摘要：本文主要介紹FRP復合材料與混凝土結構的加固受力基理、碳纖維加固鋼筋混凝土構件受力分析以及例證說明碳纖維加固在實際中的運用。
關鍵詞：碳纖維加固；結構
前言：混凝土結構由于多種原因需要進行修復與加固，FRP復合材料具有受力明確、強度高、施工簡便等特點，因此在實際中的運用越來越廣泛。本文主要對FRP復合材料中的碳纖維對混凝土加固進行分析介紹。
1.FRP復合材料加固技術簡介
混凝土結構是建筑業最常用的建筑結構形式。在以往的混凝土結構往往由于多種原因需要進行修復與加固，如設計失誤、施工質量控制不嚴、材料質量不符合要求、使用功能改變、遭受自然災難、受腐蝕性環境的影響等等。因此，土木工程界一直致力于研發加固修復混凝土的材料和技術。FRP復合材料加固技術是用膠粘劑把FRP粘貼在構件外部進行加固以提高構件承載能力的加固技術。目前，纖維增強聚合物（fiberreinforcedpolymer，FRP）復合材料加固修復混凝土結構技術應用在世界范圍內相當廣泛。
FRP復合材料是以纖維（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）為增強材料，以合成樹脂（如不飽和聚酯、環氧樹脂、乙烯酯）為基體材料，并摻入適量輔助劑（如引發劑、促進劑等）經成型技術形成的一種新型復合材料。根據纖維增強材料種類，FRP復合材料可分為碳纖維增強聚合物、玻璃纖維增強聚合物和芳綸纖維增強聚合物。
在FRP復合材料中，纖維起增強作用，承受大部分荷載，使復合材料顯示出較高的抗拉強度和剛度。基體與增強纖維通過界面連接在一起，基體將荷載經界面傳遞給纖維，不僅能夠充分發揮纖維抗拉性能優異的特點，還能起到使荷載均勻分布和保護纖維免遭外界損傷的作用。通常增強材料是具有強結合鍵的物質，對于硬質材料如玻璃、陶瓷等，其內部常含有裂紋，輕易斷裂，具有脆性，不能發揮結合鍵強的特點。但假如將硬質材料制成具有一定長度的細長纖維，則由于纖維的尺寸小，在其中出現裂紋的幾率以及裂紋長度減小，脆性得到改進，強度顯著提高。國內外對FRP加固梁、板、柱等構件的受力性能已進行了大量的研究并且還在如火如荼地開展，研究內容涉及構件的抗彎性能、抗剪性能、抗壓性能、抗震性能、粘結方式及錨同技術等許多方面。在地震區，FRP復合材料是一種非常有效的加固材料，通過FRP的橫向約束可以提高橋柱、混凝土柱的強度及延性，提高墻體的承載能力、變形能力、抗裂能力，最終提高其抗震能力。
FRP復合材料加固技術中，目前使用較為普遍的技術為碳纖維增強聚合物加固，以下稱為碳纖維加固。采用碳纖維加固技術具有如下幾個特點：
1.1強度高。碳纖維片材的抗拉強度一般都在3500MPa以上，遠高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。因此它的比強度可達到2000MPa/g/cm3以上，而Q235鋼的比強度僅為59MPa/g/cm3左右，比模量也比鋼材高。
1.2施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構件不需大型施工機構及周轉材料，易于操作，施工周期短，經濟性好。
1.3抗酸堿鹽類介質的腐蝕，應用面廣。加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性，可以應用于各種工作環境的構件加固。
1.4可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，延長結構的使用壽命。
1.5易于保持結構原狀，基本不增加結構自重及截面尺寸。
鋼筋混凝土受彎構件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構件受拉區，代替或補充鋼筋的受拉性能，從而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構件受拉區混凝土開裂前，碳纖維的應變很小；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應變增長加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發揮作用，應變增長迅速加快，其高強高效的性能得以充分體現。
鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構件的受剪區，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構件屈服前，碳纖維的應變發展緩慢，所達到的最大應變值也較小；在構件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應變發展加快，應變值要高于箍筋的應變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應變發展緩慢。
應用碳纖維對混凝土柱進行抗震加固，是通過用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來提高其延性而實現的。碳纖維的主要作用是對其內部混凝土起到了約束作用，這種約束是被動約束，隨著混凝土柱軸向壓力的增大，橫向膨脹促使外包碳纖維布產生環向伸長，從而提高側向約束力。約束機制取決于兩個因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現出兩階段受力過程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點在素混凝土峰值應力四周；第二階段，構件達到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環向應變顯著增長，環向約束力增加，混凝土極限壓應變得以提高，因而推遲了受壓區混凝土的壓碎，充分發揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構件的延性。
目前國內碳纖維布加固在工程上的應用尚處于試驗階段，本章介紹了碳纖維布應用于受彎受剪構件的加固工程情況。
3．1某高層綜合樓
<一>、工程概況
該工程為18層框架剪力墻結構，在七、八層有6根框架梁存在嚴重的施工質量問題，梁截面尺寸為200mm×700mm，梁長8000mm，現場
檢測存在問題如下：
l、表面存在許多蜂窩麻面并有多條溫度收縮裂縫。
2、原設計砼強度為C30，實測砼強度在C20．C30之間。
3、個別梁下部有露筋現象。
<二>、加固處理方案
該工程是因施工質量低劣而影響構件強度的，由于業主對使用空間及加固后外觀有較高要求，且要求施工工期快，以減少負面影響，所以經多種方案比較選擇方案如下：
對框架梁裂縫進行化學灌漿處理，并在梁底部及側面粘貼碳纖維布以提高框架梁的抗彎及抗剪承載力，材料采用日本進口FTS．C1．30及配套膠體。
<三>、計算方法
梁砼按C20考慮，經復核建筑情況進行計算，梁受彎承載力需提高15％，沿梁底通長粘貼一層300寬的碳纖維布，可提高梁抗彎極限承載力20％，滿足設計要求：
粱的抗剪設計參照日本有關設計方法，根據梁的實際情況，在梁兩側粘貼250mm寬U形碳纖維箍（間矩600mm），U型箍外則貼200mm寬壓條進行錨固。經計算，加固后可滿足梁的抗剪承載力設計要求。
<四>、加固過程
第一步：先對框架梁進行基層處理，鑿除混凝土表面劣質疏松的部分，對于要粘貼碳纖維的部位采用角磨機反復打磨，去除表面的雜質，并將凸起部位磨平之后，用吹風機將附在表面的灰塵吹凈，最后用棉紗擦拭干凈。
第二步：對進行灌漿處理，灌縫材料為實驗配制的膠體。由于其粘接強度很高，因此可以通過注漿灌縫來恢復結構的整體性。
第三步：在混凝土表層處理完成后，刷涂底膠，待指觸干燥后用環氧類膩子FE修補粘貼面。
第四步：粘貼碳纖維布之前先確認FE的干燥程度，其完全固化后即可開始粘貼，先貼梁底共分三段粘貼，搭接處在1／3梁跨部位，然后粘貼U型箍，最后為確保U型箍的錨固質量，在梁側通長粘貼200mm寬碳纖維壓條。
<五>、結論
此項工程的加固結果表明碳纖維布可以有效地解決目前鋼筋混凝土工程施工質量差的問題，經過碳纖維布的加固補強，提高了結構的安全性與耐久性，而且在加固施工過程中不需要任何大型機具和濕作業，施工場地面積小，基本上在正常作用狀態下就可完成，其綜合經濟效益優于粘鋼具，具有廣闊的應用前景.
另一工程加固實例：某工程樓面梁加固實例，由于使用功能改變，現荷載比原設計荷載大35%，通過計算復核：樓蓋梁不能滿足使用要求，對梁進行基層處理清除雜質，涂底膠二遍，加固粘貼過程同上。處理結論表明：采用碳纖維布進行加固處理，技術先進、施工方便快捷，與目前同類產品加固技術如加大混凝土截面和粘鋼法相比，更易于保證施工質量與砼粘接效果好，有效粘貼面可過100％，且碳纖維抗拉強度高，因此可以用作補強受拉鋼筋。在該工程項目中，碳纖維布加固后的井字梁，抗彎極限承載力提高50％，所以該加固技術對混凝土梁的加固具有良好的效果。
4.結論與展望
經實際工程檢驗證實，FRP復合材料加固技術對鋼筋混凝土結構有十分顯著的加固效果，經加固處理后的結構極限承載力和剛度都有明顯的提高，達到了預期的加固要求。這是一項新型的技術，隨著建筑業的蓬勃發展，建筑物的加固、維修、改造的應用領域和范圍也將越來越廣，在今后的工程中將會得到更廣泛的研究、運用和發展。
參考文獻
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