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【摘 要】 近年来，使用碳纤维片材加固补强混凝土结构的新技术在我国得到了广泛的应用，是土木工程界的一个研究与应用的热点。本文较为详尽地介绍了碳纤维片材的性能、特点，在混凝土结构加固领域的应用及方法，综述了此种新型加固方法在国内外的研究及应用现状，并指出今后的发展趋势。
【关键词】 碳纤维片材；加固；混凝土结构；现状与展望
【Abstract】 The new technology of strengthening RC structures with carbon fiber reinforced polymer has been applied widely in recent years， and it has been a hot focus in the civil engineering society. In this paper， the properties and performance of CFRP are introduced in detail as well as the application and the method of this technology in the RC structural strengthen field. The present status and outlook of research on this new technology are also presented in this paper.
【Keyword】 CFRP systems strengthening RC structures present status and outlook
0.引言
碳纤维片材（CFRPsystems）是碳纤维布（carbonfibersheet）及碳纤维板（carbonfiberlaminate）的总称。使用碳纤维片材加固修复混凝土的技术是20世纪80年代开始在国际上研究应用的一种混凝土结构外部补强加固的新技术。该技术自1997年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。外部粘贴碳纤维片材加固混凝土结构的技术有很多优点：可有效地提高已有构件的强度和刚度，而构件的尺寸及自重几乎不增加，耐腐蚀性好，施工过程简便，施工质量容易保证等。近年来，碳纤维片材已广泛地应用于桥梁、建（构）筑物、隧道、涵洞及其它各种混凝土结构的加固补修工程之中，这方面的研究工作开展得也比较多。2003年出版的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程CECS146：2003》（以下简称《规程》）是我国第一个纤维增强材料加固修复混凝土结构技术领域的技术标准。笔者近年来参与了一些工程实践，本文在此基础上，总结了近年来该领域中的主要研究成果，并针对这门技术在我国的健康应用与发展提出了几个观点。
1.材料特性
CFRP乃英文CarbonFiberReinforcementPolymer的缩写，即碳纤维增强塑料。碳纤维是把聚丙烯晴、人造纤维、石油或煤沥青、苯酚树脂等原料，在不活泼气体中经2000～3000℃的高温烧成纺线一样等东西，使其碳素化而制造出来的具有质轻、高强、耐腐蚀等高性能的无机纤维。碳纤维是直径约7～10μm的碳原子丝，工业上用的碳纤维丝是将6000～24000根这样的碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于人的1根头发丝。碳纤维布就是连续碳纤维单向或多向排列、未经树脂浸渍固化、在施工过程中再给予浸润的布状碳纤维制品。而碳纤维板是经树脂浸渍固化的板状碳纤维制品，施工中再用树脂将其粘贴于结构表面，类似于粘贴钢板。从国际上看，用于结构加固修复最多的碳纤维材料中，布材使用量最大，每年达近200万m2，折合碳纤维约5×105～6×105kg，且技术最成熟，美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了标准规范。板材的使用量依然较小，但由于该种形式的CFRP利用效率高，近年使用量增长很快。
2.抗弯加固研究
2.1加固方法及效果
用碳纤维片材进行抗弯加固，一般是把碳纤维片材粘贴在混凝土结构的受拉区，使之与混凝土构件共同承受荷载，以提高构件受弯承载力。为了达到不同的加固强度，可以根据具体情况设计所需碳纤维片材的层数。
目前，这方面的研究工作进行得比较多，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、同济大学以及武汉大学结构加固研究中心等单位均做过这方面的研究。相关试验研究表明，使用碳纤维片材加固混凝土梁，可以大幅提高混凝土的抗弯承载力及刚度，在正常使用情况下，抗弯刚度提高约17%～99%，抗弯强度提高约19%～99%。加固后的梁与未加固的梁相比，在钢筋屈服以前，碳纤维片材所起的作用不大，当钢筋屈服以后，加固后的梁挠度增长速度要缓，整个荷载—挠度曲线呈三折线形，并且在同一荷载水平下，挠度值要比未加固梁小。对于裂缝的开展，加固后的梁较未加固的梁出现晚，分布均匀，而且裂缝间距和宽度要小。在试验中还发现，对于同样用量的碳纤维片材，粘贴方式会对裂缝的开展产生影响。
2.2加固后正截面受弯承载力分析
国内外的试验研究表明，在钢筋混凝土梁的受拉面粘贴碳纤维片材进行受弯加固时，截面应变分布仍符合平截面假定，且在二次受力情况下，平截面假定对二阶段截面应变增量分布也适用。因此CFRP受弯加固构件的正截面受弯承载力计算仍可按钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基本假定进行。但正如前面所述，CFRP材料的受力性能与传统的钢筋混凝土材料相比有很大的差别，即直至拉断均表现为线弹性性质，且拉断时呈明显的脆性，故关于CFRP受弯加固构件的延性概念和受弯承载力极限状态与普通钢筋混凝土有显著差别。目前，国内外工程界对CFRP加固混凝土构件的承载能力极限状态及其可靠度有较大的争论。如取CFRP的允许极限拉应变，这样，加固后构件的受弯承载能力余量系数约为1.13，而变形能力余量系数可达1.6，可见，取CFRP的允许极限拉应变作为极限状态定义是具有足夠可靠度的。这与《钢筋混凝土设计规范》规定受拉钢筋的拉应变不应超过0.01是一致的。 根据试验研究成果，碳纤维加固梁的破坏形式主要有以下四种：①受拉钢筋先达到屈服，然后受压区混凝土压坏，此时碳纤维片材未达到其允许拉应变；②受拉钢筋先达到屈服，然后碳纤维片材超过其允许拉应变，并达到极限拉应变而拉断，而此时受压区混凝土尚未拉坏；③加固量过大，在受拉钢筋达到屈服前受压区混凝土压坏；④碳纤维片材与混凝土间产生粘结剥离破坏。在进行受弯加固时应按前两种破坏形态进行设计，类似于普通钢筋混凝土结构，按照力矩平衡和力平衡原则，根据平截面假定，可推算出相应的计算公式。对于第3种破坏形态可通过控制加固量来避免，《规程》中规定受压区高度不宜大于，利用力的平衡条件推导出了钢筋应力刚好达到屈服强度的同时混凝土受压边缘应变也达到极限应变的碳纤维片材的最大加固用量。对于第四种破坏形态一般是通过粘贴构造或锚固措施予以保证。
影响CFRP受弯加固正截面受弯承载力的主要因素有：配筋特征值；反映CFRP用量的加固特征值；对于二次受力情况，二次受力参数，即初始弯矩M1与极限弯矩Mu0的比值。其中Acf，fcf为碳纤维片材的截面面积和抗拉强度，Mu0为加固前的受弯承载力，其它符号同钢筋混凝土。通过影响参数分析，主要结论有：1）发生第一种破坏时，极限弯矩随增加呈非线性增加，发生第二种破坏时，极限弯矩随增加呈线性增加；2）加固前的配筋特征值较小时，CFRP受弯加固可显著提高受弯承载力；3）当加固特征值已经很大时，进一步增加的受弯加固效率很低；4）β<0.25时，二次受力对屈服极限和极限弯矩基本没有影响；随着β的增加，屈服弯矩和极限弯矩有减小的趋势，且对于加固特征值较小的情况，减小趋势显著一些，应考虑二次受力的影响。
3.抗剪加固研究
利用碳纤维片材对钢筋混凝土构件进行抗剪加固的原理是利用碳纤维片材的抗拉能力来约束混凝土受剪斜裂缝的出现与开展。加固粱采取的粘贴方式主要有封闭粘贴、U形粘贴、侧面粘贴；加固柱粘贴方式一般为封闭粘贴。试验表明，碳纤维片材加固混凝土构件，可以显著地提高其抗剪能力，抗剪强度提高幅度可达65%～95%，同时可以提高混凝土构件的延性，约束抗剪裂缝的出现并限制其发展。在试验中发现，碳纤维片材对混凝土构件进行抗剪加固，主要的破坏形式为由于应力集中导致碳纤维片材与混凝土之间发生剥离破坏，影响了碳纤维片材受剪加固作用的发挥。这种破坏形式对于U形粘贴和侧面粘贴尤其严重。
scf——碳纤维片材条带净间距；tcf——单层碳纤维片材厚度；wcf——碳纤维片材条带宽度。公式（1）是按碳纤维片材纤维方向与构件方向轴向垂直的情况给出的.试验研究表明碳纤维片材加固性能与纤维布粘贴方向有关，当纤维布粘贴方向与剪切裂缝方向垂直时，抗剪加固效果最明显，《规程》中未给出此类粘贴方式的计算公式。
4.碳纤维片材加固混凝土结构技术的应用前景
碳纤维片材加固混凝土结构在我国起步虽然较晚，但起点高，发展迅猛。目前，我国已建在建混凝土建（构）筑物中很多由于设计、施工的缺陷和长期使用过程中的损伤老化或灾害造成的混凝土结构开裂，抗震能力下降，承载力不足等问题，所以目前国内加固维修市场庞大，碳纤维片材加固混凝土结构技术的应用前景相当广阔，已成为了土木工程界又一新的经济增长点。根据这几年的研究应用情况，应做好以下几点，以使这项技术得到健康、快速的发展。
（1）完善与该项技术相关的生产、设计、施工、验收及试验等各环节的配套标准，尽快规范加固市场秩序；
（2）成立专业性组织，发挥其协调指导作用，克服现在研究方面重复性的试验研究较多的缺点；
（3）开展受力机理，长期受力性能方面的深入研究。目前虽然有少量这方面研究的论文发表，但总的来说，目前的研究还停留在的基本性、验证性的层面上；
（4）推动碳纤维片材及粘贴用树脂生产的国产化，降低研究和应用成本，加快该项新技术在我国的推广与应用；
（5）粘结材料有其正常使用温度的限制，在较高温度下强度严重退化，因此碳纤维加固在火灾情况下的性能应着重引起注意；
参考文献：
1.徐福泉，陶学康，张景明.碳纤维增强塑料加固钢筋混凝土结构新技术.建筑科学，2002，18（5）：25-28
2.叶列平，崔卫，岳清瑞，胡孔国.碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析.建筑结构，2001，31（3）：3-5
3.吴善能，虞晓红.考虑二次受力碳纤维布加固设计方法.住宅科技，2001，（3）：20-22
4.赵彤，谢剑，戴自强.碳纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载力试验研究.建筑结构，2000，30（7）：21-25
5.张轲，岳清瑞，叶列平等.碳纤维布加固混凝土柱改善延性的试验研究.工业建筑，2000，30（2）：16-19
6.王滋军，刘伟庆，姚秋来.碳纤维布加固钢筋混凝土梁锚固方式试验研究.工业建筑，2003，33（2）：16-18
7.张继文，吕志淘，滕锦光，S.T.Smith.外部粘贴碳纤维或钢板加固梁中粘结界面应力分析.工业建筑，2001，31（6）：1-4
8.吴春秋，侯建国，戴晓艳.碳纤維片材加固混凝土梁中粘结界面应力的有限元分析.四川建筑科学研究，2004、01
【关键词】 碳纤维片材；加固；混凝土结构；现状与展望
【Abstract】 The new technology of strengthening RC structures with carbon fiber reinforced polymer has been applied widely in recent years， and it has been a hot focus in the civil engineering society. In this paper， the properties and performance of CFRP are introduced in detail as well as the application and the method of this technology in the RC structural strengthen field. The present status and outlook of research on this new technology are also presented in this paper.
【Keyword】 CFRP systems strengthening RC structures present status and outlook
0.引言
碳纤维片材（CFRPsystems）是碳纤维布（carbonfibersheet）及碳纤维板（carbonfiberlaminate）的总称。使用碳纤维片材加固修复混凝土的技术是20世纪80年代开始在国际上研究应用的一种混凝土结构外部补强加固的新技术。该技术自1997年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。外部粘贴碳纤维片材加固混凝土结构的技术有很多优点：可有效地提高已有构件的强度和刚度，而构件的尺寸及自重几乎不增加，耐腐蚀性好，施工过程简便，施工质量容易保证等。近年来，碳纤维片材已广泛地应用于桥梁、建（构）筑物、隧道、涵洞及其它各种混凝土结构的加固补修工程之中，这方面的研究工作开展得也比较多。2003年出版的《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程CECS146：2003》（以下简称《规程》）是我国第一个纤维增强材料加固修复混凝土结构技术领域的技术标准。笔者近年来参与了一些工程实践，本文在此基础上，总结了近年来该领域中的主要研究成果，并针对这门技术在我国的健康应用与发展提出了几个观点。
1.材料特性
CFRP乃英文CarbonFiberReinforcementPolymer的缩写，即碳纤维增强塑料。碳纤维是把聚丙烯晴、人造纤维、石油或煤沥青、苯酚树脂等原料，在不活泼气体中经2000～3000℃的高温烧成纺线一样等东西，使其碳素化而制造出来的具有质轻、高强、耐腐蚀等高性能的无机纤维。碳纤维是直径约7～10μm的碳原子丝，工业上用的碳纤维丝是将6000～24000根这样的碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成，其粗细仅相当于人的1根头发丝。碳纤维布就是连续碳纤维单向或多向排列、未经树脂浸渍固化、在施工过程中再给予浸润的布状碳纤维制品。而碳纤维板是经树脂浸渍固化的板状碳纤维制品，施工中再用树脂将其粘贴于结构表面，类似于粘贴钢板。从国际上看，用于结构加固修复最多的碳纤维材料中，布材使用量最大，每年达近200万m2，折合碳纤维约5×105～6×105kg，且技术最成熟，美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了标准规范。板材的使用量依然较小，但由于该种形式的CFRP利用效率高，近年使用量增长很快。
2.抗弯加固研究
2.1加固方法及效果
用碳纤维片材进行抗弯加固，一般是把碳纤维片材粘贴在混凝土结构的受拉区，使之与混凝土构件共同承受荷载，以提高构件受弯承载力。为了达到不同的加固强度，可以根据具体情况设计所需碳纤维片材的层数。
目前，这方面的研究工作进行得比较多，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、同济大学以及武汉大学结构加固研究中心等单位均做过这方面的研究。相关试验研究表明，使用碳纤维片材加固混凝土梁，可以大幅提高混凝土的抗弯承载力及刚度，在正常使用情况下，抗弯刚度提高约17%～99%，抗弯强度提高约19%～99%。加固后的梁与未加固的梁相比，在钢筋屈服以前，碳纤维片材所起的作用不大，当钢筋屈服以后，加固后的梁挠度增长速度要缓，整个荷载—挠度曲线呈三折线形，并且在同一荷载水平下，挠度值要比未加固梁小。对于裂缝的开展，加固后的梁较未加固的梁出现晚，分布均匀，而且裂缝间距和宽度要小。在试验中还发现，对于同样用量的碳纤维片材，粘贴方式会对裂缝的开展产生影响。
2.2加固后正截面受弯承载力分析
国内外的试验研究表明，在钢筋混凝土梁的受拉面粘贴碳纤维片材进行受弯加固时，截面应变分布仍符合平截面假定，且在二次受力情况下，平截面假定对二阶段截面应变增量分布也适用。因此CFRP受弯加固构件的正截面受弯承载力计算仍可按钢筋混凝土构件正截面受弯承载力计算的基本假定进行。但正如前面所述，CFRP材料的受力性能与传统的钢筋混凝土材料相比有很大的差别，即直至拉断均表现为线弹性性质，且拉断时呈明显的脆性，故关于CFRP受弯加固构件的延性概念和受弯承载力极限状态与普通钢筋混凝土有显著差别。目前，国内外工程界对CFRP加固混凝土构件的承载能力极限状态及其可靠度有较大的争论。如取CFRP的允许极限拉应变，这样，加固后构件的受弯承载能力余量系数约为1.13，而变形能力余量系数可达1.6，可见，取CFRP的允许极限拉应变作为极限状态定义是具有足夠可靠度的。这与《钢筋混凝土设计规范》规定受拉钢筋的拉应变不应超过0.01是一致的。 根据试验研究成果，碳纤维加固梁的破坏形式主要有以下四种：①受拉钢筋先达到屈服，然后受压区混凝土压坏，此时碳纤维片材未达到其允许拉应变；②受拉钢筋先达到屈服，然后碳纤维片材超过其允许拉应变，并达到极限拉应变而拉断，而此时受压区混凝土尚未拉坏；③加固量过大，在受拉钢筋达到屈服前受压区混凝土压坏；④碳纤维片材与混凝土间产生粘结剥离破坏。在进行受弯加固时应按前两种破坏形态进行设计，类似于普通钢筋混凝土结构，按照力矩平衡和力平衡原则，根据平截面假定，可推算出相应的计算公式。对于第3种破坏形态可通过控制加固量来避免，《规程》中规定受压区高度不宜大于，利用力的平衡条件推导出了钢筋应力刚好达到屈服强度的同时混凝土受压边缘应变也达到极限应变的碳纤维片材的最大加固用量。对于第四种破坏形态一般是通过粘贴构造或锚固措施予以保证。
影响CFRP受弯加固正截面受弯承载力的主要因素有：配筋特征值；反映CFRP用量的加固特征值；对于二次受力情况，二次受力参数，即初始弯矩M1与极限弯矩Mu0的比值。其中Acf，fcf为碳纤维片材的截面面积和抗拉强度，Mu0为加固前的受弯承载力，其它符号同钢筋混凝土。通过影响参数分析，主要结论有：1）发生第一种破坏时，极限弯矩随增加呈非线性增加，发生第二种破坏时，极限弯矩随增加呈线性增加；2）加固前的配筋特征值较小时，CFRP受弯加固可显著提高受弯承载力；3）当加固特征值已经很大时，进一步增加的受弯加固效率很低；4）β<0.25时，二次受力对屈服极限和极限弯矩基本没有影响；随着β的增加，屈服弯矩和极限弯矩有减小的趋势，且对于加固特征值较小的情况，减小趋势显著一些，应考虑二次受力的影响。
3.抗剪加固研究
利用碳纤维片材对钢筋混凝土构件进行抗剪加固的原理是利用碳纤维片材的抗拉能力来约束混凝土受剪斜裂缝的出现与开展。加固粱采取的粘贴方式主要有封闭粘贴、U形粘贴、侧面粘贴；加固柱粘贴方式一般为封闭粘贴。试验表明，碳纤维片材加固混凝土构件，可以显著地提高其抗剪能力，抗剪强度提高幅度可达65%～95%，同时可以提高混凝土构件的延性，约束抗剪裂缝的出现并限制其发展。在试验中发现，碳纤维片材对混凝土构件进行抗剪加固，主要的破坏形式为由于应力集中导致碳纤维片材与混凝土之间发生剥离破坏，影响了碳纤维片材受剪加固作用的发挥。这种破坏形式对于U形粘贴和侧面粘贴尤其严重。
scf——碳纤维片材条带净间距；tcf——单层碳纤维片材厚度；wcf——碳纤维片材条带宽度。公式（1）是按碳纤维片材纤维方向与构件方向轴向垂直的情况给出的.试验研究表明碳纤维片材加固性能与纤维布粘贴方向有关，当纤维布粘贴方向与剪切裂缝方向垂直时，抗剪加固效果最明显，《规程》中未给出此类粘贴方式的计算公式。
4.碳纤维片材加固混凝土结构技术的应用前景
碳纤维片材加固混凝土结构在我国起步虽然较晚，但起点高，发展迅猛。目前，我国已建在建混凝土建（构）筑物中很多由于设计、施工的缺陷和长期使用过程中的损伤老化或灾害造成的混凝土结构开裂，抗震能力下降，承载力不足等问题，所以目前国内加固维修市场庞大，碳纤维片材加固混凝土结构技术的应用前景相当广阔，已成为了土木工程界又一新的经济增长点。根据这几年的研究应用情况，应做好以下几点，以使这项技术得到健康、快速的发展。
（1）完善与该项技术相关的生产、设计、施工、验收及试验等各环节的配套标准，尽快规范加固市场秩序；
（2）成立专业性组织，发挥其协调指导作用，克服现在研究方面重复性的试验研究较多的缺点；
（3）开展受力机理，长期受力性能方面的深入研究。目前虽然有少量这方面研究的论文发表，但总的来说，目前的研究还停留在的基本性、验证性的层面上；
（4）推动碳纤维片材及粘贴用树脂生产的国产化，降低研究和应用成本，加快该项新技术在我国的推广与应用；
（5）粘结材料有其正常使用温度的限制，在较高温度下强度严重退化，因此碳纤维加固在火灾情况下的性能应着重引起注意；
参考文献：
1.徐福泉，陶学康，张景明.碳纤维增强塑料加固钢筋混凝土结构新技术.建筑科学，2002，18（5）：25-28
2.叶列平，崔卫，岳清瑞，胡孔国.碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析.建筑结构，2001，31（3）：3-5
3.吴善能，虞晓红.考虑二次受力碳纤维布加固设计方法.住宅科技，2001，（3）：20-22
4.赵彤，谢剑，戴自强.碳纤维布提高钢筋混凝土梁受剪承载力试验研究.建筑结构，2000，30（7）：21-25
5.张轲，岳清瑞，叶列平等.碳纤维布加固混凝土柱改善延性的试验研究.工业建筑，2000，30（2）：16-19
6.王滋军，刘伟庆，姚秋来.碳纤维布加固钢筋混凝土梁锚固方式试验研究.工业建筑，2003，33（2）：16-18
7.张继文，吕志淘，滕锦光，S.T.Smith.外部粘贴碳纤维或钢板加固梁中粘结界面应力分析.工业建筑，2001，31（6）：1-4
8.吴春秋，侯建国，戴晓艳.碳纤維片材加固混凝土梁中粘结界面应力的有限元分析.四川建筑科学研究，2004、01