我国碳纤维加固技术的研究现状

■王 伟，徐广舒，叶 俊 ■南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226001

2008年汶川大地震后，各地中小学校都在按照新的抗震规范对校舍进行排查、鉴定、加固改造。碳纤维加固与传统的加大混凝土截面、粘钢混凝土补强等相比，具有适用面广，节省空间，几乎不增加结构的重量，施工简便、无噪音、质量易保证，降低加固成本，提高建筑物使用寿命，耐腐蚀、耐久性能好等特点。因此，碳纤维加固技术不仅在房屋建筑的抗震加固修复工程中广泛应用，在各类建筑结构的加固修复中也备受青睐和关注。

1 我国碳纤维加固技术的发展

早在20世纪80年代，碳纤维加固技术已在日本、欧美等国家得到重视，并成立科研机构展开研究，形成了一系列的研究成果和相应的技术规范。我国碳纤维加固技术的研究开始于1996年左右，在1998年运用于工程实践。起初只有国家建筑诊断与改造技术研究中心进行研究，现在中国建筑科学研究院、上海等各地的建筑科学研究院，以及清华大学、同济大学、东南大学、天津大学等各大高校也都在进行这方面的研究。目前，大量的研究主要集中于碳纤维加固混凝土和钢筋混凝土结构，以及在桥梁加固改造中的应用。

2 我国有关碳纤维加固的技术规范

《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)，2003年5月1日起施行，是我国第一部有关碳纤维加固技术的规范。

《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)，2006年11月1日起实施。

《结构加固修复用碳纤维片材》(GB/T21490-2008)，2008年10月1日起执行。

《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2013)，2013年11月1日发布，2014年6月1日起实施。

《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》(GB50728-2011)，2011年12月5日发布，2012年5月1日起实施。

3 碳纤维加固混凝土和钢筋混凝土结构的研究

同济大学陆洲导等人［1］［2］对碳纤维加固混凝土梁板柱节点的抗震性能进行了比较系统的研究，为实际工程中存在正交梁的梁板柱节点的加固提供了理论依据。

吉林大学李春良［3］利用非线性有限元方法对碳纤维布加固混凝土结构进行分析，结果表明了该方法不仅能够求出结构内力和变形发展的全过程，而且能够描述裂缝的形成和扩展，以及结构的破坏过程，从而揭示出结构的薄弱部位和环节，以利于优化结构设计。

西南交通大学张世贤［4］对碳纤维的性能特点以及在工程抢修加固中的应用进行了研究，提出了适用于碳纤维抢修加固的简化计算方法——近似估算法。同时还对碳纤维加固的社会经济意义、适用性、耐久性等问题进行了研究。

重庆大学袁剑平［5］通过有限元的方法，对碳纤维端部的粘结剪应力的分布情况和粘结剪应力在端部附近较大的产生原因进行了深入的研究;对U形碳纤维箍与混凝土梁之间的粘结剪应力的分布情况进行一定的分析;并通过无量纲的计算方法，讨论碳纤维用于受弯构件正截面加固时的充分发挥其有效性的条件和方法，得出一些在工程应用中简单易行的防止和缓解碳纤维剥离破坏的方法，以及影响碳纤维加固利用率和有效性的因素。

同济大学陈永秀［6］通过2组CFRP加固连续梁的试验研究了CFRP加固钢筋混凝土连续梁的弯矩重分布能力和预应力CFRP加固混凝土梁的施工工艺和受力特性，提出无粘结预应力CFRP施工工艺，并对该工艺进行理论分析，得出无粘结预应力CFRP加固钢筋混凝土梁正截面承载力的计算方法。

大连理工大学陈凤山［7］研制了适用于潮湿混凝土表面粘贴CFRP加固的湿固化粘结剂，通过一系列的试验研究证明该材料的本体强度、工艺性能、正拉粘结性能均能满足我国加固规程的要求，并验证了其广泛实用性，为海工混凝土结构可能面临的在潮湿表面粘贴CFRP加固的技术问题提供了参考。

合肥工业大学杨君［8］，北京建筑工程学院刘海亮［9］对火灾下碳纤维加固混凝土构件的温度场进行分析，比较碳纤维加固混凝土构件在有无防火保护层以及不同厚度的防火层对界面温度场的影响，得出能保护碳纤维安全工作的合理保护层厚度。

东南大学肖德后，徐明等人［10］对碳纤维加固混凝土结构耐火问题的研究现状进行了整理分析，并提出了今后这一领域的研究趋势，为进一步研究工作的展开提供参考。

祖德峰［11］对粘贴一层纵向和两层横向碳纤维的试验模型(四个单层无梁混凝土框架结构)的整个过程作了数值计算。通过对有限元模型的建立，计算了试验模型的自振频率，并采用时程反应分析模拟了试验模型的振动过程，其数值模拟结果与试验研究结果在相对位移时程曲线上基本相同。

吉林大学姚允武［12］研究了环境温度变化后，粘结区域内碳纤维表面的应变变化规律。通过高低温冻融循环试验研究了冻融温度疲劳荷载对胶层粘结性能的影响，揭示出多次冻融循环后的胶层粘结性能的变化情况，对界面粘结胶层进行温度可靠性研究，为寒冷地区的加固工程提供了依据。

哈尔滨工程大学庞立民［13］研究了楼板开洞后洞口边梁的受力性能，碳纤维加固边梁的计算方法，碳纤维加固混凝土的各种影响因素，并结合碳纤维对梁抗弯抗剪的加固实践，研究了扭矩对梁的受力性能的影响及相应的加固方法。

4 碳纤维加固砌体结构的研究

高林，张鹏飞［14］对碳纤维加固砌体结构施工质量控制进行了研究。

周新刚，韦昌芹，叶列平［15］在分析碳纤维加固的砖砌体在水平周期反复荷载作用下试验结果的基础上，研究了碳纤维加固砖砌体的约束及抗倒塌机理，提出了改进的粘贴加固方法以提高加固效果。

张维［16］对CFRP加固实心砌体墙抗震性能进行试验研究，并在此基础上进行有限元分析。采用砌体均质化和设有接触单元的有限元模型对比分析了试件的力学性能，探讨了空间膜单元、混凝土单元、面—面柔性接触单元、尤其是多层壳单元、弹簧单元等在碳纤维布砌体结构加固中的应用。

重庆大学姚远［17］开展了4片严重破坏墙体的碳纤维布加固试验，研究表明采用粘贴碳纤维布加固后墙体的抗剪承载力、变形性能都较原墙墙体有明显提高，虽然不能提高加固后的墙片的开裂强度，但能很好地约束裂缝的发展。

栗鹏［18］从国内现存的古老建筑和既有砌体建筑加固修复的研究出发，对碳纤维布加固砌体墙的抗震性能进行了一些探索性的研究，为碳纤维加固技术在砌体结构加固领域的应用及制订相关规范提供了部分参考依据。

5 碳纤维加固钢结构的研究

岳清瑞等［19］编写了第一部应用碳纤维增强材料修复缺陷钢结构(CFSS)新技术方面的著作。

江克斌，许特，赵启林［20］将预应力技术应用于碳纤维加固钢结构，给出了应用该技术加固钢结构极限承载力的计算公式，并通过有限元方法进行了验证，结果表明该技术可以进一步提高钢结构的承载力。

郑云，叶列平，岳清瑞，惠云玲［21］通过6根含10mm长中央疲劳裂纹钢板用碳纤维板加固前后的受拉疲劳性能试验研究，表明与未加固钢板相比，采用碳纤维板加固后钢板的剩余疲劳寿命得到显著提高。

李良春，蒋鑫［22］利用ANSYS软件对碳纤维加固的钢板试件进行了拉伸模拟计算，建立了碳纤维加固钢板拉伸试件的有限元数值模型。结果表明，利用有限元的数值模拟能准确地预测出实际的碳纤维加固钢结构中可能发生的破坏现象，以及破坏发生的位置，由此可以采取一些保护措施来防止结构发生的早期破坏。

完海鹰，葛春林［23］，王伟佳［24］，合肥工业大学曹靖［25］通过 ANSYS有限元的方法对碳纤维加固钢结构进行了验证，提出了“三维实体—桁架—壳元”有限元模型，分别对粘贴不同种类碳纤维加固工字钢梁的受力性能进行了分析。结果表明该建模方法是切实可行的、所得到的结果是可靠的。

长安大学蒋红章［26］研究了在初始几何缺陷存在的条件下压弯构件的极限承载力变化规律，并分析了在粘贴碳纤维增强材料对压弯构件极限承载力的影响及增强机理。

郑云，陈煊等人［27］采用断裂力学方法对CFRP加固钢结构的剩余疲劳寿命进行了研究，给出了CFRP加固钢结构的疲劳验算的建议方法。

上海交通大学姜震宇［28］基于ABAQUS软件，利用扩展有限元法对碳纤维布加固H型钢梁建立的模型进行精度验证，提出了“CFRP布——胶层——钢梁”有限元模型。

6 碳纤维加固木结构的研究

谢启芳［29］，赵鸿铁，薛建阳等人［30］通过8根矩形木梁的静力试验，以及3个碳纤维布加固榫卯节点的构架模型在水平低周反复荷载作用下的试验，得出碳纤维布加固后木结构强度增加。

杨俊杰，沈旸，冯敏通过对从历史建筑修缮过程中置换下来的木梁进行试验研究，发现经CFRP加固过的木梁具有足够的抗弯承载能力，即使是局部受到过白蚊侵蚀的木梁，其抗弯承载力也不亚于新木梁。

潘闪通过对北京前门地区青云胡同22号院颜料会馆的实例分析，说明碳纤维加固技术是木结构建筑加固修复的有效途径，可进一步推广应用。

黄龙田，李载宁，郭志强采用粘贴碳纤维片材加固在建的景观亭，不仅恢复和提高了整体的承载力，且觉察不到加固的痕迹。表明碳纤维加固木结构的方法是成功的，如用于古建筑的木结构维修加固应有广阔前景。

徐明刚，邱洪兴，淳庆在榫卯节点试验及受力机理研究基础上，提出碳纤维加固榫卯节点抗弯承载力计算方法。

7 结语

本文对碳纤维加固技术的研究现状进行了整理，碳纤维加固混凝土和钢筋混凝土结构的研究比较成熟，而碳纤维加固砌体结构、钢结构、木结构的研究还处于初始阶段。碳纤维加固技术应用前景广阔，研究碳纤维加固技术对工程实践有重要的意义，本文以期能为相关研究人员了解这一领域的研究成果和开展研究提供参考。

［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(自然科学版)，2003，(3).

［2］陆洲导，宋彦涛，王李果.碳纤维加固混凝土框架节点的抗震试验研究［J］.结构工程师，2004，(5).

［3］李春良.碳纤维加固混凝土梁的非线性有限元数值模拟分析与试验研究［D］.［硕士学位论文］.吉林大学，2005.

［4］张世贤.工程抢修中采用碳纤维加固的应用研究［D］:［硕士学位论文］.西南交通大学，2006.

［5］袁剑平.碳纤维加固钢筋混凝土受弯构件的两个基本问题研究［D］:［硕士学位论文］.重庆大学，2006.

［6］陈永秀.碳纤维加固混凝土梁试验与理论研究［D］:［博士学位论文］.同济大学，2007.

［7］陈凤山.海洋环境下钢筋混凝土结构CFRP加固研究［D］:［博士学位论文］.大连理工大学，2007.

［8］杨君.碳纤维加固钢筋混凝土结构的抗火性能分析［D］:［硕士学位论文］.合肥工业大学，2007.

［9］刘海亮.高温下碳纤维加固钢筋混凝土结构的非线性有限元模拟［D］:［硕士学位论文］.北京建筑工程学院，2005.

［10］肖德后，徐明，陆忠范.碳纤维加固混凝土结构耐火问题的研究现状［J］.工业建筑.2008(10).

［11］祖德峰.碳纤维加固混凝土柱试验研究及数值模拟［D］:［硕士学位论文］.中国地震局工程力学研究所，2009.

［12］姚允武.碳纤维加固钢筋混凝土连续梁解耦故的理论与试验研究［D］:［博士学位论文］.吉林大学，2009.

［13］庞立民.洞口边梁的弯剪扭复合受力分析及碳纤维加固研究［D］:［硕士学位论文］.哈尔滨工程大学，2012.

［14］高林，张鹏飞.碳纤维加固砌体结构施工质量控制［C］.2005年全国砌体结构基本理论与工程应用学术会议论文集，2005.

［15］周新刚，韦昌芹，叶列平.CFRP加固砌体结构的力学性能分析［J］.工程力学，2008，(6).

［16］张维.碳纤维加固砌体试验研究及有限元分析［J］.武汉理工大学学报，2008，(10).

［17］姚远.碳纤维加固严重破坏砌体墙的试验研究［D］:［硕士学位论文］.重庆大学，2010.

［18］栗鹏.碳纤维加固砖砌体有限元分析［D］.［硕士学位论文］.太原理工大学，2013.

［19］岳清瑞，张宁，彭福宁，郑云.碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复钢结构性能研究与工程应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［20］江克斌，许特，赵启林.采用预应力碳纤维技术提高钢结构承载力的分析［J］.解放军理工大学学报(自然科学版)，2003，(4).

［21］郑云，叶列平，岳清瑞，惠云玲.CFRP加固疲劳损伤受拉钢板的疲劳性能试验研究［C］.FRP与结构补强——05全国FRP与结构加固学术会议论文精选，2005.

［22］李良春，蒋鑫.碳纤维加固钢板构件受拉过程的数值模拟研究［J］.吉林建筑工程学院学报，2009，(6).

［23］完海鹰，葛春林.碳纤维加固钢梁的有限元模拟［C］.第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2009.

［24］王伟佳.CFRP加固工字钢梁非线性有限元数值模拟分析［D］:［硕士学位论文］.合肥工业大学，2009.

［25］曹靖.碳纤维增强复合材料加固钢结构理论分析和试验研究［D］:［博士学位论文］.合肥工业大学，2011.

［26］蒋红章.碳纤维增强材料(CFRP)加固压弯构件弹塑性失稳分析［D］:［硕士学位论文］.长安大学，2012.

［27］郑云，陈煊，李忠煜，惠云玲.碳纤维加固钢结构的疲劳寿命分析［J］.钢结构，2013，(2).

［28］姜震宇.CFRP加固H型钢梁的精细有限元分析［D］:［硕士学位论文］.上海交通大学，2013.

［29］谢启芳.中国木结构古建筑加固的实验研究及理论分析［D］:［博士学位论文］.西安建筑科技大学，2007.

［30］谢启芳，赵鸿铁，薛建阳等.中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究［J］.土木工程学报，2008，(1)