四川建筑科学研宄碳纤维材料在加固工程中的应用研究薛伟辰，李杰（同济大学建筑工程系，上海200092）加固用CFRP的研宄与应用的最新进展。

　　前言当建筑物不能满足安全性、适用性或耐久性的要求时，必须进行加固处理。

　　混凝土结构的加固方法很多。传统的加固方法有：加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、裂缝修补法以及喷射混凝土加固法、缠绕钢丝加固法等。从总体上看，传统加固方法存在着以下缺点：（1）增加结构尺寸，减少使用空间，影响建筑的使用和美观；（2）形成不必要的焊接节点和连接；（3）自重大，可能会造成连锁补强问题；与原结构无法很好地共同工作；（5）抗侵蚀能力弱，耐久性差；（6）施工周期长且复杂，社会经济效益差等近年来，一种新兴的加固技术一一碳纤维（CFRP）加固技术可以较好地解决上述问题。CFRP的主要特点有：抗拉强度高、抗腐蚀性能好、热膨胀系数与混凝土相近、密度小、成本较高等。加固用CFRP有以下四种型式：CFRP布、CFRP板、CFRP筋、2D和3I-CFRP CFRP用于混凝土结构加固的研宄始于20世纪80年代。美国、日本、德国等国己对CFRP加固技术，尤其是抗震加固技术进行了较多的研宄，并编制了有关设计、施工规范与规程。据有关资料，1997年，仅日本东燃公司加固用CFRP布的年需求量为70万m2，产值折合人民币约15亿元。CFRP加固技术的研宄在国内起步较晚。目前，冶金部建研总院、同济大学、清华大学、东南大学等多家单位正积极进行CFRP加固混凝土结构的试验研宄和工程应用工作。

　　CFRP布是由CFRP纤维织成的柔软布状材料，通常粘贴于梁的两个侧面和底面进行抗弯和抗剪加固，或用于对柱进行包裹以提高柱的抗剪承载力和延性。单向CFRP布在按纤维方向加载时，表现出高强度、高弹性模量的特点，并具有突出的抗疲劳性能；双向CFRP布则在两个互相垂直的方向上均表现出相同的性能。

　　1试验研究T型截面混凝土梁进行抗剪加固的试验研宄。试验研宄表显表现出更高的承载力，提高幅度为60% ~150%；在混凝土破坏前，CFRP布均未达到其极限抗拉能力TansisC.Tantafillou做了CFRP布对矩形截面混凝土梁进行抗剪加固的试验研宄。加固用CFRP布为单向纤维，该纤维弹性模量为235GPa抗拉强度为3300MPa试验研宄表明：所有梁的破坏均是由于在剪跨中斜拉裂缝的开展而导致的脆性剪坏；与未加固的试件对比，加固后的试件破坏荷载明显增大，增大幅度为65%~95%；沿45度方向粘贴的CFRP布，对抗剪强度的提高更为显著。

　　清华大学赵树红等人进行了碳纤维布加固钢筋混凝土柱受剪试验研宄。试验研宄结论主要有：（1）采用CFRP布加固，使混凝土构件受剪承载力大幅度提高；（2）CFRP布加固后的试件最大承载力均出现在CFRP布剥落后、拉断前，构件的变形能力提高；（3）CFRP加固量越大，试件延性越好；（4）CFRP布对提高高轴压比试件延性的作用更明显22工程实例1996年意大利北部Piano地区对一对塔形民用建筑进行加固。经过表面处理，包括混凝土清理和将转角打成圆弧，在柱子末端包裹三层CFRP布，在箍筋方向包裹两层，纵向粘贴一层。修复工作在两天内完成，且没有用任何大型设备，对居民的日常生活也没有造成影响，加固后使用效果良好。

　　冶金部国家工业建筑诊断与改造工程技术研宄中心对某八层新建框架结构进行了加固。沿梁底通长粘贴二层宽300mm的CFRP布，此外，梁端设置U型CFRP箍进行抗剪加固。该项目实际粘贴CFRP布面积共约120m2，12天内完成，在施工工期、加固后使用空间、加固材料耐久性及施工质量等多方面达到了业主要求，取得了满意的加固效果。

　　CFRP板是由CFRP纤维制成的具有一定厚度的薄板，一般由几层纤维薄片粘结制成。与CFRP布相比，CFRP板不能弯卷，只能用于平面加固，但CFRP板比CFRP布厚，相当于多层CFRP布共同工作，因而具有更高的抗拉承载力。

　　薛伟辰。纤维塑料筋在混凝土结构中的应用。工业建筑，1试验研究对混凝土梁进行抗弯加固的试验研宄。对16根混凝土梁，分别用碳纤维、玻璃纤维和阿拉米德纤维制成的FRP板进行加固，发现所有加固后的梁的强度和刚度均得到提高，刚度提高幅度为17%~99%，强度提高幅度为28%~97%. ThariasisC.Triaritafillou和NikolaDeskovic等人对预应力CFRP板加固混凝土构件进行了试验研宄。试验研宄表明：所有4根通过体外预应力CFRP板加固的混凝土梁的强度提高十分显著，其强度相当于对比试件的3~4倍，此外，其刚度也得到提高并保持很好的延性。可见体外预应力CFRP板加固混凝土梁具有相当优越的效果，对原结构的强度、刚度及延性均有明显的提高。

　　东南大学许清风等人对梁的粘贴CFRP板加固法进行了试验研宄。试验研宄表明：对混凝土梁进行粘贴CFRP板加固，一般可同时提高梁的受弯承载力和受剪承载九抗弯加固和抗剪加固是相互关联的。

　　3.2工程实例1994年日本Tokanda高速公路上一座桥的加固。该桥由支撑在钢梁上的钢筋混凝土桥板组成，由于拱腹的混凝土开裂，影响了结构承载能力。在约有164m2的混凝土表面粘贴了CFRP板。加固工程于1994年3月份全部完成，并进行了通车测试。结果表明：加固后的受拉钢筋的拉应变较加固前降低了30%~40%. 1994年日本九州岛两条隧道的混凝土内壁的加固。由于隧道内壁混凝土的开裂，加固采用体外粘贴CFRP板，加固面积为590m\加固的目的是提高混凝土内壁的强度和刚度。采用CFRP板加固后，对隧道内壁抵抗侧向压力的刚度有较大的提高。在该工程中使用体外CFRP板加固的优点体现在：1）施工过程中不影响隧道内的交通；2）由于CFRP板的厚度很小，加固后不减少隧道的使用空间。

　　CFRP筋是由成束状的多股连续碳纤维与树脂胶合制成的条状纤维复合材料。由于CFRP纤维具有高强度、高弹性模量的特点，CFRP筋常可以用来代替混凝土结构中的预应力筋来使用。CFRP筋作为加固用体外后张预应力筋有以下优点：（1）强度高，有效预应力大；（2）质量轻，施工方便；（3）耐腐蚀性能极佳；（4）检修、调整和替换损坏的CFRP预应力筋方便。

　　41试验研究筋加固桥梁的试验研宄。试验对象为4根预应力混凝土双T型桥梁模型，CFRP筋用作体外预应力筋。加载时，每根试件均经过反复加载，最后再加载至破坏。试验研宄表明：（1）试验过程中没有发生体外CFRP筋断裂现象；（2）试验中体外筋的预应力损失约为5%~7%，由于反复加载引起的预应力损失约3%；（3）混凝土开裂前体外CFRP筋应力呈线性增长，开裂后则应力增长迅速；4）所有试件中，体外预应力筋的应力均增长到大约为最初预应力值的两倍；（5）试42工程实例1996年加拿大Winnipeg市一座水污染控制中心的屋面加固。该屋面建于20世纪30年代，由56块预制简支屋面板组成。原设计时只考虑了自重和雪荷载，现重新翻修时，由于需在屋面上放置大型装置，故进行加固。考虑到CFRP材料的高强、轻质、施工方便等优点，决定采用CFRP筋来加固屋面。加固工程按以下步骤进行：混凝土表面处理；将环氧树脂粘结剂涂在混凝土表面，厚度约为1mm；粘贴CFRP筋。整个屋面的加固工作在4天内完成。加固3天后，粘结剂达到许可强度，开始在屋面上放置大型装置。这一加固工程体现了CFRP筋加固技术的高效率和高经济效益的优点加固后很好地控制了在新增荷载下的挠度和裂缝开展，提高了结构的承载力、刚度和耐久性，并且在加固过程中不影响建筑物的使用，大大缩短了工期。

　　2D~CFRP格栅是由高强度的连续碳纤维经过环氧树脂浸润制成的平面格栅形CFRP2D~CFRP格栅在加固工程中可进行与CFRP布或CFRP板类似的体外加固，也可在构件表面粘贴它后再浇以混凝土，作为加大截面法进行加固。

　　栅的抗弯试验研宄。试件为3.6mX1.m的幕墙，厚度为150mm，对称配置两片CFRP格栅。试验研宄表明：（1）试验的弯曲开裂荷载均超过了设计值，即使在经过防火测试后也是如此；（2）现有的对混凝土受弯的分析理论可用于计算试件的初始刚度、开裂后的刚度和极限承载力；3）在设计荷载下的裂缝宽度为0.3mm或更小。

　　3I-CFRP是由较粗的CFRP纤维束在三个方向编结并经过环氧树脂浸润而成的一种立体纤维材料，它具有CFRP材料的一切优点，例如高强度、高弹性模量、防腐蚀等。并且还可以根据需要制作成所需的不同形式。

　　PoulZia和ShuaibH.Ahmad等人做了将3I-CFRP作为混凝土构件体内受力筋的抗弯和抗剪性能试验研宄。试验对象为7根矩形截面混凝土梁。试验研宄表明：（1）3D~CFRP具有优异的粘结锚固性能；（2）试件开裂后，配置CFRP的梁出现许多小而密的垂直裂缝，而配置钢筋的试件的裂缝则较少，裂缝间距大，裂缝宽度大；（3）由于所用CFRP的弹性模量比钢筋小，且CFRP的配筋率也比钢筋低很多，因此，配置CFRP的试件的挠度比配置钢筋的试件大一些；（4）3！-CFRP在防止剪切破坏上的作用十分明显6展望CFRP加固技术的应用越来越广泛，有着广阔的发展前景。但有许多关键技术问题亟须解决：1）高性能CFRP材料的开发问题；2）专用设计方法的研宄，编制有关设计规范；（3）施工工艺研宄，编制有关施工标准等。