摘要：本文主要介绍FRP复合材料与混凝土结构的加固受力基理、碳纤维加固钢筋混凝土构件受力分析以及例证说明碳纤维加固在实际中的运用。

　　关键词：碳纤维加固；结构

　　前言：混凝土结构由于多种原因需要进行修复与加固，FRP复合材料具有受力明确、强度高、施工简便等特点，因此在实际中的运用越来越广泛。本文主要对FRP复合材料中的碳纤维对混凝土加固进行分析介绍。

　　1.FRP复合材料加固技术简介

　　混凝土结构是建筑业最常用的建筑结构形式。在以往的混凝土结构往往由于多种原因需要进行修复与加固，如设计失误、施工质量控制不严、材料质量不符合要求、使用功能改变、遭受自然灾难、受腐蚀性环境的影响等等。因此，土木工程界一直致力于研发加固修复混凝土的材料和技术。FRP复合材料加固技术是用胶粘剂把FRP粘贴在构件外部进行加固以提高构件承载能力的加固技术。目前，纤维增强聚合物（fiberreinforcedpolymer，FRP）复合材料加固修复混凝土结构技术应用在世界范围内相当广泛。

　　FRP复合材料是以纤维（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）为增强材料，以合成树脂（如不饱和聚酯、环氧树脂、乙烯酯）为基体材料，并掺入适量辅助剂（如引发剂、促进剂等）经成型技术形成的一种新型复合材料。根据纤维增强材料种类，FRP复合材料可分为碳纤维增强聚合物、玻璃纤维增强聚合物和芳纶纤维增强聚合物。

　　在FRP复合材料中，纤维起增强作用，承受大部分荷载，使复合材料显示出较高的抗拉强度和刚度。基体与增强纤维通过界面连接在一起，基体将荷载经界面传递给纤维，不仅能够充分发挥纤维抗拉性能优异的特点，还能起到使荷载均匀分布和保护纤维免遭外界损伤的作用。通常增强材料是具有强结合键的物质，对于硬质材料如玻璃、陶瓷等，其内部常含有裂纹，轻易断裂，具有脆性，不能发挥结合键强的特点。但假如将硬质材料制成具有一定长度的细长纤维，则由于纤维的尺寸小，在其中出现裂纹的几率以及裂纹长度减小，脆性得到改进，强度显著提高。国内外对FRP加固梁、板、柱等构件的受力性能已进行了大量的研究并且还在如火如荼地开展，研究内容涉及构件的抗弯性能、抗剪性能、抗压性能、抗震性能、粘结方式及锚同技术等许多方面。在地震区，FRP复合材料是一种非常有效的加固材料，通过FRP的横向约束可以提高桥柱、混凝土柱的强度及延性，提高墙体的承载能力、变形能力、抗裂能力，最终提高其抗震能力。

　　FRP复合材料加固技术中，目前使用较为普遍的技术为碳纤维增强聚合物加固，以下称为碳纤维加固。采用碳纤维加固技术具有如下几个特点：

　　1.1强度高。碳纤维片材的抗拉强度一般都在3500MPa以上，远高于钢材；抗拉弹性模量为230000～430000MPa，亦高于钢材。因此它的比强度可达到2000MPa/g/cm3以上，而Q235钢的比强度仅为59MPa/g/cm3左右，比模量也比钢材高。

　　1.2施工简便、快捷。使用碳纤维加固构件不需大型施工机构及周转材料，易于操作，施工周期短，经济性好。

　　1.3抗酸碱盐类介质的腐蚀，应用面广。加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性，可以应用于各种工作环境的构件加固。

　　1.4可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，延长结构的使用寿命。

　　1.5易于保持结构原状，基本不增加结构自重及截面尺寸。

　　2.碳纤维加固钢筋混凝土构件受力分析

　　2.1碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件。

　　钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。

　　2.2碳纤维加固钢筋混凝土抗剪构件。

　　钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。

　　2.3碳纤维加固钢筋混凝土抗震柱。

　　应用碳纤维对混凝土柱进行抗震加固，是通过用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性而实现的。碳纤维的主要作用是对其内部混凝土起到了约束作用，这种约束是被动约束，随着混凝土柱轴向压力的增大，横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长，从而提高侧向约束力。约束机制取决于两个因素：混凝土的横向膨胀性能和外包碳纤维布的环向约束能力。碳纤维布约束混凝土表现出两阶段受力过程：第一阶段，混凝土处于类似素混凝土的线弹性阶段，横向变形小，故碳纤维横向变形也很小，分界点在素混凝土峰值应力四周；第二阶段，构件达到极限承载力后，混凝土横向膨胀变形急剧增加，碳纤维环向应变显著增长，环向约束力增加，混凝土极限压应变得以提高，因而推迟了受压区混凝土的压碎，充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能，显著改善了构件的延性。

　　3.碳纤维加固钢筋混凝土技术实际运用实例

　　目前国内碳纤维布加固在工程上的应用尚处于试验阶段，本章介绍了碳纤维布应用于受弯受剪构件的加固工程情况。

　　3．1某高层综合楼

　　<一>、工程概况

　　该工程为18层框架剪力墙结构，在七、八层有6根框架梁存在严重的施工质量问题，梁截面尺寸为200mm×700mm，梁长8000mm，现场

　　检测存在问题如下：

　　l、表面存在许多蜂窝麻面并有多条温度收缩裂缝。

　　2、原设计砼强度为C30，实测砼强度在C20．C30之间。

　　3、个别梁下部有露筋现象。

　　<二>、加固处理方案

　　该工程是因施工质量低劣而影响构件强度的，由于业主对使用空间及加固后外观有较高要求，且要求施工工期快，以减少负面影响，所以经多种方案比较选择方案如下：

　　对框架梁裂缝进行化学灌浆处理，并在梁底部及侧面粘贴碳纤维布以提高框架梁的抗弯及抗剪承载力，材料采用日本进口FTS．C1．30及配套胶体。

　　<三>、计算方法

　　梁砼按C20考虑，经复核建筑情况进行计算，梁受弯承载力需提高15％，沿梁底通长粘贴一层300宽的碳纤维布，可提高梁抗弯极限承载力20％，满足设计要求：

　　粱的抗剪设计参照日本有关设计方法，根据梁的实际情况，在梁两侧粘贴250mm宽U形碳纤维箍（间矩600mm），U型箍外则贴200mm宽压条进行锚固。经计算，加固后可满足梁的抗剪承载力设计要求。

　　<四>、加固过程

　　第一步：先对框架梁进行基层处理，凿除混凝土表面劣质疏松的部分，对于要粘贴碳纤维的部位采用角磨机反复打磨，去除表面的杂质，并将凸起部位磨平之后，用吹风机将附在表面的灰尘吹净，最后用棉纱擦拭干净。

　　第二步：对进行灌浆处理，灌缝材料为实验配制的胶体。由于其粘接强度很高，因此可以通过注浆灌缝来恢复结构的整体性。

　　第三步：在混凝土表层处理完成后，刷涂底胶，待指触干燥后用环氧类腻子FE修补粘贴面。

　　第四步：粘贴碳纤维布之前先确认FE的干燥程度，其完全固化后即可开始粘贴，先贴梁底共分三段粘贴，搭接处在1／3梁跨部位，然后粘贴U型箍，最后为确保U型箍的锚固质量，在梁侧通长粘贴200mm宽碳纤维压条。

　　<五>、结论

　　此项工程的加固结果表明碳纤维布可以有效地解决目前钢筋混凝土工程施工质量差的问题，经过碳纤维布的加固补强，提高了结构的安全性与耐久性，而且在加固施工过程中不需要任何大型机具和湿作业，施工场地面积小，基本上在正常作用状态下就可完成，其综合经济效益优于粘钢具，具有广阔的应用前景.

　　另一工程加固实例：某工程楼面梁加固实例，由于使用功能改变，现荷载比原设计荷载大35%，通过计算复核：楼盖梁不能满足使用要求，对梁进行基层处理清除杂质，涂底胶二遍，加固粘贴过程同上。处理结论表明：采用碳纤维布进行加固处理，技术先进、施工方便快捷，与目前同类产品加固技术如加大混凝土截面和粘钢法相比，更易于保证施工质量与砼粘接效果好，有效粘贴面可过100％，且碳纤维抗拉强度高，因此可以用作补强受拉钢筋。在该工程项目中，碳纤维布加固后的井字梁，抗弯极限承载力提高50％，所以该加固技术对混凝土梁的加固具有良好的效果。

　　4.结论与展望

　　经实际工程检验证实，FRP复合材料加固技术对钢筋混凝土结构有十分显著的加固效果，经加固处理后的结构极限承载力和刚度都有明显的提高，达到了预期的加固要求。这是一项新型的技术，随着建筑业的蓬勃发展，建筑物的加固、维修、改造的应用领域和范围也将越来越广，在今后的工程中将会得到更广泛的研究、运用和发展。

　　参考文献

　　混凝土结构加固设计规范［S］.GB503672006

　　碳纤维片材加固混凝土结构技术规程［S］.CECS146：20032007年版.