纤维复合材料在建筑工程结构加固中的应用

范冰倩

（河南大学， 河南 郑州 475001）

0 引言

自上个世纪60年代起，纤维复合材料就被纳入到了建筑结构加固研究体系中。时至今日，纤维复合材料已经在我国的建筑结构加固领域中得到了十分广泛的应用。建筑结构加固本身是一项非常重要的工作，所以必须要采取科学有效的加固措施，而纤维复合材料的应用效果久经考验，获得了业内的普遍认可与信赖。本文将实际对纤维复合材料加固建筑结构技术进行浅析。

1 纤维复合材料的概念及应用优势

1.1 概念

纤维复合材料又被称之为碳纤维复合材料、碳纤维增强复合材料或碳纤维加强塑料等。碳纤维是一种由碳元素为主要成份构成的物质，并且它具有很多种类，具体的种类区别主要在于含碳量的不同，但大多数碳纤维的含碳量都＞90%。由于碳元素是主要构成元素，因此碳纤维具备普通碳元素材料的很多基本性能，例如较强的抗腐蚀性能与耐高温性能、良好的导热性能与导电性能等。此外，碳纤维拥有特殊的优点，例如柔软度好、外形特异性明显、轴方向强度高、容重比较小等。总的来说，碳纤维是一类力学性能较好的新型优质材料。而纤维复合材料本身为一种新型的复合材料，其在建筑结构加固中拥有十分重要的应用价值。

1.2 应用优势

与其他材料相比，纤维复合材料优越性较强。具体来说，首先，与普通的钢材相比，纤维复合材料抗拉强度标准值高出10倍以上，其次，与其他材料对比，纤维复合材料自振频率较高，可更好地预防共振，抗震性能较强；再者，与其他材料对比，纤维复合材料耐久性、抗盐侵蚀性、抗酸侵蚀性及抗碱侵蚀性等较优；最后，与其他材料对比，纤维复合材料柔软性、着色性更高，因为其中的树脂料是一种具备流动性的物质，方便改变成不同形状，在着色方面也具有很大的选择空间。基于以上这些优势，纤维复合材料在现代建筑领域内，获得了广泛应用，发展前景良好。

2 纤维复合材料在建筑结构加固中应用的意义

建筑结构在长期使用过程中，受外界环境因素、人为因素等的作用，会逐渐出现功能降低、结构不稳的情况，而只有通过对建筑结构进行有效加固，才能够解决这一问题。一般情况下，我国对于建筑结构的设计使用期限多为50年，这意味着大部分建筑结构仅能够在50年内满足人们的使用需求，而超过50年后若想再继续使用，就必须要再次加固建筑结构，否则存在着严重的安全隐患。另外，有时遇到一些特殊情况，例如地震破坏、外力撞击破坏等，建筑结构也许不到使用期限就需要进行加固。由此可见，加固建筑结构是一项非常重要的工作。而若想切实保证建筑结构加固效果，就必须要采取一些科学有效的加固建筑结构技术。经大量实践经验表明，应用纤维复合材料来进行建筑结构加固是一项十分行之有效的方法，我们可以称这种方法为纤维复合材料加固建筑结构技术。利用纤维复合材料加固建筑结构技术，不仅可以良好解决建筑结构受损问题,大大提高建筑结构性能，并且还能够保存原本的建筑结构状态，而不必使建筑结构发生改变。同时，纤维复合材料加固建筑结构技术在实际施工过程中非常方便简单、省时省力。无论是对于工业建筑还是民用建筑，均可以应用纤维复合材料加固建筑结构技术来提高建筑结构的抗震性能；再者，在楼面板加固、钢筋混凝土梁抗弯等方面，也可以应用到纤维复合材料加固建筑结构技术。

3 纤维复合材料加固建筑结构的技术要点

3.1 构件表面处理的要点

构件表面处理是纤维复合材料加固建筑结构技术的前期环节，主要需注意以下几项要点：（1）在构件表面处理过程中应把握好温度和湿度因素，尽量将温度控制在6～35℃范围内，构件外表层的相对湿度应之85%，且其中含水量须≤4%；（2）在实际加固施工过程中，加固区域出现裂缝问题，则应立即暂停施工，先对裂缝进行有效修补后再继续加固;（3）在实际加固施工过程中，一旦发现待加固建筑结构表面出现了混凝土缺陷问题，需要立即处理，然后再有效磨平，确保区域平整，在使用丙酮溶液对其进行反复清洗，确保区域内干净，表面无灰尘或油污。总的来说，碳纤维是一类力学性能较好的新型优质材料，纤维复合材料在建筑结构加固中具有十分重要的应用价值。

3.2 底胶涂刷的要点

在建筑结构的待加固构件上粘贴完纤维复合材料后，需再涂刷底胶。在底胶涂刷过程中主要需注意以下几项要点:（1）涂刷底胶需使用专门的涂刷工具如滚筒等，以保证涂刷均匀;（2）在涂刷底胶时，需对待加固构件表面进行细致的涂刷，涂刷边界不能小于纤维复合材料的边界；（3）待底胶凝结后，应仔细检查表面的光滑度，一旦发现了有凹凸不平的地方，应及时用砂纸磨平，确保表面光滑平整。

3.3 找平胶涂刷的要点

待底胶干燥后，应仔细检查其表面情况，一旦发现了有凹凸、缺损等问题而又无法通过砂纸来有效磨平时，应及时采用找平胶进行处理。在找平胶材料的选择中，需注意选择与底胶相同的材料进行调制。

3.4 加固技术的要点

内嵌FRP筋加固法具有施工方便、维修费用低、可以有效避免加固材料磨损和撞击等优点，现已广泛应用于结构加固改造工程中。加固构件和结构在服役期间同样会遭受潮湿、冻融循环、腐蚀介质侵蚀等恶劣环境，出现FRP筋劣化、FRP筋与混凝土界面黏结强度下降等问题。由于FRP筋与黏结材料界面和黏结材料与混凝土界面既是传递应力的关键部位，又是加固构件的薄弱环节，因此开展恶劣环境下内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结性能的研究尤为重要。目前，国内外对内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结破坏模式、黏结应力-滑移本构关系、FRP筋的受拉承载力以及不同影响因素对界面黏结性能的影响进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果。

3.5 养护过程中的要点

在应用纤维复合材料加固建筑结构技术对建筑结构加固完毕后，还需做好后期的养护工作，在养护过程中需注意以下几项要点:

（1）养护期间避免受外界干扰和外力冲击；

（2）养护时间应≥1d；

（3）养护期间做好防护措施，避免受雨水及其他物质污染。

4 土木建筑工程中纤维复合材料的应用

4.1 纤维复合材料加固技术方案设计

由于建筑结构的设计过程较为复杂，设计人员在进行设计时，要将化学纤维聚合物材料应用于土木工程结构加固时，首先是规划土木工程项目的总体加固策略，然后再确定具体的加固技术方案。碳纤维材料塑料板在钢筋混凝土弯曲预制构件的抗弯结构加固，抗剪结构加固和柱抗震等级结构加固应用较多。在加强弯曲结构时，碳纤维塑料片的化学纤维取向应与拉伸区的拉伸应力取向一致。当增强剪切结构时，应将碳纤维塑料板的化学纤维取向作为混凝土中的主要张力。应力方向是相同的，但是为了使施工更加方便，可以使用化纤方向和预制构件的纵向坐标进行结构加固。加强抗震等级结构时，应将碳纤维布封闭地缠绕在圆柱上。另外，碳纤维材料塑料片还可以沿着预制构件的径向方向粘贴，可沿着腋下角度粘贴,可在枢转力下对预制构件进行结构加固。当在弯曲下加固结构时，也可以向碳纤维塑料板中添加预应力钢的方法来增强结构加固的实际效果。碳纤维塑料板还可以用于框架柱和特殊结构，例如壳体，筒仓和烟囱。

4.2 应重视纤维复合材料的研发及技术标准制定

碳纤维材料高分子材料目前在国内建筑行业应用尚不十分广泛，目前主要应用于一些专业性较高的建筑结构中。主要原因在于许多碳纤维材料产品仍然必须从国外购买，这不仅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技术的应用。同时，我国现阶段依然使用的是国外的技术标准和规范，现有的结构加固和修复技术方法已越来越不适用。迫切需要制定适合于我国国情的技术标准和建筑加固施工作业规程，以改善碳纤维材料和高分子材料的建筑应用技术。因此，加强对纤维复合材料的研发力度，提升产品质量，并制定适合的材料生产技术标准和建筑加固施工作业规程，是现阶段的重点问题。

4.3 结构加固补强的关键技术的研发

FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已经取得了很好的进展，在基础设施建设工程加固技术应用也较为广泛,但是仍然有很多课题有待解决，主要包括两个方面:一是在预应力加固补增技术研究；另一个是界面受力性能研究。为了使用该类复合材料在建筑结构加固领域发挥更大价值，还需要进一步的深入研发。

5 结束语

综上所述，由于纤维复合材料的诸多优势，使得它在建筑结构加固领域中展现出了十分重要的应用价值与非常广阔的发展前景。但现阶段还有许多制约其发展的因素存在，需要在未来一段时间，加强对纤维复合材料及其应用的研究。CFRP板与混凝土之间的粘结应力不是通过试验直接得到的，而是通过CFRP板变形分析间接得到的。加载开始时，CFRP板仅在加载点附近区域生成变形，自由点附近的变形为零，此时变形传输区域较小。载荷增加时，载荷端的变形会增加，并传递到自由端。在载荷开始时，粘结应力从载荷端分布在不超过60mm的范围内，从自由端逐渐减小到零。随着负载的增加，负载末端的贴合约束也会相应增加，并且贴合约束开始转移至自由末端。接近极限载荷时，粘结点会传递到自由端附近，试验将发生挖方断裂。使纤维复合材料加固技术的应用更加广泛深入，在建筑结构的稳定性及安全性建设中充分发挥其应用价值。