应用碳素纤维布粘贴加固钢筋混凝土结构构件的探讨

　　内容摘要：粘贴碳素纤维布加固钢筋混凝土结构具有质量轻而强度高的独特特性，在工程加固领域备受青睐，但是要了解它、认识它、有效地应用它，仍有很多值得探讨的问题。
　　关键词：碳素纤维布，加固，探讨
　　0、序言
　　随着我国经济领域的飞速发展，带动相关产业的快速发展，我国的工程建设领域也进入了提速阶段，无论是在建设规模和建设速度上发展是空前的，在建设工程不可避免的会产生意外事故；另一方面我国的工程建设已经趋向于饱和的发达国家，正面临着工程结构老化裂损，存在大量需要加固的工程。同时，也促进了工程结构加固行业的发展。
　　目前，在市场上应用比较广泛的粘钢法、粘碳素纤维布法、粘高强玻璃钢等结构加固方法，各有优点和缺点，适用范围不尽相同；在加固的过程中也有加固失效的工程案例。因此，要利用好各种加固技术，必须分析其优点和特性，充分掌握其应用过程中的利弊，才能扬长避短发挥特点。
　　本文将探讨粘碳素纤维布法加固的特点及应用范围。
　　1、碳素纤维布的物理力学特性
　　碳素纤维布由于其延伸率很低及线膨胀系数为负值等特点，在很多项式领域得到较广泛的应用，其主要物理力学特性如下：
　　碳素纤维布与钢筋混凝土相比较的物理力学指标表

　　
　　由上表可知，碳素纤维布的抗拉强度很高、延伸率很低、线膨胀系数为负值，且导电性能良好，优点和缺点比较突出。
　　1.1抗拉强度
　　碳素纤维布抗拉强度很高，≈3000MPa，接近钢筋抗拉强度的10倍，且材质很轻。基于这一优点，使用时往往忽略了碳素纤维布是脆性材料，延伸率很低，仅为钢筋延伸率的1/10左右，而且弹性模量也较低。因此，虽然碳素纤维的抗拉强度很高，但根据《混凝土结构加固技术规范》（CECS25：90），设计值的选取时必须遵守“其允许应变不应大于0.01或材料极限的2/3”的规定。
　　目前市场上供应的碳素纤维布，对允许极限变形的指标均不能保证，在设计取值时只能根据δ=Eε的理论计算，并持ε<0.01的保守态度去取允许设计抗拉应力。这样，碳素纤维布的实际抗拉值比钢材设计值低得多，造价却高得多，每平方米的粘贴成本造价在600元/m2左右，折合虚贴面积最低成本也在200元/m2左右。这就充分说明了所谓的碳素纤维布强度高只是一种虚假现象，实际上并不能充分发挥其特高强度的特性，实际强度只发挥了20%左右，而且造价偏高，可靠度偏低。
　　1.2线膨胀系数
　　（1）碳素纤维布的热缩冷胀特点
　　钢筋的线膨胀系数为10×10-6，混凝土的线膨胀系数为5.0～7.5×10-6，在温度变化条件下彼此基本能协同工作。碳素纤维布与钢筋混凝土性质迥异，线膨胀系数只有钢筋混凝土的1/20左右，是热缩冷胀，互不协调，不足以保证与钢筋混凝土的变形协调。这是碳素纤维布加固工艺上的致命弱点。
　　（2）碳素纤维布的线膨胀系数为负值
　　碳素纤维布的线膨胀系数为负值，对于一些不要求膨胀的构件和对膨胀变化要求很严的的设备或构件，可能是优点，也可能是致命缺点。
　　例如，对于钢筋混凝土结构来说，由于碳素纤维布线膨胀系数为负值，钢筋混凝土结构膨胀了而碳素纤维布不膨胀，反而对结构形成了约束，对于结构来说是致命的，有可能对已经加固后钢筋混凝土结构造成新的损伤，对结构安全更加不利。
　　1.3导电性能
　　碳素纤维布是一种良好的导电体，这是其优点，也是其致命弱点。如果将碳素纤维布用于结构构件的表面加固，将严重干扰电路系统，形成感应电流或杂散电流，带来钢筋锈蚀、人身及设备安全问题。另外，由于碳素纤维布良好的导电性能，对于一些对抗静电干扰和防雷要求高的房间也应慎重使用。
　　2、碳素纤维布加固工艺的工作原理
　　用碳素纤维布来取代钢筋来加固受弯或受压构件，其工作原理与钢筋混凝土结构受弯受压构件原理相同，都建立在“平截面理论”和“平衡设计假定”这两个理论的基础上。
　　在同一截面上，钢筋混凝土受压，且控制其极限抗压变形εСω=0.0033；钢筋受拉，且控制其变形εS略小于极限拉伸变εg。维持混凝土受压、钢筋受拉，构件受弯曲，平截不变，保持平衡破坏的前提是依靠混凝土、钢筋的黏结力和抗剪强度去满足的。若不能满足，则一切加固措施就都不能起作用。可是在整个碳素纤维布加固过程中，对混凝土的抗剪、抗压、抗粘结力的提高问题并未触及，毫无改善。界面以上的深度一但剪切破坏，则所谓的树脂高黏结力、碳素纤维布的超高强度，都将成为空话。
　　3、碳素纤维布加固工艺的破坏机理分析
　　3.1理论探讨
　　碳素纤维加固工艺问世20余年，学者们即围绕着出现在实验室和加固现场的关于粘碳素纤维布的“奇异”破坏机理进行不懈的理论研究。由于多向异性的混凝土，尤其是受过损伤的性能异常的混凝土和完全脆性的浸渍树脂与完全柔性但经过脆性树脂浸渍的碳素纤维布组合起来，作为一种各向绝对异性、极不均一的复合材料，要在各向同性的假定条件下，用经典的弹性力学理论去计算，显然难以让人置信的。学者们曾试图用LUSAS有限元软件对混凝土与树脂之间的粘结界面上的压就力和剪应力值进行分析，尽管也找到了梁支座附近出现的应力“发散”的“奇异点”，可用于解释实验室和加固工地粘巾界面出现的碳素纤维布构件的尾端曾经出现的普通粘结剥离现象，但从计算结果也看到，同一试件用同一方法，只因为有限元网格划分的边长不一样，计算出来的界面正应力和剪应力竟相差1倍。所谓的支座附件的应力“发散”现象，很可能只是端点附近的有限元网格分得过细有关。这显然是由于主观原因造成的。要用理论计算来指导设计与施工，还有一定的距离。
　　3.2定性分析
　　由于进行定量分析存在困难，试用一些力学基本原理结合工程实践情况对碳素纤维布的破坏机理作一些定性分析，可以加深对该问题的认识和理解。

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