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与您探讨有关碳纤维复合材料（CFRP）加固在实际工程中的应用

摘  要：碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以承载力及寿命是目前比较流行的，在建筑业中有着广泛的发展前景。本文以一个石化行业的钢筋混凝土框架改造工程应用为例介绍了碳纤维复合材料在因功能改变引起荷载变化的结构构件加固中的计算和施工工艺。

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1碳纤维复合材料（Carbon Fiber Peinforce Plastic）加固是利用类粘接剂（建筑结构胶）将碳纤维粘贴到结构或构件的表面，形成复合材料体，通过碳纤维与构件的协同工作，来结构或构件的承载力和延性的一种加固。采用碳纤维布加固具有以下几个优点：1、抗拉强度高，是普通钢材的10倍，并具有比钢材更好的抗疲劳性能；2、加固后能大大结构的耐腐蚀性及耐久性；3、自重轻（约200g/m2），密度只有普通钢材的1/4；基本不结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广，适合任何形状；4、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），没有湿作业，易于操作，经济性好；5、适用范围广，施工工期短。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达，起步很晚，近年来发展十分迅速，在、、汽车、工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域了广泛的应用。也于2003年编制了碳纤维片材加固混凝土结构规程(CECS146：2003)。本文结合具体的石化行业一钢筋混凝土构架加固工程，介绍了碳纤维加固实例。 

3.1基本假定

碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：

受拉区混凝土的作用忽略不计；

梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；

（3）碳纤维材料采用线弹性应力-应变关系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。

3.2加固设计
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根据碳纤维片材加固修复混凝土结构规程（CECS 146:2003）的规定，采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除，故不考虑二次受力的影响。

碳纤维片材加固施工工艺

一般工艺流程为卸荷—基底处理—涂底胶—找平—粘贴—保护。

考虑本工程特殊施工因素，加固中应进行卸荷。加固前先将板面粉刷层及板面杂物。

本工程加固施工中，应先凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。

基本施工步骤：

⑴基底处理：

①混凝土表面出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。

②混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm）。

③风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。

⑵涂底胶

①按配合比主剂∶固化剂＝3:1配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌。根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间，一般情况下20—50mim内用完。

②将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后（固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准）再进行下一工序施工。一般固化时间为6—24h。

⑶找平

①混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂*，尽量减小高度差。

②转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。

碳纤维质轻高强、耐腐蚀、抗老化，有着优异的力学性能。用其加固补强混凝土结构施工简单便捷，在桥梁维修加固中得到广泛的应用。

一、碳纤维材料特性

碳纤维增强塑料是碳纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而制成的，其力学特点是应力应变量*线弹性，不存在屈服点或塑性区。碳纤维材料具有优异的物理力学性能。加固混凝土构件所用的碳纤维布，是由碳纤维长丝经编织而制成的柔软片材。碳纤维布在编织时，将大量的碳纤维长丝沿一个主方向均匀平铺，用极少的非主方向碳纤维丝将主方向碳纤维丝编织连接在一起，形成很薄的以主纤维方向受力的碳纤维布。碳纤维布的抗拉强度标准值应大于3000Mpa，弹性模量大于2.1×l05MPa.综合材料的物理、力学特性分析，要想大限度地发挥材料自身的优势，适宜将C（RP材料作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别适用于纯受拉构件，工程实践也证明了这一点。目前，用于桥梁加固的碳纤维材料主要是承受拉应力，约束裂缝的开展。

二、在桥梁加固工程的应用

土外表的裂缝伸展到一定程度，主筋外的混凝土保护层则开端脱落，终使T梁布局损失承载功能。

为了保证大桥使用寿命不受到影响，有必要对现已锈蚀的显露钢筋进行除锈并防腐处治；同时，对厚度不够的混凝土维护层选用化学防腐的办法进行防护，以保证构件的正常承载。

2、治理方案选择

（1）治理方案选择。因为该大桥T型预应力钢筋混凝土接连梁梁底部主钢筋布满区域混凝土保护层厚度偏薄，加之大桥地处滨海，构件长时刻显露运用于具有较强腐蚀性的海洋性大气中，为了保证大桥主梁的使用寿命，对主梁底部主钢筋布满区域选用碳纤维补强。

（2）方案的可行性。碳纤维补强技术具有以下优点：

优异的力学性能，可有效用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗拉、抗疲劳、抗震、抗风，控制裂缝及挠度的扩展。

优异的化学稳定性。碳纤维布具有*的抗酸、碱、盐、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化能力。外加防火层后可以有效地防火。因此，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。

材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外型。增加的结构重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。

施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有震动的情况下施工，而不影响补强效果，从而大大缩短了施工断交时间，具有较大的经济效益和社会效益。

碳纤维布建筑加固应用领域碳纤维布建筑加固应用领域张)二应用性能楼房钢筋加固梁柱断裂加固加层抗震加固高架桥梁维修加固剪力墙开门加固阳台断裂加固A自重轻，能在狭小的空间操作，施工不受影响B使用强度高，能灵活的用于抗弯抗剪和抗压的工程结构中C具有优良柔韧性，能包裹复杂的外形构件D各种构件表面桥梁隧洞板梁柱通风桶管道墙体等的抗碱抗化学腐蚀要求E可对织物进行重复利用，覆盖平整；对装修影响小，贮存寿命长；容许操作期限长，在操作前操作中和操作后都允许存在一定的差异抗高温抗蠕变耐磨损抗震性能良。

该体系适用于梁柱板隧道圆形弧等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。碳纤维布加固施工要点卸荷→基底处理→找平→底涂胶→粘贴→保护。施工拟定施工方案和施工计划，应对所使用的碳纤维片材配套树脂机具等作好施工前的工作。混凝土表面处理清除被加固构件表面的剥落疏松蜂窝腐蚀等劣化混凝土，混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。

　　[]年月日，河南郑州，二马路跨正兴街的马路桥因桥体存在安全隐患，贴满了碳纤维布来加固桥梁，数百条“补丁”错综复杂贴于桥底顶部。一应用领域宇航机身方向舵火箭的发动机壳散流器太阳能电池板等。体育器材汽车部件摩托车零件钓鱼杆棒球棍滑雪橇云浮羽毛球拍等。工业发动机部件风机叶片传动轴以及电器零部件等。消防适用于消防钢厂等特殊类的防火服制作。建筑建筑物使用荷载工程使用功能改变材料老化混凝土强度等级低于设计值结构裂缝处理恶劣服役构件修缮防护；执行标准GB建筑结构加固工程施工质量验收规范，防火等级-不燃，执行标准GB，德国标准DIN，土木建筑，桥梁隧道混凝土结构抗震加固补强材料:碳纤维布用于结构构件的抗拉抗剪和抗震加固，该材料与配套胶粘剂共同使用，可构成完整的性能的同固碳纤维布材增强体系。

碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达。我国的这项技术起步很晚，但随着我国经济建设和交通事业的飞速发展，现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些建筑由于使用功能的改变，难以当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。目前常用的加固有很多，如加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。

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金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30％—40％。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70％-80％，并在前有变形显著的征兆。(5)碳纤维材料的弹性性能好，应力应变曲线接近线性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形很小，这对于承受较大动载和冲击荷载的结构比较有利。(6)碳纤维产品非常适合于在工厂生产，运送到工地，现场安装的工业化施工，有利于保证工程，有利于劳动效率，有利于建筑工业化。碳纤维产品还有一些其他优势，如透电磁波，绝缘，隔热，系数小等等，这使得碳纤维结构和碳纤维组合结构在一些特殊能够发挥难以取代的作用。7．2．2缺点(1)与结构材料不同，碳纤维材料通常为各向纤维方向的纤维方向强度和弹模较高，而垂直纤维方向的强度和弹模很低。有关资料表明，两个方向的抗拉强度相差可达25倍，抗压强度相差可达5倍，模量相差可达13倍。此外，纤维方向的抗拉强度比抗压强度高30％。因此在设计碳纤维结构和碳纤维组合材料的特殊现象，例如拉伸翘曲现象，

 2)被加固构件表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。 　　

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