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浅析碳纤维在工程加固中的应用

【摘要】本文介绍了碳纤维加固的发展历史及现状、加固原理

及原则、及加固后结构抗震性能的分析，并对其发展前景进行了预

测。

【关键词】碳纤维；加固补强；性能

碳纤维复合材料(简称cfrp)加固修复技术是近年来在发达国家

兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维

应用于土木工程，利用树脂类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面,

形成复合材料体，通过其与结构或构件的协同工作，提高结构构件

的(抗弯、抗剪)承载能力，达到cfrp对结构构件补强加固及改善

受力性能的目的。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量，加固修复

混凝土量轻及耐腐蚀性好等特点。

加固修复结构所用碳纤维材料主要有碳纤维与配套树脂2种。

其中碳纤维重量轻，厚度薄，比重为钢的1/4，单位面积重量约为

钢板的1/100，抗拉强度约为钢材的10倍，厚度约为0.1～0.2mm，

而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚

至在钢材的2倍以上，具有良好的耐久性及耐腐蚀性能，耐酸、碱、

盐及大气环境的腐蚀，与混凝土有效接触面积达80%以上。且施工

性能与耐久性良好,是一种很好的加固修复材料。配套树脂包括底

层树脂、整平材料及粘贴树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的

粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合

性整体，并且共同工作。提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达

到对结构构件进行加固、补强的目的。

1碳纤维加固的历史与现状

碳纤维在土木工程中的应用是在80年代以后开始的，1983年

日本三菱化学公司的谷木谦介先生率先开始碳纤维力学性能及在

工程加固应用方面的研究工作，首先采用碳纤维对烟囱进行加固，

获得成功，并逐步用于旧结构物和新建结构物的加固中，为碳纤维

的应用开辟了一条新的途径。随后该项技术逐步推广到美国、德国、

加拿大等发达国家，其中以混凝土结构物维修加固实例最多。1997

年，我国引入了这项新技术后，立刻引起了工程界的关注，在房屋

和桥梁的修复加固中大量地采用了这项新技术并掀起了研究和应

用高潮，目前虽然取得一定的成果，但至今尚未形成系统的理论。

随着cfrp的引入和应用，我国成立了碳纤维专业委员会，很多高

校、科研院所的科研人员开始了对cfrps加固技术的研究，对

cfrp的材料性能、设计计算方法已有了一定的认识。2003年中

国碳纤维专业委员会正式出台了《碳纤维片材加固修复混凝土结构

技术规程》。

2碳纤维的加固原理

贴碳纤维加固法之所以较大限度的提高构件的强度，关键在于

它神秘的科学原理。迄今为止，世界上还没有人能完全地将其原理

阐述出来。但是国内外学者大都认为碳纤维抗剪加固时的作用类似

箍筋在对混凝土梁抗剪加固中，碳纤维的作用虽然类似于箍筋，但

由于其本身和混凝土梁的锚固不同于箍筋。碳纤维的破坏形态与箍

筋相比，多了一个粘结破坏。对于同一根梁来说，如果采用u形锚

固，在梁破坏时，靠近支座处的斜裂缝在梁底部，该处碳纤维布有

较大的锚固长度，所以往往发生碳纤维被拉断破坏；而靠近加载点

处的斜裂缝在梁顶部通过，该处碳纤维锚固长度很短，所以往往发

生粘结破坏。从工程和设计的角度来讲，是不希望出现粘结破坏的，

为了避免粘结破坏产生，往往通过一些构造措施来避免。除此“箍

筋”观点之外，有一些学者持有其它不同观点。如“桁架-拱模型

模型”原理，它则认为钢筋混凝土受剪传力机制同时也存在“桁

架”作用和“拱”作用。

3碳纤维加固设计依据及原则

3.1梁、板结构补强

碳纤维材料加固混凝土梁板结构构件有以下几种方式:①沿构

件的主轴方向粘贴碳纤维,以提高构件的抗弯能力；②沿构件主轴

垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与箍筋共同分担剪力以提高构件的

抗剪承载力。

3.1.1碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件

梁、板是建筑工程中的典型受弯构件。钢筋混凝土受弯构件的

抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，即梁板跨中的下

部以及连续板、连续梁、悬臂板等支座处的上部，沿受力筋方向粘

贴，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘

贴碳纤维