碳纤维布加固混凝土柱研究综述

程东辉，陈宝松

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

1 加固钢筋混凝土结构的研究背景

混凝土材料的力学性能较为稳定，与钢筋有效粘结后更是可以很好地发挥材料性能，钢筋混凝土具有较好的耐火性、耐久性和整体性等，且所需材料获取以及运送都较为便捷，这些都使得钢筋混凝土在建筑领域得到了广泛的运用，所以截至目前，钢筋混凝土仍然是土木工程领域应用最广的建筑材料。

1.1 对混凝土结构加固改造的意义

自我国经济高速发展而大兴土木以来，人们除了对居住环境要求越来越高以外，对于建筑的安全性能的关心与日俱增。在自然和使用环境等因素的作用下，我国居民所居住或者办公的建筑物随着建筑物使用年限的增长，许多结构设施会在整体或局部存在承载力达不到规范要求或者即使承载力达到规范要求但其舒适度达不到居住要求的问题。针对这两个问题，综合我国现阶段的质量安全与经济效益等因素，许多情况下建筑物没有全部重建的条件。因此，提升结构的承载力与使用舒适度最恰当的方法就是采取可靠的加固方法对结构进行加固处理。实践证明，采用合适的加固技术对混凝土结构进行加固与补强，可以有效提高结构承载力，使结构的使用寿命得到延长，从而满足结构使用功能的要求。加固技术在目前我国的需求越来越高，对建筑加固不仅可以节约资源而且更具有良好的社会效益[1]。

1.2 传统加固方法特点

以下是几种常用加固方法以及其优缺点以及适用范围[2-3]：

①加大截面法

加大截面法提高构件的承载力和刚度是通过增大结构构件的截面面积。这种方法通常对构件的抗弯、抗压、抗剪、抗拉承载力的提高有明显效果，在工程加固领域广泛应用。但由于会增加构件的截面尺寸，减小其使用空间，在一些特定的工程中并不适用。

②外包钢加固法

通过用型钢或钢板把被加固构件包裹住的外包钢加固法可以有效使构件的承载能力和刚度得到提高。这种方法可以几乎不增加构件截面尺寸而使构件的抗压和抗弯性能提高很多，但缺点是耗用资源较多，需投入资金较大。

③改变受力体系加固法

改变受力体系加固法是通过增加支点等一系列手段改变结构受力体系。可有效使结构构件的计算跨度减小，结构构件的承载力提高，挠度和裂缝宽度也会减小。但这种方法会影响结构周围的正常生产和生活和建筑布局，还会减小使用空间。

④外粘纤维复合材料加固法

近些年以来随着纤维价格的降低，纤维复合材料（FRP）黏贴在构件外的加固法逐渐兴起。因纤维材料良好的抗拉强度，在混凝土构件外粘结后可有效提高构件承载能力和刚度。在混凝土结构的抗弯、抗剪、抗扭、抗震、耐腐蚀加固中都具有良好的效果。

2 纤维复合材料加固法的发展

纤维增强复合材料经过多年工程实践应用和科学研究等方式证明其自身的优势[4-5]：轻质量、高强度、耐腐蚀，得到了广泛的认可和使用。FRP包括：CFRP（碳纤维）、GFRP（玻璃纤维）、AFRP（芳纶纤维）、BFRP（玄武岩纤维）。混凝土柱在FRP加固后，混凝土的侧向变形明显变小，且大幅提高了混凝土柱的极限抗压强度和延性。

2.1 纤维复合材料的性能

2.1.1 FRP的物理性能：

FRP的密度范围是1.25～2.1g/cm3，是钢筋的1/6～1/4。密度低可以减轻重量，便于运输安装。FRP不宜在高温结构中使用。FRP软化的温度称为“格拉斯转变温度Tg”，主要取决于树脂的种类，通常在65～120℃。当温度超过Tg后，FRP的弹性模量将大大降低。

2.1.2 力学性能

周所周知，FRP的主要受力方向是与纤维主要平行的方向，也就是轴向。抗拉强度、抗压强度及黏结性能是FRP的主要力学性能指标。

①抗拉强度

纤维是FRP抗拉强度的基础，树脂主要起到一定的辅助作用。纤维、树脂及FRP的应力—应变曲线如上图所示，FRP的应力—应变关系表现为线弹性关系。纤维的极限强度要高于FRP的极限强度。树脂的极限拉应变高于FRP和纤维的极限拉应变，这说明树脂的断裂在纤维断裂之后。

②抗压强度

FRP的抗压强度相对于抗拉强度要低。GFRP、CFRP、AFRP的抗压强度分别是抗拉强度的55%、78%、20%。大部分情况下，FRP的抗压强度与FRP的抗拉强度的关系成正比。

③黏结性能

结构的使用性能和承载力受粘结性能影响，而FRP形式、材料性能、几何尺寸及FRP表面形状等均可影响黏结性能。

2.1.3 长期性能

①徐变断裂

FRP的徐变断裂是FRP在长期恒荷载作用下发生的突然断裂。且FRP的耐久时间随着荷载持续时间的增加而逐渐减少。

②疲劳性能

FRP在纤维与树脂粘结良好的情况下具有良好的耐疲劳性能，且受外在影响较小。

③耐久性能

试验结果表明：CFRP表现出良好的耐久性能；GFRP有良好的耐酸性能和冻融循环性能；AFRP也具有较好的耐久性能。

2.2 CFRP布加固混凝土结构构件研究成果

①加固材料与制品、相关设备等开发

纤维及其混杂纤维布、纤维板、纤维增强复合材料格栅、纤维增强复合材料筋、纤维增强复合材料型材及构件等纤维材料制品；预应力张拉设备、各个环节下使用的配套黏结树脂、特殊施工工具等。

②混凝土梁、板、柱等构件以及混凝土结构的加固技术研究与应用

涉及加固构件的抗弯、抗剪、极限承载能力、黏结方式、黏结构造、锚固技术、节点加固、截面刚度等，加固后混凝土的抗弯、抗剪、承载能力、应力—应变关系、疲劳性能与抗震性能等。

③界面黏结问题的研究

提出了各种理论分析模型，如基于断裂力学的分析模型、基于试验数据的经验公式、界面强度模型以及设计公式等。

3 CFRP布以及CFRP布条加固混凝土柱的意义

无论是建筑物还是构筑物，建筑结构的承重构件中最重要的是柱结构，建筑物的可靠度与舒适度与它密切相关。钢筋混凝土柱目前更是我国建筑物、构造物主体结构使用最多的柱结构。我国工程领域的发展逐渐从以大量新建工程为主导的第一阶段向着新建工程与维修改造工程并存的第二阶段过渡，所以怎样对建筑物进行可靠的加固同时占用较少的资源，是目前科研领域重要研究课题。

CFRP布缠绕包裹约束混凝土柱可以有效提高柱的轴压承载力。采用CFRP约束混凝土可明显提高混凝土的抗压强度及改善混凝土的延性。同时，对于混凝土结构加固改造工程，CFRP加固混凝土柱技术有着多方面的优势(高强轻质、耐久性、施工简易等)，CFRP加固混凝土柱这种加固方法在越来越多的实际工程中得到了应用。

采用碳纤维布进行加固改造的工程中，出于成本以及施工角度考虑，目前很多结构采用碳纤维布条形式进行加固，在很过实际工程中也采用了碳纤维布条进行改造加固的方法，并且在提高结构构件的承载力及延性等方面也得到了证明。利用碳纤维布条加固更是可以有效提高碳纤维的利用率，具有很好的经济效益。尤其表现在在施工方面，利用碳纤维布条加固的方式对施工场地以及施工空间要求很小，可有效灵活的组织施工。

4 结语

就我国当前土木工程发展前景而言，维修改造工程必然是我国建筑领域的有一个重要课题。而合理的加固方法的选择显得尤为重要，FRP加固方法具有较为明显的优势。其中碳纤维布加固混凝土结构在实际工程中应用广泛，采用碳纤维布或碳纤维布条的加固方式可高效便捷对建筑进行加固。对于实际工程而言，碳纤维布条加固方式应用较多，在科研领域针对这一问题进行较深入的研究，可以为实际工程提供较为充分的理论依据。