內(nèi)容摘要：粘貼碳素纖維布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕而強度高的獨特特性，在工程加固領(lǐng)域備受青睞，但是要了解它、認識它、有效地應(yīng)用它，仍有很多值得探討的問題。
　　關(guān)鍵詞：碳素纖維布，加固，探討
　　0、序言
　　隨著我國經(jīng)濟領(lǐng)域的飛速發(fā)展，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國的工程建設(shè)領(lǐng)域也進入了提速階段，無論是在建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度上發(fā)展是空前的，在建設(shè)工程不可避免的會產(chǎn)生意外事故；另一方面我國的工程建設(shè)已經(jīng)趨向于飽和的發(fā)達國家，正面臨著工程結(jié)構(gòu)老化裂損，存在大量需要加固的工程。同時，也促進了工程結(jié)構(gòu)加固行業(yè)的發(fā)展。
　　目前，在市場上應(yīng)用比較廣泛的粘鋼法、粘碳素纖維布法、粘高強玻璃鋼等結(jié)構(gòu)加固方法，各有優(yōu)點和缺點，適用范圍不盡相同；在加固的過程中也有加固失效的工程案例。因此，要利用好各種加固技術(shù)，必須分析其優(yōu)點和特性，充分掌握其應(yīng)用過程中的利弊，才能揚長避短發(fā)揮特點。
　　本文將探討粘碳素纖維布法加固的特點及應(yīng)用范圍。
　　1、碳素纖維布的物理力學(xué)特性
　　碳素纖維布由于其延伸率很低及線膨脹系數(shù)為負值等特點，在很多項式領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用，其主要物理力學(xué)特性如下：
　　碳素纖維布與鋼筋混凝土相比較的物理力學(xué)指標(biāo)表

　　
　　由上表可知，碳素纖維布的抗拉強度很高、延伸率很低、線膨脹系數(shù)為負值，且導(dǎo)電性能良好，優(yōu)點和缺點比較突出。
　　1.1抗拉強度
　　碳素纖維布抗拉強度很高，≈3000MPa，接近鋼筋抗拉強度的10倍，且材質(zhì)很輕?；谶@一優(yōu)點，使用時往往忽略了碳素纖維布是脆性材料，延伸率很低，僅為鋼筋延伸率的1/10左右，而且彈性模量也較低。因此，雖然碳素纖維的抗拉強度很高，但根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS25：90），設(shè)計值的選取時必須遵守“其允許應(yīng)變不應(yīng)大于0.01或材料極限的2/3”的規(guī)定。
　　目前市場上供應(yīng)的碳素纖維布，對允許極限變形的指標(biāo)均不能保證，在設(shè)計取值時只能根據(jù)δ=Eε的理論計算，并持ε<0.01的保守態(tài)度去取允許設(shè)計抗拉應(yīng)力。這樣，碳素纖維布的實際抗拉值比鋼材設(shè)計值低得多，造價卻高得多，每平方米的粘貼成本造價在600元/m2左右，折合虛貼面積最低成本也在200元/m2左右。這就充分說明了所謂的碳素纖維布強度高只是一種虛假現(xiàn)象，實際上并不能充分發(fā)揮其特高強度的特性，實際強度只發(fā)揮了20%左右，而且造價偏高，可靠度偏低。
　　1.2線膨脹系數(shù)
　?。?）碳素纖維布的熱縮冷脹特點
　　鋼筋的線膨脹系數(shù)為10×10-6，混凝土的線膨脹系數(shù)為5.0～7.5×10-6，在溫度變化條件下彼此基本能協(xié)同工作。碳素纖維布與鋼筋混凝土性質(zhì)迥異，線膨脹系數(shù)只有鋼筋混凝土的1/20左右，是熱縮冷脹，互不協(xié)調(diào)，不足以保證與鋼筋混凝土的變形協(xié)調(diào)。這是碳素纖維布加固工藝上的致命弱點。
　　（2）碳素纖維布的線膨脹系數(shù)為負值
　　碳素纖維布的線膨脹系數(shù)為負值，對于一些不要求膨脹的構(gòu)件和對膨脹變化要求很嚴(yán)的的設(shè)備或構(gòu)件，可能是優(yōu)點，也可能是致命缺點。
　　例如，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，由于碳素纖維布線膨脹系數(shù)為負值，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)膨脹了而碳素纖維布不膨脹，反而對結(jié)構(gòu)形成了約束，對于結(jié)構(gòu)來說是致命的，有可能對已經(jīng)加固后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成新的損傷，對結(jié)構(gòu)安全更加不利。
　　1.3導(dǎo)電性能
　　碳素纖維布是一種良好的導(dǎo)電體，這是其優(yōu)點，也是其致命弱點。如果將碳素纖維布用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面加固，將嚴(yán)重干擾電路系統(tǒng)，形成感應(yīng)電流或雜散電流，帶來鋼筋銹蝕、人身及設(shè)備安全問題。另外，由于碳素纖維布良好的導(dǎo)電性能，對于一些對抗靜電干擾和防雷要求高的房間也應(yīng)慎重使用。
　　2、碳素纖維布加固工藝的工作原理
　　用碳素纖維布來取代鋼筋來加固受彎或受壓構(gòu)件，其工作原理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎受壓構(gòu)件原理相同，都建立在“平截面理論”和“平衡設(shè)計假定”這兩個理論的基礎(chǔ)上。
　　在同一截面上，鋼筋混凝土受壓，且控制其極限抗壓變形εСω=0.0033；鋼筋受拉，且控制其變形εS略小于極限拉伸變εg。維持混凝土受壓、鋼筋受拉，構(gòu)件受彎曲，平截不變，保持平衡破壞的前提是依靠混凝土、鋼筋的黏結(jié)力和抗剪強度去滿足的。若不能滿足，則一切加固措施就都不能起作用。可是在整個碳素纖維布加固過程中，對混凝土的抗剪、抗壓、抗粘結(jié)力的提高問題并未觸及，毫無改善。界面以上的深度一但剪切破壞，則所謂的樹脂高黏結(jié)力、碳素纖維布的超高強度，都將成為空話。
　　3、碳素纖維布加固工藝的破壞機理分析
　　3.1理論探討
　　碳素纖維加固工藝問世20余年，學(xué)者們即圍繞著出現(xiàn)在實驗室和加固現(xiàn)場的關(guān)于粘碳素纖維布的“奇異”破壞機理進行不懈的理論研究。由于多向異性的混凝土，尤其是受過損傷的性能異常的混凝土和完全脆性的浸漬樹脂與完全柔性但經(jīng)過脆性樹脂浸漬的碳素纖維布組合起來，作為一種各向絕對異性、極不均一的復(fù)合材料，要在各向同性的假定條件下，用經(jīng)典的彈性力學(xué)理論去計算，顯然難以讓人置信的。學(xué)者們曾試圖用LUSAS有限元軟件對混凝土與樹脂之間的粘結(jié)界面上的壓就力和剪應(yīng)力值進行分析，盡管也找到了梁支座附近出現(xiàn)的應(yīng)力“發(fā)散”的“奇異點”，可用于解釋實驗室和加固工地粘巾界面出現(xiàn)的碳素纖維布構(gòu)件的尾端曾經(jīng)出現(xiàn)的普通粘結(jié)剝離現(xiàn)象，但從計算結(jié)果也看到，同一試件用同一方法，只因為有限元網(wǎng)格劃分的邊長不一樣，計算出來的界面正應(yīng)力和剪應(yīng)力竟相差1倍。所謂的支座附件的應(yīng)力“發(fā)散”現(xiàn)象，很可能只是端點附近的有限元網(wǎng)格分得過細有關(guān)。這顯然是由于主觀原因造成的。要用理論計算來指導(dǎo)設(shè)計與施工，還有一定的距離。
　　3.2定性分析
　　由于進行定量分析存在困難，試用一些力學(xué)基本原理結(jié)合工程實踐情況對碳素纖維布的破壞機理作一些定性分析，可以加深對該問題的認識和理解?！　?.2.1加固斷面的特性及加固構(gòu)件撓度的理論計算分析
　　以簡支梁為例：加固前其斷面為bh，斷面慣性矩I=bh3/12，彈性模量E=2.1×105MPa，假定加固以后bh不變。因此，其斷面積A、慣性矩未變，彈性模量兩者相近，也可視為不變。對于簡支梁來說，其計算撓度值不會變。因此，構(gòu)件的撓度（剛度）不變，則其抗裂（變形）能力不會提高，混凝土斷面上出現(xiàn)的裂縫只是表面被蒙了碳素纖維布罷了。
　　3.2.2加固斷面的內(nèi)力分析法
　　基于前文提及的“平面理論”和“平衡破壞理論”的基礎(chǔ)上，那么構(gòu)件加固后，在不出現(xiàn)破壞以前，斷面上各個點的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均保持線性關(guān)系。無論是碳素纖維布儲備多大的抗拉能力，它并不能對混凝土的抗壓、抗剪能力提供任何幫助，而存在各種先天不足的混凝土隨時都有可能出現(xiàn)壓剪破壞的危險。在這種危險出現(xiàn)以前，梁的撓度不會變，碳素纖維板布的“卓越”性能得不到發(fā)揮。只有壓剪破壞出現(xiàn)以后，裂縫出現(xiàn)撓度加大才能發(fā)揮作用，限制和約束裂縫出現(xiàn)撓度的繼續(xù)擴大與發(fā)展。因此，碳素纖維布加固的實際功能只是一種消極的事后“保安”措施，而不是一種積極的事先“防衛(wèi)”工作，其作用也不能估計太高。
　　3.2.3加固后的受力分析
　　以簡支梁為例，受到荷載后，其彎矩、剪力與變們圖形很規(guī)則、很明確。以梁底中分線上的O點作為基點來分析，其水平變位量在中分點O是零位，并逐漸向兩端聚集，到支座處水平變位發(fā)展為最大，并從這里逐漸向兩端支座處衰減至零變位。因此，粘貼面所產(chǎn)生的水平剪力應(yīng)在梁底中分線以上為零，并向兩端聚集到最大；粘貼面所產(chǎn)生的正應(yīng)力，在支座附近為零，并向中分線的不動點上發(fā)展為最以大值。
　　筆者認為，加固后的水平剪切剝離點出現(xiàn)在尾端而正應(yīng)力拉脫剝離點則出現(xiàn)在梁底跨中附近，是必然現(xiàn)象，而不是奇異現(xiàn)象。由于加固對象混凝土的質(zhì)量不均勻、病灶分布無規(guī)律，哪里薄弱，就從那里突破。
　　3.2.4加固構(gòu)件的溫度應(yīng)力分析
　　理論分析和現(xiàn)場調(diào)查表明，絕大部分新建工程由于出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫隙而必須進行結(jié)構(gòu)加固，其原因主要是以溫度為應(yīng)力為導(dǎo)火線。如建筑中的框架結(jié)構(gòu)、高層剪力墻結(jié)構(gòu)以及橋梁中的大跨度預(yù)應(yīng)力箱形連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，近年來的結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)機率非常高，非常嚴(yán)重。在加固方案選擇時，總是首選碳素纖維布加固方案。但經(jīng)研究認為，用粘貼碳素纖維布的加固方法來抑制溫度應(yīng)力、抵抗溫度裂縫的選擇是值得探討的。
　　碳素纖維布與鋼筋混凝土有著相差懸殊的線膨脹系數(shù)，碳素纖維布是熱縮冷脹，鋼筋混凝土是熱脹冷縮，兩者的變形不協(xié)調(diào)，即使碳素纖維經(jīng)過樹脂浸漬改善，但其線膨脹系數(shù)與鋼筋混凝土膨脹系數(shù)相差20倍左右，因此，在降溫的條件下，混凝土內(nèi)受的是拉力，而碳素纖維布受的是壓應(yīng)力。混凝土構(gòu)件由于受端約束或自由約束降溫時構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生冷縮應(yīng)力（冷脹力）的作用，會使構(gòu)件界面上受到冷縮張拉應(yīng)力復(fù)雜化。但對于薄薄的碳素纖維布來說，受到冷脹擠壓應(yīng)力則等于是解除了武裝，會喪失其強大的抗拉優(yōu)勢，不能發(fā)揮其加固效果。因此，選擇粘貼碳素纖維布的工藝來抑制溫度應(yīng)力以加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件是不適當(dāng)?shù)摹?br />　　4、粘貼碳素纖維布加固工藝的適用范圍
　　經(jīng)過上述分析，筆者認為，用碳素纖維布來加加固壓彎構(gòu)件（梁、板），其可靠度不高，也不經(jīng)濟，但是因碳素纖維布具有極高的抗拉強度和極低的延伸率，若用其對受壓構(gòu)件如框架柱進行斷面全封閉、全約束，則可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，大幅度提高構(gòu)件的受壓能力。粘貼碳素纖維布是冷作業(yè)，具有操作簡單的特點，用來加固或修補鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的局部外傷，可以取得很好的效果。但在使用過程中，要針對加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點來合理進行選用，若選用不當(dāng)，可能會給加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來災(zāi)難性的毀滅；使用得當(dāng)則會充分發(fā)揮碳素纖維布高強、輕質(zhì)的特點，獲得成功加固的結(jié)果。
　　5、結(jié)束語
　　綜合上述論點，筆者認為碳素纖維布粘貼加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件有以下幾點結(jié)論：
　?。?）用于梁板的加固，并沒有完全起到“內(nèi)防外治”的作用，加固不當(dāng)或留有隱患會脆性破壞，加固后果勘憂。
　　（2） 碳素纖維布對曲面殼體結(jié)構(gòu)和柱身加固是恰到好處。
　?。?）采用碳素纖維布加固技術(shù)，出現(xiàn)粘結(jié)面剝離現(xiàn)象不是異常而是正?，F(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)變形的協(xié)調(diào)原理而不是根據(jù)力學(xué)平衡理論來研究粘貼碳素纖維布的破壞機理。
　?。?）碳素纖維布加固技術(shù)用于梁、板加固時，應(yīng)以先進行混凝土缺陷檢測與強化、然后再開始進行碳素纖維布加固為宜。
　?。?） 從經(jīng)濟的角度考慮，不宜多采用粘碳素纖維布加固技術(shù)。

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文章來源： 永年加固公司
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