傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固方法有：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、裂縫修補(bǔ)法及噴射混凝土加固法、纏繞鋼絲加固法等?？傮w上看，傳統(tǒng)加固方法存在以下缺點(diǎn)：增加結(jié)構(gòu)尺寸，減少使用空間，影響建筑的使用和美觀；形成不必要的焊接節(jié)點(diǎn)和連接；自重大，可能造成連鎖修補(bǔ)問題；無法加固修復(fù)形體復(fù)雜構(gòu)筑物；抗侵蝕能力弱；施工難度大、周期長、費(fèi)用高。CFRP加固修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度為鋼的8倍；施工便捷，不需大型機(jī)具；施工周期短，僅為傳統(tǒng)修復(fù)的1／2—1／4；費(fèi)用低，僅為傳統(tǒng)修復(fù)的1／2—1／3；抗腐蝕；可加固修復(fù)任何形狀構(gòu)筑物等。

纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastic．簡稱FRP)加固修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)于20世紀(jì)80年代初在發(fā)達(dá)國家開始研究與應(yīng)用：1982年瑞士的Meier首先嘗試采用粘貼纖維增強(qiáng)塑料(FRP)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的研究，隨后使用FRP進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的方法在日本、美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)對FRP材料加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。1991年美國混凝土協(xié)會成立了ACI440委員會．負(fù)責(zé)開展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土與砌體結(jié)構(gòu)的研究。加拿大也成立了一個FRP加固修補(bǔ)土建結(jié)構(gòu)的國家重點(diǎn)研究開發(fā)基地。1993年ACI在加拿大主辦了第一屆國際FRP專題會議，此后每兩年舉辦一次FRP混凝土國際學(xué)術(shù)研討會。1999年3月日本土木學(xué)會成立了FRP加固委員會，井完成了應(yīng)用FRP材料對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行

加固修復(fù)的草案。其他國家如德國、瑞士等也進(jìn)行了大量的研究、應(yīng)用工作，成立了相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外已應(yīng)用碳纖維材料對橋梁、道路、隧道、建筑物(構(gòu)筑物)等多種1混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了加固。日本、美國等國家編制了一系列碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計及施工標(biāo)準(zhǔn)和指南

用于指導(dǎo)加固設(shè)計及施工。

2 國內(nèi)外研究應(yīng)用進(jìn)展

CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是FRP技術(shù)中一種應(yīng)用較普遍、性能較好的混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固新技術(shù)。包括四方面的內(nèi)容：抗彎加固、 抗剪加固、碳纖維與混凝土界面粘結(jié)性能和抗震性能研究，該領(lǐng)域的研究也由這四方面構(gòu)成。

2.1 抗彎加固

CFRP(碳纖維板和碳纖維布)對混凝土構(gòu)件的抗彎加固是最基本的形式，特別是對混凝土梁的加固更是如此，所以這方面的研究和應(yīng)用比較多。

Ritchie等人應(yīng)用碳纖維板對小剪跨比鋼筋混凝土乘進(jìn)行丁加固試驗(yàn)，結(jié)果表明：外貼碳纖維板可提高梁的承載力和剛度，在此基礎(chǔ)上采用迭代分析法進(jìn)行了梁抗彎承載力和剛度的計算，計算值偏高，原因是由于沒有考慮碳纖維板端應(yīng)力集中和碳纖維板的錨固問題。

Fanning 也進(jìn)行了碳纖維板加固混凝土梁的試驗(yàn)研究．結(jié)果表明破壞形態(tài)都是碳纖維板端剪切剝離破壞，碳纖維板加固混凝土梁可提高梁的承載力和剛度，采用有限元方法計算了碳纖維加固混凝土梁的抗彎承載力，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，計算結(jié)果較好，同時提出了對脆性破壞形態(tài)和錨固作用需進(jìn)一步研究。

Arduini等人通過加固混凝土梁試驗(yàn)，研究了碳纖維布加固量、錨固方式導(dǎo)致的不同的破壞形態(tài)和抗彎承載力，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用碳纖維布加固混凝土梁可提高梁的屈服荷載和極限荷載，但只是在截面受壓區(qū)較小時，碳纖維布才能充分發(fā)揮性能，同時針對脆性破壞現(xiàn)象提出了在剪跨區(qū)全部采用U型箍錨固方式加固，可防止脆性剝離破壞發(fā)生，但對界面形態(tài)和剝離破壞原因沒有進(jìn)行分析。

Malek等人計算了碳纖維板加固混凝土梁在加固特征點(diǎn)(板端、裂縫處等)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力的集中程度，并與有限元方法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比．來研究碳纖維板增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的局部失效，但由于假定碳纖維板與混凝土之間無粘結(jié)滑移，所以不能得出令人滿意的結(jié)果。

Hamid 等人推導(dǎo)了加固梁二次受力狀態(tài)下正截面承載力的計算公式；Mckenna等人提出了T型梁加固后的承載力計算方法，定義了破壞形態(tài)界限，并控制不同的破壞模式。

Spadeu 等人進(jìn)行了加固量、縱向鋼筋配筋量、箍筋配筋量、錨固方式和位置等條件不同情況下的試驗(yàn)，加固后梁的承載力和廷性都有不同程度的提高。

White等人分別用基于碳纖維布與混凝土之間無粘結(jié)滑移的假定，建立截面分層模型來計算截面中碳纖維布、混凝土及鋼筋的響應(yīng)，但計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的剝離破壞形態(tài)不符。

2.2抗剪加固

CFRP抗剪加固混凝土構(gòu)件的破壞模式有很多種，破壞模式受碳纖維片材與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度、碳纖維片材錨固長度、粘貼方式、厚度等多種因素的影響。對纖維類材料抗剪加固的研究．最早是由麻省理工學(xué)院的Berset進(jìn)行的。

Berset采用玻璃纖維片貼在梁受剪區(qū)段側(cè)面進(jìn)行加固，通過與末加固梁的對比，提出了纖維片材加固梁的受剪承載力分析模型，模型中纖維片材的作用類似箍筋，對抗剪的貢獻(xiàn)由試驗(yàn)中得到的纖維最大允許應(yīng)變決定。

Uji 用碳纖維布粘貼在梁側(cè)面和用碳纖維布封閉箍對混凝土梁進(jìn)行加固，基于對碳纖維—混凝土剝離界面的分析，提出了產(chǎn)生剝離破壞的受剪計算模型。Uji 認(rèn)為，在纖維剝離時，界面的平均應(yīng)力由試驗(yàn)確定為1．3Mpa. Chajes 對梁進(jìn)行了受剪加固試驗(yàn)，指出梁的受剪承載力可提高50％-160％，并進(jìn)行了計算。

Triantafilou 研究了碳纖維片材中纖維方向?qū)κ芗艏庸痰男Ч?，結(jié)果表明450／1350纖維排列加固效果優(yōu)于900纖維排列加固效果；研究了碳纖維加固量對構(gòu)件達(dá)到最大承載力時碳纖維有效應(yīng)變的影響，結(jié)果表明，隨碳纖維布加固量的增大，梁的極限抗剪強(qiáng)度先增加后減小，即當(dāng)碳纖維的加固量超過一定范圍時，碳纖維的加固作用反而降低。

清華大學(xué)的趙樹紅等進(jìn)行了碳纖維布加固混凝土矩形截面柱的受剪試驗(yàn)，研究了混凝土強(qiáng)度、軸壓比、剪跨比和配箍特征值對碳纖維布加固混凝土矩形截面柱受剪承載力的影響；同時進(jìn)行了碳纖維布加固混凝土矩形截面柱抗震性能的試驗(yàn)，研究了軸壓比、縱筋配筋率和配箍率對碳纖維布加固構(gòu)件延性的影響。

碳纖維布抗剪加固計算理論主要有兩種方法：一種是利用經(jīng)典理論分析碳纖維片材加固后粱或柱的受剪承載力表達(dá)式；另一種是把碳纖維片材的抗剪能力部分歸人已有的設(shè)計表達(dá)式。

Malek等人應(yīng)用桁架理論對碳纖維片材厚度、纖維方向、橫向彈模、箍筋間距等參數(shù)的作用進(jìn)行了分析，在抗剪承載力表達(dá)式中引進(jìn)了裂縫角度變量。

Chajes 等認(rèn)為碳纖維片材最大應(yīng)變由受剪區(qū)極限應(yīng)變限制，其試驗(yàn)測得為0.005。

Khalifa等人研究了FRP板對抗剪能力的貢獻(xiàn)。

Malek、Kobayashi等人分別進(jìn)行了碳纖維布加固混凝土梁抗剪承載力的試驗(yàn)，認(rèn)為外粘的碳纖維布可起類似箍筋的作用，建立了剪切剝離的計算評價模型，但計算值與試驗(yàn)值的偏差較大。

Spadeu 和Picard等人研究了碳纖維布提高混凝土梁延性的方式及效果，提出了加固設(shè)計方法。

張繼文等人進(jìn)行了碳纖維布加固梁的受剪承載力試驗(yàn)，提出了計算方法。

李全旺等人提出以反映碳纖維與混凝土強(qiáng)度的加固特征值作為加固量的參數(shù)，認(rèn)為碳纖維片材強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)隨加固量的增加而減小，達(dá)到一定界限值后，強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)穩(wěn)定在0．2左右。

2.3 CFRP與混凝土界面粘結(jié)性能

碳纖維布與混凝土之間的錨固粘結(jié)性能是影響碳纖維布加固混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和破壞形態(tài)的主要因素。在碳纖維布的錨固粘結(jié)性能方面，C．Y．Wang等人研究了碳纖維布加固梁開裂后碳纖維布的剝離破壞現(xiàn)象。

Philip A．Ritchie等認(rèn)為從支座邊緣起自然錨固一般不能保證纖維不發(fā)生剝離破壞，因此可采用附加錨固，即在粱端部側(cè)面附加纖維片材箍。

吳智深等人通過試驗(yàn)對加固的綜合效果進(jìn)行了考察，并用斷裂能方法對碳纖維布與混凝土粘結(jié)界面的剝離破壞進(jìn)行了分析，但認(rèn)為只有剪切斷裂能起作用，忽略了張開斷裂能的作用。

Garden 研究了剪跨比對錨固的影響，認(rèn)為剪切剝離破壞有“保護(hù)層剝離”與“部分保護(hù)層剝離”兩種破壞形式，前者指整個剪跨范圍內(nèi)梁底保護(hù)層剝落、鋼筋外露，這是由于碳纖維片材端部出現(xiàn)剪切裂縫而引起的；后者指鋼筋僅在剪跨區(qū)內(nèi)一小部分外露，其余范圍內(nèi)碳纖維片材上粘有混凝土薄層，此由彎剪主裂縫引起。隨著碳纖維片材厚度的增加，片材端部的剪應(yīng)力與正應(yīng)力增加，片材發(fā)生剝離破壞，同時伴隨有沿縱筋的局部混凝土拉剪破壞；研究結(jié)果表明，采用附加錨固能防止脆性剪切剝離破壞的發(fā)生，但對錨固的定量計算沒有成熟的研究成果。

德國的M．Blaschko等人從傳統(tǒng)的粘鋼方法出發(fā)，類推出外粘碳纖維板的粘結(jié)破壞，對粘結(jié)破壞進(jìn)行了分類和描述，提出一些建議計算公式，但用碳纖維布加固的計算結(jié)果精度較差。

2．4抗震性能

國內(nèi)外許多學(xué)者對碳纖維加強(qiáng)鋼筋混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了研究。研究表明：CFRP加固的鋼筋混凝土短柱具有很好的廷性和滯回耗能能力，能有效提高鋼筋混凝土柱的抗震性能。采用CFRP加固鋼筋混凝土柱，可防止斜裂縫發(fā)現(xiàn)或限制斜裂縫發(fā)展，有效提高柱的受剪承載力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎的抗震要求。增加橫向箍筋和粘貼碳纖維布．可以在一定程度上延緩壓區(qū)混凝土的壓屈區(qū)域的進(jìn)一步發(fā)展，有效阻止構(gòu)件的高剪壓破壞，減緩高軸壓比構(gòu)件在大變形過程中的強(qiáng)度退化進(jìn)程。

CFRP對構(gòu)件抗剪的貢獻(xiàn)類似于箍筋，除與混凝土共同承受反復(fù)循環(huán)的外剪力外，還能起防止主筋過早壓屈和增強(qiáng)對混凝土核心的約束，它比混凝土的約束更為直接，可有效防止混凝土表層的剝落。

Priestly 進(jìn)行了圓形截面大尺寸的3個受彎和4個受剪柱的往復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用CFRP加固后的柱在往復(fù)荷載作用下均表現(xiàn)出良好的抗震性能。由于CFRP的約束作用，使得構(gòu)件一方面避免了鋼筋搭接部位的接頭破壞，另一方面提高了構(gòu)件的延性和抗剪能力，使得構(gòu)件的破壞形式由脆性剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂醒有缘膹澢茐摹?br />
Nanni的試驗(yàn)結(jié)果表明．圓形截面的構(gòu)件加固對強(qiáng)度和廷性的提高要優(yōu)于方形截面構(gòu)件。Saiidl在震動臺上進(jìn)行了3個相似比為0.3喇叭形橋墩的抗震試驗(yàn)，其中有兩個分別為采用玻璃纖維和碳纖維加固后的試件、另一個為未進(jìn)行加固的對比試件，試驗(yàn)表明FRP加固提高了構(gòu)件的位移延性和抗剪承載力；試驗(yàn)結(jié)果還顯示玻璃纖維和碳纖維兩種FPP材料的加固效果基本一致。觀察了不同加固形式(如僅加固柱、加固柱和部分墻及全部加固)和不同CFRP加固量對帶翼墻柱滯回性能的影響，發(fā)現(xiàn)CFRP加固不僅可以提高構(gòu)件的抗震性能，構(gòu)件的抗剪能力也會隨CFRP用量的增加而線性增加，但有一界限值。

近幾年國內(nèi)對CFRP約束混凝土抗震性能的研究開展很多。葉列平等人在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還得出了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的滯回耗能系數(shù)與目標(biāo)延性系數(shù)的關(guān)系，并基于能量的概念，確定了目標(biāo)延性系數(shù)的計算公式，從而可以利用該公式確定被加固柱的碳纖維用量。

目前，國內(nèi)外研究者對CFRP約束混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件抗震性能的理論研究主要是利用試驗(yàn)獲得構(gòu)件水平力與側(cè)移之間的滯回曲線，采用鋼筋混凝土的方法，提出位移延性系數(shù)和剪切強(qiáng)度的計算公式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。如Matsuzak利用和普通鋼筋混凝土相同的桁架模型給出了CFRP約束鋼筋混凝土柱的抗剪承載力計算公式，并以剪切和抗彎強(qiáng)度比的形式給出延性系數(shù)的計算公式。

3 展 望

我國對碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究和應(yīng)用雖然時間不長，但由于國內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工程量巨大，其中許多結(jié)構(gòu)的使用齡期已達(dá)幾十年，加上碳纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)獨(dú)具的技術(shù)優(yōu)勢，該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用具有巨大的價值，在短短的幾年里在國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界已形成研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)已有國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院、四川省建筑科學(xué)研究院及其他高校和研究單位對CFRP加固工程技術(shù)展開了研究，并已取得多項(xiàng)成果。但仍需要在下列方面深入研究：CFRP對不同結(jié)構(gòu)在各種荷載下加固與實(shí)效機(jī)理、結(jié)構(gòu)抗力與荷載效應(yīng)、加固設(shè)計與工藝優(yōu)化、加固材料性價比、智能CFRP加固以實(shí)現(xiàn)實(shí)時安全測評、加固工程技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)等等，以拓展應(yīng)用。

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文章來源： 永年加固公司
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