吴洪翔

摘 要：本文作者根据自己多年的实际工作经验，对碳纤维材料在混凝土结构加固中的应用相关问题进行分析探讨，同时提出了自己的看法及意见，仅供参考。

关键词：碳纤维；混凝土；结构；加固

1 前言

目前应用最广泛的钢筋混凝土结构，由于其结构强度不足带来的安全问题仍普遍存在。究其原因，一方面，早先设计和建造的建筑物由于使用功能的改变，结构已不能满足现行规范的要求；另一方面，建筑结构虽符合规范要求，但由于环境等因素的影响，出现了混凝土裂缝、表层碳化、钢筋锈蚀、外部腐蚀和超载运行等问题。针对这种现状，对钢筋混凝土加固设计等方面的研究成了近年来的一个热点。本文通过对碳纤维材料的特性、加固原理的研究，并结合“四方塘市场”的加固专项设计，对钢筋混凝土结构碳纤维加固的设计与应用介绍如下。

2 碳纤维材料

碳纤维，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维（GF）相比，模量是其3倍多；与凯芙拉纤维（K-49）相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸性和碱性中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在NaOH强碱溶液中，经过20多年，至今仍保持纤维形态。高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束后，用环氧树脂浸渍，形成碳纤维补强复合材料片材。片材碳纤维材料的拉伸强度在2 400-3 400MPa之间，而普通碳素钢板拉伸强度仅为240 MPa。与钢材相比，碳纤维片材的单位重许多，且碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸、碱、盐及各类化学介质的腐蚀，并具有良好的耐寒和耐热性。

2.1 加固钢筋混凝土结构原理

在结构受拉面贴上专门配制的环氧树脂将碳纤维片材，等到树脂固化后，碳纤维片即可与原结构形成新的受力复合体与钢筋共同受力。由于碳纤维片分担了荷载、降低了钢筋的应力，而使结构得到加固补强。经碳纤维加固的钢筋混凝土结构性能得到显著改善。主要表现为：（1）改变结构状态：减少结构变形，降低原有结构应力，减消裂缝。（2）改变结构体系：改变墙、柱位置和樓板开洞。（3）纠正设计与施工失误：解决配筋不足、构件截面不足等问题。

2.2 加固优点

（1）高强高效：与普通钢相比，碳纤维布抗拉强度高10-15倍，弹性模量则相近。（2）施工便捷：无湿作业，不需大型施工机具和现场固定设施，施工简单，工期短。（3）耐久性和耐腐蚀性好：耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀，不需定期维护。（4）适用面广：可用于各种类型和形状的混凝土结构，不会改变结构形状、不影响外观。（5）施工质量易于保证：即使加固表面不大平整，仍可保证100%的有效粘贴。（6）加固层很薄、重量轻：加固修补后，基本不增加自重和不改变外形尺寸。

2.3 加固应用范围

可用于混凝土结构的抗弯、抗剪加固，以及各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。

3 加固设计

3.1 基本方法

按照现行规范的标准，计算钢筋混凝土结构的配筋量，与现有配筋量进行比较，凡配筋不足的部分采用碳纤维材料补足。在加固设计中，弯曲率加固设计和抗弯强度计算是设计中的核心步骤。

3.2 弯曲率加固设计

（1）力的平衡条件，即计算出剖面中心轴位置。（2）从力矩平衡设想到各种材料的弹性率、剖面面积、离中心轴距离，并计算出剖面二次力矩。（3）计算出承受弯曲力矩各种材料在加固前产生的应力。（4）比较各种材料上产生的应力和各种材料的容许应力，以决定是否需加固：当产生应力大于容许应力，则不必加固；若小于容许应力时，则需加固。（5）计算出加固后承受弯曲力矩的各种材料上产生的应力。（6）比较各种材料上产生的应力及各种材料的容许应力，若产生应力大于容许应力，则加固量妥当；若小于容许应力，则加固量不妥当。

3.3 加固抗弯强度计算

依据加固试验梁的破坏特性，在极限状态下，受拉钢筋屈服，破坏由碳纤维拉断诱发，参照现行混凝土结构设计规范中抗弯设计计算的基本原理，假定：

（1）混凝土梁受弯后，变形规律符合平截面。（2）钢筋为理想弹塑性材料。（3）混凝土的应力一应变关系采用《混凝土结构设计规范》所建议的关系式；在极限状态下，受压区混凝土应力等效为矩形应力块，应力强度为混凝土的弯曲抗压强度。（4）忽略混凝土的抗拉强度。（5）在极限状态下，碳纤维的应力达抗拉设计强度。

以梁加固为例，在极限状态下，加固梁的截面应力见图1。

图1 极限状态下截面应力示意

图中：Mu——截面极限弯矩；As、A s——受拉受压钢筋面积；fy、f s——钢筋抗拉、抗压设计强度；ACF ——碳纤维截面面积；fcf——碳纤维的抗拉设计强度，建议取极限抗拉强度的0.8倍；fcm——混凝土弯曲抗压强度设计值；bx——截面宽度；x——受压区高度。

图1所示截面的平衡方程为：

[Fx]=0，[0，Asfy+ACFfcf-A'sf'y-bxfcm=0]

[MAS（F）]=[0，M=bxfcm（h0-x2）+A'ff'y（h0-a's）+ACFfCFas]

式中：[Fx]——截面合力；[MAS（F）]——截面合力矩；M7——力矩；[h0]——梁的有效高度；[a's]——保护层厚度。

将试验梁材料的实际强度代入以上公式，可计算出梁的极限破坏弯矩。

4 加固设计实例

某大楼工程由于原有办公楼改建成为商品住宅，使用功能发生了改变，故需进行加固。其中，由于原有楼板开洞，使板内钢筋切断，故需要补强；另外，由于新增了不少内隔墙，增加了梁上荷载，故需对梁进行加固。

5 结束语

碳纤维加固具有轻质、高强、抗腐蚀、耐老化、耐久性好、物理性能稳定等诸多优点。用碳纤维加固材料修复补强混凝土结构，与混凝土结构形成一体共同工作；利用碳纤维材料卓越的抗拉强度能达到增强构件承载能力及刚度的目的，对于提高混凝土结构的安全性具有显著作用。该大楼工程采用碳纤维进行补强加固的工程实例，说明采用碳纤维加固的设计方法是合理、可靠的。

参考文献：

[1] 李俊杰.碳纤维布加固圆钢管轴心受力有限元分析及试验研究[D].兰州理工大学，2016.

[2] 刘丽娜.预应力碳纤维布加固混凝土预裂梁试验研究[D].河北工程大学，2014.

[3] 杨辉.纤维加固混凝土柱的有限元分析[D].大连理工大学，2015.