型的简体和壳体；另外，碳纤维材料还具有施工便捷，工效高，没有湿作业，不需要大型机具，不占用大范围的施工空间。碳纤维布质地柔软，可以把它卷成筒状，方便运输，可以就地任意裁剪；由于其质量轻，使用一般的脚手架可以进行手工粘贴。碳纤维材料所具有上述优势为它应用于结构加固提供了有力的**。

 

 

2 CFRP复合材料在加固混凝土结构中的应用现状

CFRP用干混凝土结构加固修补的研究始于20世纪80年代美、日等发达国家，80年代末及90年代初，日本的众多大学、科研机构、材料生产厂家相继进行大量了的研究。CFRP以其优异的力学性能、简便的施工工艺、良好的耐腐蚀和耐久性得到了普遍的认同。特别是在日本阪神大地震以后，用CFRP加固修复混凝土结构，尤其是进行抗震加固，在日本、韩国、美国及欧洲有些国家和地区得到迅速的发展。

自l996年以来，我国开始对CFRP加固修复土木建筑结构进行了研究。2000年6月， 中国土木工程学会混凝土分会成立了“纤维增强塑料及其工程应用**”，到目前已有近l 0个科研院所(以国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川省建筑科学研究院为代表)，l 0余所高校(以清华大学、东南大学、同济大学为代表)对其技术性能开展了约20项的研究，取得了大量的科研成果，为我国碳纤维材料在工程中的应用奠定基础。

近年来，国内在CFRP加 建筑结构的研究上作了大量的工作，现将其总结如下：

 

2．1粱

主要是简支梁的抗弯和抗剪加固，包括梁的动载疲劳性能，梁的预应力加固性能等的试验研究，对加固后梁的裂缝，变形、刚度等进行了观察I·I。盛光复等人通过外部粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁剪弯段，研究碳纤维条不同粘贴高度和开口端有无压条的不同情况的梁的抗剪破坏特征、受剪承载力及影响因素进行了研究与分析，并将试验结果与规程的设计计算值进行了比较 l；李忠献等通过对碳纤维加固粱抗扭性能研究，应用变角度空间桁架模型对箱梁模型的抗扭承载力进行理论计算，并与试验结果进行比较i，l李源等人对普通钢筋混凝土梁和预应力混凝土梁进行了加固后的疲劳试验研究。试验研究表明，碳纤维布加固的混凝土梁经200万次疲劳后，强度和刚度不会降低，不会发生剥落和脆断现象，符合实用要求。

2．2板

板作为一种重要的受弯构件，在加固领域同样得到研究人员和工程师们的审视。主要研究板存使用碳纤维加崮后承载力的改善，挠度和裂缝的改善情况。

2．3柱

主要研究混凝土柱加固后轴压力下应力一应变全曲线；加固后抗剪、抗弯能力的提高；抗震性能的改善，包括滞回耗能能力、延性性能、弯矩一曲率关系等。王苏岩等人考虑了碳纤维布用量、粘贴方式、纤维布条带间距等因素对约束效果的影响，给出了碳纤维布约束高强混凝土方柱峰值应力和峰值应变的计算公式及其应力一应变关系模型。试验表明，加固后高强混凝土柱体的抗压强度都有一定的提高；其中纤维布用量增大时，抗压强度增强；全包试件比条带式包裹承载力增强效果显着。加固后试件的应力一应变曲线的下降段趋于平缓，廷性有所提高，但破坏时仍具有较大的脆性I l程亚鹏等提出了在条带加固描述碳纤维含量的指标，即相对纤维条带宽度‘frp并以此为参数对采用不同‘frp值加固的圆形混凝土轴心受压短柱进行试验研究。试验研究表明，这种加固方式能有效提高混凝土柱的承载力I ；王苏岩等人对高强混凝土柱在低周反复荷载作用下受力性能的试验研究，探讨了碳纤维布对高强混凝土柱延性的改善作用，包括加固后柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、廷性系数等性能特点。试验表明，使用碳纤维布横向缠绕高强混凝土柱可显着提高柱的延性，改善柱的抗震性能。

 

2．4节点

由于节点处构造复杂， 目前各种加固方法(包括CFRP加固)都没有很好地解决节点加固的施工问题。王步等人采用两种碳纤维布加固核心区外侧梁、柱端的方法，进行了五个足尺混凝土框架节点的低周反复加载试验，以检验加固后节点核心区抗剪性能的改善效果，并针对不同加固方法，对碳纤维布的增强机理进行了分析研究。

2．5构造连接

主要研究碳纤维布抗弯加固时合理的搭接长度和锚固长度，抗剪加固时端部不同锚固形式对加固效果的影响；不同种类粘结剂对界面粘结性能的影响。姚谏和滕锦光采用FRP板 混凝七块搭接接头的单剪试验方法，考虑FRP板的搭接长度．支座高度变化、试件对中偏位．FRP板与混凝土块的宽度比等因素，对FRP与混凝土的粘结强度进行了深入研究。

2．6砌体结构和钢结构

除了对混凝上结构进行研究应用外，有学者对使用碳纤维加固砌体结构和钢结构进行了研究。主要研究砌块墙体加固后其荷载．变形能力及改善结构性能等方面。于敬海等人通过碳纤维布加固混凝土小型空心砌块墙体在周期反复荷载作用下受力性能的试验，研究了用粘贴碳纤维布来增强混凝土小型空心砌块墙体抗震能力这种加固方法的有效性。

 

2．7力学分析

研究主要集中在界面剥离机理模型的建立和有限元分析(目前主要为二维分析 抗剪模型的建立及一些简化算法。通过试验研究了U形箍的抗剥离机理和设置位置，u形箍量和形式等对梁底碳纤维布抗剥离性能的影响，并根据试验研究结果给出了设置u形箍的有关建议 ；根据根碳纤维布加固梁的试验研究结果，采用商业有限元程序MSC．Marc建立有限元模型，进行了非线性计算分析。根据分析和试验结果，引入了“有效锚固粘结长度”和“锚固粘结应力”的概念，给出了荷载下锚固粘结应力的计算建议。

 

 

2．8耐久性及长期性能

主要研究采用碳纤维布加固后混凝土构件的耐大气腐蚀性、耐水性等，如树脂与混凝土粘结后混凝土的正拉粘结强度、面内剪切粘结强度、弯曲粘结强度在快速暴露试验后的变化。任慧滔等通过快速冻融试验、碱化试验、浸水试验、湿热试验研究了腐蚀环境对纤维增强聚合物复合体力学性能的影响。试验结果表明， 碳纤维增强聚合物(CFRP)的耐久性能较好，在各种暴露条件下，力学性能没有明显退化；采用快速冻融循环试验和湿热试验，研究了腐蚀环境对FRP与混凝土粘结性能、FRP加固混凝土梁、柱受力性能的综合影响。结果表明：FRP与混凝土粘结性能下降较大，FRP加固混凝土结构具有较好的耐久性能。

 

2．9加固形式

在加固的形式上，大部分采用的是底面加固形式，但根据工程实际需要，也有采用其他加固形式。研究了采用在混凝土构件侧面粘贴碳纤维布这种新形式加固受弯构件的受力性能，研究了该种加固梁的荷载、变形、开裂和碳纤维布粘贴形式对加固效果的影响 为了充分利用碳纤维的高抗拉性能，分别对用普通碳纤维布加固的梁和用预应力碳纤维布加固的梁进行了对比试验，对两种加固方法对梁的破坏特征及承载力、刚度等方面的影响进行了分析入式(NSM)加固法是近两年发展新的加固形式，较外贴加固在某些方面具有明显优势。目前该技术在国内的研究应用尚属空白。李荣和滕锦光等人在这方面作了开创性的研究。

 

3．存在的问题

CFRP加固混凝土结构的技术是目前国际上的研发热点，其力学研究已经取得了很大的进展然而截止到目前，这方面工作还存在一些问题

尽管对加固结构的力学性能进行了一些试验研究，但是系统的理论分析和数值计算却很有限，而这对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的．

CFRP加固混凝土结构的破坏模式，如钢筋屈服一CFRP断裂破坏、钢筋屈服一混凝土压碎、混凝土受压破坏和CFRP板于混凝土面的黏结破坏等各类破坏特性，尚需深入研究；

尽管对CFRP加固构件的弯曲，剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的数量以及施工工艺的影响的研究尚有欠

有关疲劳和抗震性能的研究不足，这对于评价加固结构的综合性能，预测其二次寿命至关重要；

CFRPJJN~构件与结构其他部分或整体的协调性如何，荷载的重分布引起的局部破坏可能，连接点的削弱程度等方面尚待研究；

6)CFRP和构件的粘结性能如何，CFRP的利用率和用量计算等方面仍需继续深入探讨。

 

4．结语

CFRP加固修复混凝土结构技术研究开发成功后，将给土木建筑领域加固改造技术带来重大变革，采用碳纤维加固修复混凝土结构技术将带来重大的经济和社会效益。CFRP加固修复混凝土结构技术成功开发，将为碳纤维材料及其他高性能纤维材料应用于建筑业打下深厚的基础，开辟出新的产业途径，同时将会较大地带动我国碳纤维高技术领域的发展，促进行业技术进步，为土木工程研究工作拓宽领域。然而，新的加固结构体系集合了复合材料与钢筋混凝土的综合特点，要求力学工作者要与材料学家和结构工程师联合，探讨宏观、策观相结合的结构力学和基于新体系的材料损伤破坏力学，建立新体系的评价标准，为制定加固结构的设计施工规范提供理论依据，以推动复合材料加固技术的发展与完善。

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