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【摘要】：在整体上碳纤维是一种高强、轻质且性能出众的新型建筑材料，加强碳纤维在建筑结构加固中的应用的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对碳纤维在建筑结构加固中的应用进行了研究，具有重要的参考意义。
【关键词】：碳纤维 加固
中图分类号：TU472.7 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
目前常用的加固方法有很多，而碳纤维加固修补结构技术是继粘钢加固法与加大混凝土截面加固法之后的又一种新型的结构加固技术。
二、碳纤维在RC框架加固中的应用
1、RC节点区域的加固
众所周知，钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，其框架节点主要包括框架梁和框架柱相交的节点核心区和临近核心区的梁端和柱端。并且其受力情况较为复杂，我国的《结构加固修复用碳纤维片材》也并没有提到关于碳纤维材料加固节点区域的计算方法。目前，我国只有为数不多的大学对碳纤维材料加固节点进行了研究。同济大学的陆洲导教授通过对5个采用碳纤维加固的RC低配箍梁板柱节点用不同方式加固后进行了低周反复试验，对比了试验模型刚度和强度的变化，分析了采用碳纤维加固后节点刚度和承载能力的变化。结果显示：采用碳纤维加固后，结构节点的延性、极限承载能力和抗震性能都有了显著的提高，并且各项性能指标都达到或超过了现行的抗震规范，因此这是一种行之有效的加固方法[1]。广州大学的江传良通过对RC梁柱节点进行拟静力试验，研究了核心区无配箍节点、碳纤维布与钢架联合加固节点和碳纤维布加固节点的抗震性能。试验结果表明：采用碳纤维布——小钢架联合加固法和碳纤维布加固法均可以显著提高节点的极限承载能力和屈服承载能力，提高节点的延性，并使其强度和刚度的退化趋于缓和，增强了耗能能力与吸能能力。[2]余琼等比较了受损节点与未受损节点采用碳纤维加固后的试验情况，结果显示：受损节点与未受损节点结果碳纤维加固后其极限承载能力均有所提高，并且提高效果相近；而受损节点对柱的极限位移影响较小[3]。
2、RC柱的加固
RC柱在承受轴向压力时,构件的破坏是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的。如能在构件周围建立起横向的约束,以阻止受压构件的这种横向扩张,就可以增强构件变形能力和抗压承载力[4]。
碳纤维加固RC柱的原理就是使柱混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用。受横向界面约束应力的作用,塑性區的核心混凝土处于三向应力状态。混凝土的承载能力与极限压应变会比单向受力状态时有所提高。在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下,并不考虑失稳的影响;当混凝土受压产生横向变形时,碳纤维布可以约束混凝土变形,加大混凝土的极限压应变,因而推迟了受压区混凝土的破碎,充分发挥纵筋的塑性变形性能,改善钢筋混凝土框架柱的延性,从而提高框架柱的抗震性能与承载能力。李殿平、孙晓巍等通过对相关试验结果的分析得出：当构件的混凝土强度相对较低时用碳纤维布加固效果较好；采用碳纤维布加固钢筋混凝土矩形柱时，对柱子转角部位进行倒圆角处理可以提高加固柱的延性，随着角部圆弧半径的增大，加固柱的延性提高幅度也随之增大[5]。
3、RC梁的加固
依照加固梁的破坏特性,在极限状态下受拉钢筋屈服、碳纤维失效、混凝土被压坏的原则,并结合现行的《混凝土结构设计规范》中关于正截面受弯承载力计算的基本原理,做出如下假定[6]:
（1）平截面假定。用碳纤维加固钢筋混凝土梁截面符合平截面假定。
（2）应力—应变物理关系。碳纤维采用理想弹性应力应变关系，即当0≤εcf≤εcfμ时，σcf=εcfEcf；当εcf=εcfμ时，σcf=σcfμ。碳纤维加固RC梁的技术原理在于，碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点。加固修复钢筋混凝土梁所用碳纤维材料主要为两种: 碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍, 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两倍以上, 且耐久性和施工性能良好, 是很好的一种加固修复材料; 配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂, 前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结效果, 而后者的作用则是使混凝土与碳纤维能够形成一个整体, 并且可以协同受力, 提高结构构件的抗剪、抗弯承载能力, 达到对结构构件进行补强、加固的效果。用碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固时，首先应对框架梁的混凝土强度进行检测，以便为后续工作提供参考，接下来应当通过对加固梁抗弯承载力和抗剪承载力进行计算以便对碳纤维布进行设计[6]。
三、碳纤维加固的施工
其工艺原理是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维）；用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。碳纤维布在粘贴施工时需要遵循下述程序：混凝土表面打磨、清理干净→涂打底胶→刮找平胶→刷浸润胶→粘贴CFRP→刷浸润胶→CFRP表面处理→表面防护处理。
其中：
1、混凝土表面的处理是决定工程质量的关键，确保混凝土面坚硬平滑才能充分发挥碳纤维布的共同受力。
（1）被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构坚硬新面。应清理被加固构件表面有缺陷的混凝土，并且用修复材料将表面修复平整。转角粘贴处要进行处理并打磨成圆弧状，圆弧半径应不小于20mm。
（2）必要时应按设计要求对裂缝进行灌浆封闭处理。
（3）混凝土表面的灰尘需清理干净并用丙酮进行擦拭以保持干燥。
2、涂打底胶
（1）打底胶用于混凝土表面，具有一定的渗透作用，可在混凝土表面形成一个硬化层并有利于找平胶和浸润胶的粘贴。
（2）涂打底胶之前要仔细检查混凝土表面是否完成了上一道工序的处理。
（3）用滚筒、毛刷等工具将打底胶均匀涂于混凝土表面，待表面指触干燥后，立即进行下一道工序。
3、找平处理
（1）当混凝土表面不够平整时，要用找平胶修复，以便使碳纤维布能够平直的粘贴在混凝土表面。
（2）应对混凝土表面凹陷部位用找平胶填补平整，且不应有棱角。
（3）转角处应用找平胶修复成光滑圆弧，半径不应小于20mm。应在找平胶表面指触干燥后立即进行下一道工序施工。
4、CFRP的粘贴
（1）按设计要求的尺寸裁减碳纤维布；
（2）应按产品说明书要求配置浸润胶并涂于所要粘贴的部位；
（3）用专用滚筒顺着纤维的方向多次滚压，挤除气泡，使浸润胶充分浸透碳纤维布。
（4）多层粘贴重复上述步骤即可，应在纤维表面浸润胶指触干燥后马上进行下一层的粘贴。
（5）在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸润胶。
5、浸润胶
将碳纤维布粘贴在混凝土表面，起到传力的作用，使碳纤维布与被加固构件共同受力，因此在施工中浸润胶应当充分渗透碳纤维布，是确保碳纤维布粘贴施工质量的重要环节。
四、结语
无疑，在整体上碳纤维是一种高强、轻质且性能出众的新型建筑材料，但是就其本身而言也有不足之处，例如碳纤维的抗剪强度较低，延伸率小，还不到一般钢材的1/10，应力应变关系曲线近乎直线，说明其没有塑性区间，因此可以判断，碳纤维本身是一种脆性材料，在设计和计算时应当注意这一点。总之，通过碳纤维布对钢筋混凝土框架的节点区域、柱和梁进行加固是一种行之有效且具有良好经济性能的加固技术，为建筑结构的加固工作提供了广阔的应用空间。
参考文献
［1］陆洲导，谢莉萍，洪涛.碳纤维加固低配箍混凝土梁板柱节点的抗震试验［J］.同济大学学报，2003,31（3）.
［2］江传良.碳纤维布加固钢筋混凝土框架节点的试验研究［D］.广州大学，2006.
［3］余琼，陆洲导.碳纤维加固受损框架节点与未受损框架节点的比较与分析［J］.工业建筑，2003,33（5）.
［4］李殿平，孙小巍，李整建.碳纤维布加固混凝土柱的研究与实践［J］.江苏建筑，2011,3（141）：36-37.
【关键词】：碳纤维 加固
中图分类号：TU472.7 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
目前常用的加固方法有很多，而碳纤维加固修补结构技术是继粘钢加固法与加大混凝土截面加固法之后的又一种新型的结构加固技术。
二、碳纤维在RC框架加固中的应用
1、RC节点区域的加固
众所周知，钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，其框架节点主要包括框架梁和框架柱相交的节点核心区和临近核心区的梁端和柱端。并且其受力情况较为复杂，我国的《结构加固修复用碳纤维片材》也并没有提到关于碳纤维材料加固节点区域的计算方法。目前，我国只有为数不多的大学对碳纤维材料加固节点进行了研究。同济大学的陆洲导教授通过对5个采用碳纤维加固的RC低配箍梁板柱节点用不同方式加固后进行了低周反复试验，对比了试验模型刚度和强度的变化，分析了采用碳纤维加固后节点刚度和承载能力的变化。结果显示：采用碳纤维加固后，结构节点的延性、极限承载能力和抗震性能都有了显著的提高，并且各项性能指标都达到或超过了现行的抗震规范，因此这是一种行之有效的加固方法[1]。广州大学的江传良通过对RC梁柱节点进行拟静力试验，研究了核心区无配箍节点、碳纤维布与钢架联合加固节点和碳纤维布加固节点的抗震性能。试验结果表明：采用碳纤维布——小钢架联合加固法和碳纤维布加固法均可以显著提高节点的极限承载能力和屈服承载能力，提高节点的延性，并使其强度和刚度的退化趋于缓和，增强了耗能能力与吸能能力。[2]余琼等比较了受损节点与未受损节点采用碳纤维加固后的试验情况，结果显示：受损节点与未受损节点结果碳纤维加固后其极限承载能力均有所提高，并且提高效果相近；而受损节点对柱的极限位移影响较小[3]。
2、RC柱的加固
RC柱在承受轴向压力时,构件的破坏是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的。如能在构件周围建立起横向的约束,以阻止受压构件的这种横向扩张,就可以增强构件变形能力和抗压承载力[4]。
碳纤维加固RC柱的原理就是使柱混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用。受横向界面约束应力的作用,塑性區的核心混凝土处于三向应力状态。混凝土的承载能力与极限压应变会比单向受力状态时有所提高。在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下,并不考虑失稳的影响;当混凝土受压产生横向变形时,碳纤维布可以约束混凝土变形,加大混凝土的极限压应变,因而推迟了受压区混凝土的破碎,充分发挥纵筋的塑性变形性能,改善钢筋混凝土框架柱的延性,从而提高框架柱的抗震性能与承载能力。李殿平、孙晓巍等通过对相关试验结果的分析得出：当构件的混凝土强度相对较低时用碳纤维布加固效果较好；采用碳纤维布加固钢筋混凝土矩形柱时，对柱子转角部位进行倒圆角处理可以提高加固柱的延性，随着角部圆弧半径的增大，加固柱的延性提高幅度也随之增大[5]。
3、RC梁的加固
依照加固梁的破坏特性,在极限状态下受拉钢筋屈服、碳纤维失效、混凝土被压坏的原则,并结合现行的《混凝土结构设计规范》中关于正截面受弯承载力计算的基本原理,做出如下假定[6]:
（1）平截面假定。用碳纤维加固钢筋混凝土梁截面符合平截面假定。
（2）应力—应变物理关系。碳纤维采用理想弹性应力应变关系，即当0≤εcf≤εcfμ时，σcf=εcfEcf；当εcf=εcfμ时，σcf=σcfμ。碳纤维加固RC梁的技术原理在于，碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点。加固修复钢筋混凝土梁所用碳纤维材料主要为两种: 碳纤维材料与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍, 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两倍以上, 且耐久性和施工性能良好, 是很好的一种加固修复材料; 配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂, 前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结效果, 而后者的作用则是使混凝土与碳纤维能够形成一个整体, 并且可以协同受力, 提高结构构件的抗剪、抗弯承载能力, 达到对结构构件进行补强、加固的效果。用碳纤维布对钢筋混凝土梁进行加固时，首先应对框架梁的混凝土强度进行检测，以便为后续工作提供参考，接下来应当通过对加固梁抗弯承载力和抗剪承载力进行计算以便对碳纤维布进行设计[6]。
三、碳纤维加固的施工
其工艺原理是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维）；用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。碳纤维布在粘贴施工时需要遵循下述程序：混凝土表面打磨、清理干净→涂打底胶→刮找平胶→刷浸润胶→粘贴CFRP→刷浸润胶→CFRP表面处理→表面防护处理。
其中：
1、混凝土表面的处理是决定工程质量的关键，确保混凝土面坚硬平滑才能充分发挥碳纤维布的共同受力。
（1）被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构坚硬新面。应清理被加固构件表面有缺陷的混凝土，并且用修复材料将表面修复平整。转角粘贴处要进行处理并打磨成圆弧状，圆弧半径应不小于20mm。
（2）必要时应按设计要求对裂缝进行灌浆封闭处理。
（3）混凝土表面的灰尘需清理干净并用丙酮进行擦拭以保持干燥。
2、涂打底胶
（1）打底胶用于混凝土表面，具有一定的渗透作用，可在混凝土表面形成一个硬化层并有利于找平胶和浸润胶的粘贴。
（2）涂打底胶之前要仔细检查混凝土表面是否完成了上一道工序的处理。
（3）用滚筒、毛刷等工具将打底胶均匀涂于混凝土表面，待表面指触干燥后，立即进行下一道工序。
3、找平处理
（1）当混凝土表面不够平整时，要用找平胶修复，以便使碳纤维布能够平直的粘贴在混凝土表面。
（2）应对混凝土表面凹陷部位用找平胶填补平整，且不应有棱角。
（3）转角处应用找平胶修复成光滑圆弧，半径不应小于20mm。应在找平胶表面指触干燥后立即进行下一道工序施工。
4、CFRP的粘贴
（1）按设计要求的尺寸裁减碳纤维布；
（2）应按产品说明书要求配置浸润胶并涂于所要粘贴的部位；
（3）用专用滚筒顺着纤维的方向多次滚压，挤除气泡，使浸润胶充分浸透碳纤维布。
（4）多层粘贴重复上述步骤即可，应在纤维表面浸润胶指触干燥后马上进行下一层的粘贴。
（5）在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸润胶。
5、浸润胶
将碳纤维布粘贴在混凝土表面，起到传力的作用，使碳纤维布与被加固构件共同受力，因此在施工中浸润胶应当充分渗透碳纤维布，是确保碳纤维布粘贴施工质量的重要环节。
四、结语
无疑，在整体上碳纤维是一种高强、轻质且性能出众的新型建筑材料，但是就其本身而言也有不足之处，例如碳纤维的抗剪强度较低，延伸率小，还不到一般钢材的1/10，应力应变关系曲线近乎直线，说明其没有塑性区间，因此可以判断，碳纤维本身是一种脆性材料，在设计和计算时应当注意这一点。总之，通过碳纤维布对钢筋混凝土框架的节点区域、柱和梁进行加固是一种行之有效且具有良好经济性能的加固技术，为建筑结构的加固工作提供了广阔的应用空间。
参考文献
［1］陆洲导，谢莉萍，洪涛.碳纤维加固低配箍混凝土梁板柱节点的抗震试验［J］.同济大学学报，2003,31（3）.
［2］江传良.碳纤维布加固钢筋混凝土框架节点的试验研究［D］.广州大学，2006.
［3］余琼，陆洲导.碳纤维加固受损框架节点与未受损框架节点的比较与分析［J］.工业建筑，2003,33（5）.
［4］李殿平，孙小巍，李整建.碳纤维布加固混凝土柱的研究与实践［J］.江苏建筑，2011,3（141）：36-37.