谈应用于钢结构中的碳纤维增强复合材料性能

申传瑞 尚金龙 张富强

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)



·建筑材料及应用·

谈应用于钢结构中的碳纤维增强复合材料性能

申传瑞 尚金龙 张富强

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

介绍了碳纤维增强复合材料(CFRP)对钢结构修复加固的技术优势，通过分析受损钢板在修复加固前后应力集中系数和相对有效刚度的变化情况，进一步探讨了碳纤维增强复合材料的性能，促进了其在工程中的推广应用。

CFRP，钢结构，修复加固，应力

1 背景

在钢结构加工制作、施工安装和使用过程中常常因受到外在环境的影响而发生损伤，为了使钢结构能继续发挥使用功能，在保证结构质量安全、经济合理性及施工方便等原则下，需要对钢结构进行修复加固来提高资源利用率。目前对钢结构修复加固技术的探索已取得了较大进步，特别是进入21世纪以来发展迅速，钢结构修复加固技术主要有以下几个方面：

1)承重较大的多高层建筑中的钢柱可以采用在钢柱外边面浇筑钢筋混凝土，有效利用外包钢筋混凝土的良好受压性能修复加固钢柱的承载能力。2)对受损或者有缺陷钢结构的构件通过粘贴钢构件、焊栓连接及铆钉连接进行修复加固。3)在保证结构安全、质量可靠的前提下重新改变受损钢结构的结构体系。4)对钢结构受损或缺陷部位粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)进行修复加固，尤其对受弯、受拉钢结构构件及钢管线的修复加固应用较多。

2 利用碳纤维增强复合材料(CFRP)修复加固钢结构的优点

碳纤维增强复合材料由高强度、高模量的碳纤维材料作为增强体连同树脂等基体经过物理化学作用形成的新型复合材料，因为其优良的性能被广泛应用于民用，军事等许多领域，特别是在修复加固钢结构领域更具有突出优点。

1)CFRP相比于其他材料具有高比强度和高比刚度的性能，因此，在其他条件类同情况下修复相同钢结构需要的CFRP尺寸更小，重量更轻，几乎不会增加原构件额外重量。

2)由于CFRP中碳元素含量较高，所以其具有很强的耐腐蚀性，不容易在酸碱条件下锈蚀，保证了性能的稳定。

3)CFRP可以有效降低原结构的应力集中，具有较强的抗疲劳性能，提高原结构的承载能力和延性。

4)用CFRP加工制成的碳纤维布可较容易粘贴在钢结构表面，而且可以根据形状任意裁剪加工。

5)CFRP本身质量轻，相比其他修复加固技术而言利用CFRP对钢结构修复加固的施工过程更加高效、简便。

6)传统修复加固技术会在原结构上实施焊接或者打孔等，这会对钢结构产生新的损伤，然而通过CFRP不同粘贴方式进行修复加固不会对原结构进行削弱损坏。

3 碳纤维增强复合材料(CFRP)的性能

碳纤维复合材料可以根据不同类型增强体和基体进行分类，也可以根据制备温度、处理工艺和用途进行分类。从抗拉强度性能上可分为T300，T700，T800，T800H，T1200等型号，从弹性模量性能上可分为M30，M40，M50，M55，M70等型号。不同种类碳纤维增强复合材料力学性能也各不相同(见表1)。

表1 不同种类碳纤维增强复合材料力学性能表 MPa

通过碳纤维增强复合材料(CFRP)对损伤钢板的修复加固效果可以有效反映CFRP的材料性能，通常情况下采用应力集中系数α和相对有效刚度β表示钢板结构在损伤后的强度。

其中，σmax为钢板受损处应力最大值；σn为指定基准应力。

图1表示了钢板在被CFRP修复加固前后应力集中系数的对比，以及修复加固后应力集中系数随CFRP抗拉弹性模量增加而变化的情况。图2表示了钢板在被CFRP修复加固前后的相对有效刚度的对比，以及修复加固后相对有效刚度随CFRP抗拉弹性模量增加而变化的情况。

从图1可以清楚看到当受损钢板在CFRP修复加固后α值比未修复加固前明显减小，并且随着CFRP抗拉弹性模量的增加α值呈线性减小。从图2可以清楚看到当受损钢板在CFRP修复加固后β值比未修复加固前明显增大，并且随着CFRP抗拉弹性模量的增加β值呈线性增大。由此可知碳纤维增强复合材料(CFRP)可以对损伤钢板进行有效修复加固。

4 结语

本文介绍了碳纤维增强复合材料(CFRP)的性能参数以及在修复加固钢结构领域的特点，受损钢板在碳纤维增强复合材料(CFRP)修复加固后的强度显著提高显示了其优良性能。未来随着CFRP生产工艺进一步发展，生产成本不断降低，其在结构工程修复加固领域的应用将更加广泛。

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[4] 航空工业部科学技术委员会.应力集中系数手册[M].北京：高等教育出版社，1990.

Discussion on carbon fiber reinforced composite material properties applied in steel structure

Shen Chuanrui Shang Jinlong Zhang Fuqiang

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper introduced the technology advantage of carbon fiber reinforced composite material(CFRP) to steel structure repair and reinforcement, through the analysis on the change situation of stress concentration coefficient and relative effective stiffness of damaged plate before and after repair and reinforcement, further discussed the performance of carbon fiber reinforced composite material, promoted its popularization and application in engineering.

CFRP, steel structure, repair and reinforcement, stress

1009-6825(2016)20-0094-02

2016-05-05

申传瑞(1990- )，男，在读硕士； 尚金龙(1993- )，男，在读硕士； 张富强(1991- )，男，在读硕士

TU528.043

A