碳纖維結構補強技術，是鋼筋混凝土結構體外補強的一種新技術，在國外已經(jīng)成熟，并得到廣泛認同。我國由上海毅實建筑加固工程有限公司最先引進。近幾年來，公司與高等院校和科研單位等方面合作，經(jīng)過消化吸收，這項技術在全國許多省市多項工程中成功應用?，F(xiàn)在已經(jīng)形成有口皆碑，用戶輾轉相傳。很明顯，它必將如國外一樣，使我國的混凝土結構補強技術得到新的發(fā)展。但它為什么會形成結構補強技術的一種新趨勢？它的基本原理和方法是怎樣的？我們必須從傳統(tǒng)補強方法說起。

一、混凝土結構的損壞及傳統(tǒng)補強方法

已建混凝土結構損壞的原因很多，大致有以下幾方面：
·設計不周、施工缺陷：這類問題本應避免，但無法杜絕，且近年因種種 原因層出不窮，有的很嚴重；
·年久老化：建國以來和改革開放以來大規(guī)模建設的工程正分批陸續(xù)接近 壽命期，甚至超期服役；
·腐蝕：受酸、堿、鹽侵害，風化、水的滲透、凍融循環(huán)；
·意外災害：地震、臺風、凌汛、人為撞擊、火災等損壞；
·超載。
以上原因直接導致混凝土粉化、疏松、剝落、開裂和鋼筋銹蝕。使結構物裂縫擴展、剛度降低、撓度增大，承載力削弱甚至喪失。以致結構物涉險服役，嚴重的不堪再用。
因此新世紀開始，我國將出現(xiàn)結構修復補強的浪潮，甚至會持續(xù)相當長時間。 過去常使用的傳統(tǒng)補強方法，主要有加大截面法、體外預應力法和外包鋼板法幾種。加大截面法又名外包混凝土法。主要是將截面加寬、加厚、加高，以容納新增鋼筋。此法很有效，但增加結構體積和自重，造成肥梁胖柱、施工工序繁多、用工多、施工期長，且要用大型機械，還必須有很大施工空間；體外預應力法是在梁下加受拉弦桿，和立柱一起形成反拱架，補強效果好但也有上述各種缺點，特別是結構高度增大很多；外包鋼板法又稱粘鋼法，除上述缺陷外，難于緊貼原結構表面，且不耐腐蝕，必須定期防銹。因此，傳統(tǒng)補強方法的應用場合受到種種限制，甚至某些條件下無法采用。



二、碳纖維補強的方法
碳纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成為碳纖維增強復合材料片材(Carbon Fiber　 Reinforced Plastics或polymer，簡稱CFRP)。將片材用專門配制的環(huán)氧樹脂粘貼在結構受拉面，樹脂固化后與原結構形成新的受力復合體，碳纖維片即可與鋼筋共同受力。由于碳纖維片分擔了荷載，就降低了鋼筋的應力，而使結構得到加固補強。
高強度碳纖維片的抗拉強度可達3400N/mm2，比鋼材高7～10倍。彈性模量有2.35×105N/mm2至3.8×105N/mm2等幾種，與鋼筋相近或略高。因此，有很好的與鋼筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各異的環(huán)氧樹脂料，可以使界面樹脂滲入混凝土中，片材緊隨構件外形粘貼，粘貼用的樹脂料又具有較高粘結強度，能有效傳遞碳纖維片與混凝土兩種材料間的應力，保證不產(chǎn)生界面的粘結剝離。
CFRP在交通和建筑工程中的應用
(一)梁、板結構補強 各種類型公路、鐵路橋梁、橋板和建筑物的梁、板都可應用。
1、抗彎補強。碳纖維片貼在受拉一側，即跨中的下部和連續(xù)板、連續(xù)梁、懸臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘貼。
由于碳纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時延伸率小于鋼筋，故在結構受力時先行受力，隨荷載逐漸增加達到兩者變形協(xié)調時，兩者共同受力并按一定比例分配。往往在補強前或者因原有鋼筋銹蝕造成截面積不足，或因超載原有鋼筋應力過大，補強后碳纖維分擔了拉力，使鋼筋應力大大降低，結構承載力得以提高。
抗彎補強時，可以根據(jù)受力需要貼一層至多層。還可應用高彈性模量片材，補強效果更顯著。
2、抗剪補強。通常是在梁靠近端部主拉應力較大的區(qū)域和有次梁或較大集中荷載作用的部位。補強時在梁的兩側面豎向粘貼，或與梁底形成U形環(huán)包。相當于增加抗剪箍筋以分擔原箍筋的剪力。
3、抗疲勞補強。工業(yè)廠房吊車梁、橋梁及橋面板，都可以粘貼碳纖維片以提高結構的疲勞抗力。橋面板上下同時粘貼效果更好。

(二)柱、墩補強
對橋墩、高架柱、建筑物獨立柱和有翼柱，都可有效補強。
1、中心受壓柱的抗壓補強，用碳纖維在柱中部橫向環(huán)包，在受壓區(qū)產(chǎn)生環(huán)向束縛作用，能提高抗壓能力，降低柱的壓屈系數(shù)。
2、偏心受壓柱，在柱受拉彎的側面沿柱軸縱向粘貼，可有效補強。
3、抗震性能補強，在地震或臺風的橫向力作用下，柱端彎矩和剪力都很大，可以縱向粘貼和環(huán)包同時進行。既提高柱、墩橫向抗力，又改善能量吸收性能，提高結構的延性，使結構抗側向力能力顯著提高。
對于建筑框架結構和與帽梁剛結的橋梁墩柱、高架柱，可以在柱的上下端同時補強，個別上端橫向約束較弱者，則可只考慮下端的補強。



(三)剪力墻補強，在剪力墻單面或雙面沿抗剪配筋方向粘貼碳纖維片。
(四)高聳結構，如煙囪、水塔、筒倉、高桿燈架等，受力情況與墩柱類似，補強方法也類同。
(五)環(huán)形受力結構，如水池、罐體的抗張力側壁，可在單側或雙側纏繞粘貼。
(六)涵洞、隧道及襯砌，由于環(huán)向壓力不均造成橫截面各方位應力異常而產(chǎn)生縱向受拉裂縫，甚至襯砌剝落，以及由于地基沉降不均造成的縱向錯位，都可采取混凝土局部填補、置換和碳纖維片補強聯(lián)合應用的辦法。
(七)封閉和防護功能。用碳纖維片粘貼可以將結構裂縫密閉，較寬較深的裂縫還可在貼片前用環(huán)氧樹脂灌縫進行密閉，從而控制裂縫的進一步擴展，阻止水分滲入引起鋼筋銹蝕，同時還具有增強抗腐蝕性能的作用。這就是在結構補強的同時，也帶來了封閉和防護的副效應。相反，有些雖出現(xiàn)破損但承載力尚未降低的結構，也可以封閉和防護維修為主效應，同時也有結構補強的副效應。
上述各種補強，以橋梁和一般建筑物的梁板結構補強占大部分，橋梁墩柱的抗震補強次之，其他結構補強只占很少部分。但它們在國外都已得到廣泛應用、研究和使用考驗。日本各種補強技術已有由建設省或各種團體編制的設計、施工規(guī)范。在我國，上海毅實加固公司已成功地在二十多項工程中應用，也編制了企業(yè)工法和規(guī)范。對于在國外業(yè)已成熟的碳纖維補強技術，我們也已成功掌握并積累了實際應用的豐富經(jīng)驗，相信它將在新世紀發(fā)揮威力。

三、碳纖維補強技術的優(yōu)越性
綜上所述，我們將碳纖維補強技術的特點和優(yōu)越性歸納如下：
(一)優(yōu)異的力學性能，可有效應用于多種形式的結構補強，包括抗彎、抗剪、抗壓、抗疲勞、抗震、抗風、控制裂縫和撓度的擴展、增加結構的延性。
(二)優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，使經(jīng)過補強和維修的結構具有極強的抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力；具有足夠的適應氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后有效地防火?？梢源蟠笤鰪娊Y構對惡劣外部環(huán)境的適應能力，延長結構壽命，這是包鋼方法不可比擬的。
(三)材料的輕質高強，可以不增加結構體積，所增加的結構自重幾乎可以忽略。這是傳統(tǒng)方法做不到的。
(四)施工工序簡單，可用小型電動工具操作，不象傳統(tǒng)補強方法需要眾多工種、大量勞動力、大型施工設備及吊裝機械。因而可以在傳統(tǒng)技術無法施工的有限作業(yè)空間內實施。而且進度快、工期短，更能在持續(xù)交通有振動的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停止運營或斷路施工的時間，極大地降低經(jīng)濟損失和社會影響。
(五)由于材料柔軟，易于隨結構外形粘貼，補強后不改變結構外形，同時便于用所需色彩涂裝，而不顯露補強痕跡。 隨著碳纖維補強技術的優(yōu)越性在工程領域得到普遍認同，這項技術的應用將會愈來愈廣泛。隨著有關科研的開展，工程實踐經(jīng)驗的積累，新應用領域的進一步探索與開拓，這項技術將更加成熟，更加完善。我們上海毅實加固公司希望與各位同行開展更有效而廣泛的合作。眾志成城，這項技術的應用必將呈現(xiàn)出更加廣闊的前景。

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文章來源： 永年加固公司
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