碳纤维布加固混凝土构件的探讨

收稿日期:2001210231 资助项目:广东省建设厅、广东省女科技工作者协会资助项目. 作者简介:郭永昌(19742) ,男,广东工业大学硕士研究生,主要研究方向为复合材料工程应用. 碳纤维布加固混凝土构件的探讨 郭永昌,李丽娟,刘　锋 (广东工业大学建设学院,广东广州510643) 摘要:对碳纤维布的优点及在国外的发展和国内应用前景进行了探讨,并对碳纤维布加固混凝土构 件的一些优缺点进行了总结1 提出了碳纤维布加固中的一些关键问题,为以后的理论研究提供了思 路1 关键词:碳纤维布;混凝土构件;加固补强 中图分类号:TB332 ;TU389 + . 902

文献标识码:A文章编号:100727162 (2002) 0320056204 世界上经济发达国家的城市建设大体上都经历三个阶段,即大规模的土木设施新建阶段、 新建与维修并举阶段、重点转移向旧建筑维修阶段1 目前各经济发达国家的基本建设已趋完 成,现逐渐把建设重点转移到旧建筑物的维修、改造和加固方面1 我国目前还处于第一个和第 二个阶段,但在建国初期所建的建筑已进入老龄期,所以,需要修复老化和受损结构同时加固由 于设计原因、施工原因造成的建筑物先天不足的结构1 用传统的材料进行加固往往效率相对较 低,机械化程度要求较高,而且通常会出现耐久性问题1 碳纤维布以其优异的性能,现已应用于 许多土木建筑加固修复中,成为土木工程应用的一个热点1 碳纤维布主要优点是:抗拉强度高, 约为普通碳素钢的十几倍,弹性模量是钢的1～1. 4 倍,比重为1. 8g/ cm3 左右仅为钢材的1/ 4 , 用于加固时基本不增加原结构的自重,又因为碳纤维布是柔性材料,所以对复杂的结构容易进 行补强加固,特别适用于一些特殊构件如柱、桥墩、拱状物、隧道、烟囱等用其它方式不易加固的 构件,其耐腐蚀性能[1 ] 、抗疲劳性能及防水性能都比较好1 碳纤维布的力学性能也比较好,在破 坏前始终保持线性关系,不像钢有明显的屈服点1 同时因为粘结胶防火能力差,为避免碳纤维 的老化和其它损伤,必须采取一定的补救措施,在加固层外表面进行密闭防护处理,比如刷防火 涂料,或CFRP(碳纤维增强复合塑料) 外部再涂水泥沙浆等1 碳纤维布用于加固补强混凝土结 构有广泛的应用前景,据2000 年11 月29 日广州日报报道仅广东省就有4000 桥梁承载不足,而 急需加固,占总桥梁的二成多,但广东省在使用碳纤维对建筑物加固、补强方面,就工程实例明 显落后于国内其它发达地区,需要积极推广,笔者认为由于碳纤维本身材料性能和使用性能的 优点在国内必定会有长足的发展1 目前国外特别是欧美、日本等发达国家用碳纤维对混凝土结 构进行加固已成为一门成熟技术,已编制形成了自己国家的行业标准与规范,该项技术已产业 化1虽然碳纤维应用于土木工程中在国内只有短短几年,但至今已有许多工程实例,且大部分 都起到了良好的加固效果1 第19 卷第3 期 2002 年9 月 广东工业大学学报

Journal of Guangdong University of Technology 　Vol119 No13 September 2002 1 　国外学者在碳纤维布加固构件中的研究与探讨 在国外最初研究纤维增强复合材料修复混凝土结构开始于德国和瑞士[2 ] ,用树脂外贴FRP (纤维增强复合塑料) 加固混凝土构件已经有几个机构进行了详细研究,包括瑞士联邦材料测试 研究实验室和德国材料建筑结构防火协会( IBNB) 、麻省理工学院,亚利桑那大学等1 他们对碳 纤维、玻璃纤维及芳纶纤维加固混凝土受损梁后的短期和长期性能进行了测试1 在这些项目中 研究了:用不同类型粘结剂粘贴FRP 的蠕变和疲劳特性;预应力FRP 条带加固受损结构的效果 和力学特性;加固后结构的使用防火性能;各种破坏模型受力机理分析等1 通过研究获得的结 果表明纤维增强复合材料加固技术是高效和可行的1 碳纤维增强复合材料已在世界范围得到 广泛的应用1 代表性的研究成果有: (1) 粘结剥离破坏模型及受力分析 Granju 研究了混凝土构件粘贴CFRP 后,发性粘结破坏主要是由于在新旧材料之间层间垂 直应力作用1 这种粘结破坏模型被描述成一种复合形式下的断裂力学问题,并分析了构件破坏 机理,详细讨论了在设计原则基础上选择不同材料和不同材料形式对实际工程有效性和效率的 重要性[2 ]1 Wendle M. Sebastian 在前人提出的未端粘结破坏模型的基础上,提出了由于弯曲裂缝引起 的中部破坏模型1 分析了引起这种破坏的层间应力和剪切应力产生的原因和影响其大小的各 种参数变量[3 ]1 Christopher K. Y.Leung 详细分析了在出现弯曲裂缝时,在裂缝端产生的层间剪切应力与各 材料几何参数的关系,得到了在裂缝端引起剥离的最大层间剪切应力,并用MATLAB 语言进行 了有限元分析,与实验结果进行了对比[4 ]1 (2) 剪切破坏模型及受力分析 Thanasis C. Triantafllou 研究了CFRP 加固混凝土梁的抗剪研究,提出了在极限状态下剪切破 坏模型,把碳纤维布的作用等效为类似箍筋的作用,分析了用不同形式碳纤维布包裹混凝土梁 的抗剪试验,与理论分析有较好的吻合[1 ]1 Amir M.Malek and Hamid Saadatmanesh 提出了剪切破坏模型,通过推导碳纤维布包裹混凝土 梁后的本构方程,得到了碳纤维布在不同粘贴方向下的屈服载荷与极限载荷理论公式,并与有 限元分析进行了对比,有较好的吻合[5 ]1

(3) 粘结特性的估计和锚固加固模型的分析 Kunieda Minoru 等人通过对多层片材粘结加固试验的测试,预测了加固后结构的收缩和开 裂1 并对尺寸因素进了分析,得出在大结构中尺寸因素是影响粘结特性的重要因素[6 ]1 J . F. Chen and J . G. Teng 在文章中总结了目前关于在剪切作用下用FRP 和钢加固构件锚固 增强模型,并对这些模型的不足之处进了分析,最终基于断裂力学和试验观测提出了一个简化 合理的模型1 这种模型不仅与试验数据相匹配而且正确的预测了有效锚固长度[7 ]1 (4) 加固后结构的蠕变和疲劳特性 Mtrtinola 等人提出了一种数学模型定义CFRP 修复混凝土构件中关键参数的新途径1 这种 模型模拟了CFRP 加固后混凝土构件随着时间推移其含水量的耗散和裂缝的发展,它被应用于 分析修复混凝土桥梁[8 ]1 Kunieda 等人主要集中研究出现裂缝的构件用注射的方法填充后粘贴小片CFRP ,评价其粘 第3期 郭永昌 ,等:碳纤维布加固混凝土构件的探讨 57 结特性1 用CFRP 片粘贴修复中定量的分析和预测了在抗拉屈服和粘结破坏条件下修复材料 的收缩特性,注射表面刚度及片材尺寸对粘结特性的影响1 一种对受损板新的修复方法,由 Kunieda 等人提出并命名为D - RAP 方法1 这种方法主要是在混凝土表面粘贴两层预制薄板, 考虑构件的疲功特性的改善,这种方法已经通过实验进行了验证[9 ]1 2 　碳纤维布加固混凝技术几个关键性问题 随着碳纤维布制造成本的降低及技术的不断成熟,它有取代传统粘钢加固的趋势1 但由于 发展时间短,尤其在我国有这项技术的工程实例只有短短二至三年,缺乏大量现场技术数据,而 且在实验阶段研究也很不充分,还有许多未探讨领域,存在许多分歧1 因此笔者提出几个关键 性问题进行探讨: (1) 在加固领域,国内外绝大多数都采用单纯纤维编织材料进行建筑物加固,但由于碳纤维 相对玻璃纤维、芳纶纤维其延伸率较低,断裂成脆性1 因此笔者提出使用碳纤维与其它纤维混 杂编织物代替碳纤维,发挥不同纤维各自的优势,弥补其不足之处1 这样做有以下优点:可以增 加结构的变形能力,提高其延性,而且由于其它纤维价格较低,可以降低加固的成本1 (2) 碳纤维布作为混凝土构件的加固介质其性能方面的特性对混凝土是有益的补充1 但另一 方面,二者的物理和力学性能的巨大差异,在共同作用时必定还有不协调、甚至相矛盾的现象1 例 如环境湿度变化时,混凝土将发生体积收缩或膨胀但碳纤维不会;应力的持续作用下,混凝土发生 徐变,而碳纤维没有;温度变化时,二者的变形值不相等,等等1 (3) 碳纤维布由于拉伸强度大,对抗弯加固效果是明显的1 但这样有可能导致在结构发生 破坏时钢筋未发生屈服,而混凝土被压碎的脆性破坏1 在设计计算时往往取生产厂商提供的最 低抗拉强度,这种破坏更易发生,这是混凝土规范中所不允许的,如何取碳纤维抗拉强度折减系 数,及混凝土结构中最大最小配布率(碳纤维布横截面积/ 截面面积) 是一个值得深入探讨的问 题1

(4) 碳纤维布加固受损结构后,没有行之有效的检测其加固效果手段,因此对质检部门带来 许多麻烦,而且不利于对碳纤维布在建筑加固中的推广应用1 3 　碳纤维布加固技术研究展望 碳纤维布加固补强的理论分析在国内还处于初始阶段,没有形成一套系统理论,在有些方 面机理还不很清楚,存在许多分歧,所以在理论和实验方面还有许多工作要做1 笔者认为应在 前人大量试验及理论研究前提下,用宏观力学的方法建立更加合理的计算模型,进行数值分析, 通过新的试验加以论证1 对比国内外的研究现状,对用树脂粘贴碳纤维布加固混凝土构件研究 进行以下展望: (1) 我国多数地区是地震高发区,震后粘贴碳纤维片材加固和震前提高抗震性能的加固是 防震加固的一项重要安全措施,因此关于加固的设计与计算是一个重要课题,可在试验的基础 上,通过研究结构的滞回特性及延性,建立合理的计算模型,进而进行合理的加固设计1 (2) 构件加固后极限状态下的破坏形式多数是粘结破坏,其破坏机理比较复杂,目前研究的 很不充分,因此,关于纤维加固混凝土的结构界面力学性能及长期受力性能的研究是一个主要 方向1 (3) 混凝土构件粘贴CFRP 后其效果在很大程度上取决于锚固措施、搭接长度、粘贴层数等 58 广东工业大学学报 第19卷 因素的影响,关于这些因素对梁、板、柱的加固效果的研究已做了不少工作,但为了使粘贴碳纤 维加固此项技术尽量用于发挥其工艺特点的场所,从实际经验看,它们比较适用形状复杂的各 种涵洞、隧道以及高温结构如烟囱、烟道等的加固,另外它们也比较适用于耐疲劳、耐老化、耐腐 蚀的结构加固,但是这些领域一真没有较好的加固方法,因此很有必要开展这方面的研究 工作1

参考文献: [1 ]吴刚,安琳,吕志涛. 碳纤维用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究[J ] . 建筑结构,2000 , (7) :326. [2 ]Granju J L. Thin Bonded Overlays :About the Role of Fiber Reinforcement on the Limitation of Their Debonding [J ] .Adv. Cement Based ,1993 (3) :21227. [3 ]Wendel M Sebastian. Significance of Midspan Debonding Failure in FRP2Plated Concrete Beams[J ] . Jounal of Structural Engineering. 2001 , (7) :7922798. [4 ]Christopher K YLeung.Delamination Failure in Concrete Beams Retrofitted with a Bonded Plate [J ] . Journal of Materials in Civil Engineering. 2001 , (324) :10621131 [5 ]Amir M Malek ,Hamid Saadatmanesh.Uitimate shear capacity of reinfrced concerete beams strengthened with web2bonded fiber2reinforced plastic[J ] .ACI structural journal. 1998 , (728) :3912399. [6 ]Kunieda Minoru ,Kamada Toshiro. Evaluation of Bond Properties in Concrete Repair Materials[J ] . Journal of Materials in civil engineering. 2001 , (324) :982105. [7 ]J F Chen ,J G Teng .Anchorage Strength Models for FRP and Steel Plates Bonded to Concrete [J ] . Journal of Structural Engineering. 2001 (7) :7842791. [8 ]Martinola G,Wittmann F H.Application of Fracture Mechanics to Optimize Repair Mortar Systems[J ] . Fracture mechanics of concrete structure. 1995 :148121492. [9 ]Kunieda M,Kurihara N ,Uchida Y,Rokugo K. Srinking and Cracking Behavior of Repair Materials for Concrete Structures [J ] . Fracture mechanics of concrete structure. 1998 :184121850. Discussion of Strengthening Concrete Members with CFRP GUO Yong2chang ,LI Li2juan ,LIU Feng (Faculty of Construction , GDUT,Guangzhou 510643 , china) Abstract :This paper generally introduces the superior properties and application prospect of CFRP in civil engineering and summarizes the theoretical results of CFRP stiengthening in concrete members. Some key questions are put forward in the paper. Therefore it supplies important thoughts for thereafter study. Key words :carbon fiber sheet ;concrete member ;strengthening 第3期 郭永昌 ,等:碳纤维布加固混凝土构件的探讨 59

需要此文献的朋友，请加微信号:18672350758联系客服，免费发送。