上海碳纤维加固公司

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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 以后开始的，1983 年日本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。粘贴碳纤维后，在构件收拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥加快作用，应变增长迅速加快,其高强高效的性能得以充分体现。

3.1.2 碳纤维加固钢筋混凝土抗剪构件

钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似箍筋。补强位置通常在梁端部、主拉应力较大的区域和有次梁或集中荷载作用处。补强时在梁的两侧面竖向粘贴碳纤维片材，或与梁底形成形环包，这相当于增加抗剪箍筋以分担原箍筋的剪力。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。

3.2 柱的补强

3.2.1 碳纤维对柱的抗弯加固

偏心受压柱在受拉弯的侧面沿柱轴纵向粘贴碳纤维片材，可有效补强。

3.2.2 碳纤维对柱的抗压加固

用碳纤维横向环包柱中部，对受压区产生环向约束作用，以提高柱的抗压能力，降低柱的压屈系数。有关实验证明，采用不同规格的片材加固， 混凝土柱受压承载力可不同程度地提高。

4 碳纤维对结构抗震性能的提高

目前在国外应用最多的是碳纤维用于结构抗震补强加固，即沿构件主轴垂直方向粘贴碳纤维布以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。利用碳纤维材料优异的力学性能，通过约束混凝土的形式，改变原结构在地震反复荷载作用下的变形能力，达到补强加固的目的。其对于提高结构的抗震性能主要体现在以下2方面。

4.1 碳纤维对混凝土性能的改变

通过与相同强度下混凝土轴心受压 ～ 本构关系对比发现，在碳纤维约束下的混凝土变形能力得到了很大的改善，尤其是碳纤维加固量较大时下降段还改变为上升段，并且混凝土的极限压应变有明显提高，这样就能推迟受压区混凝土的脆性破碎，从而充分发挥钢筋的塑性变形性能, 改善结构延性。

4.2 提高结构在地震作用下的耗能能力

对于抗震结构的要求除了要有足够的强度、不发生强度破坏外还必须有一定的延性，保证结构具有良好的塑性变形能力，能够耗散更多的地震能量。大量试验结果表明: 碳纤维约束下的混凝土构件可以较为充分地发挥碳纤维的抗拉强度，因而在地震反复荷载作用下表现出良好的延性性能，这一点在近期完成的由国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心与清华大学合作的一组碳纤维加固对比试验中得到了验证。

5 碳纤维加固法发展前景

从目前国内外的发展状况来看，碳纤维的应用呈积极的、不断上升的，不但量大，而且面广。近年来，日本和欧美等国在利用碳纤维等连续纤维对混凝土结构物进行维修、加固方面的研究异常活跃，工程实例逐年增多。中国的建筑业市场非常巨大，大量建筑结构急需补强加固，工程实践表明，碳纤维加固技术的加固效果和综合经济效益较好。随着研究的不断深入，人们对其性质的逐渐了解，碳纤维的应用将呈现更加广泛的前景，将带来巨大的社会效益和综合经济效益。