应用碳素纤维布粘贴加固钢筋混凝土结构构件的

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。建筑设计,发表论文,职称论文
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
性能
品名 抗拉强度标准值ƒc（MPa） 允许抗拉压变形ε 延伸率 抗拉强度设计值（MPa） 线膨胀系数α 导电系数
碳素纤维布 ≈3000 ﹤0.01 ＞1.4% 210 负值 最佳导电
浸渍树脂 30～40 ﹤0.01 ＞1.5% - 0.6×10-6 不良导体
钢筋 335～400 0.01 ＞10% 300～360 10×10-6 导体
混凝土 2.01 0.0033 脆性 1.43 5.0～7.5×10-6 不良导体

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。
3.2.1 加固断面的特性及加固构件挠度的理论计算分析
以简支梁为例：加固前其断面为bh，断面惯性矩I=bh3/12，弹性模量E=2.1×105MPa，假定加固以后bh不变。因此，其断面积A、惯性矩未变，弹性模量两者相近，也可视为不变。对于简支梁来说，其计算挠度值不会变。因此，构件的挠度（刚度）不变，则其抗裂（变形）能力不会提高，混凝土断面上出现的裂缝只是表面被蒙了碳素纤维布罢了。
3.2.2 加固断面的内力分析法
基于前文提及的“平面理论”和“平衡破坏理论”的基础上，那么构件加固后，在不出现破坏以前，断面上各个点的应力应变关系均保持线性关系。无论是碳素纤维布储备多大的抗拉能力，它并不能对混凝土的抗压、抗剪能力提供任何帮助，而存在各种先天不足的混凝土随时都有可能出现压剪破坏的危险。在这种危险出现以前，梁的挠度不会变，碳素纤维板布的“卓越”性能得不到发挥。只有压剪破坏出现以后，裂缝出现挠度加大才能发挥作用，限制和约束裂缝出现挠度的继续扩大与发展。因此，碳素纤维布加固的实际功能只是一种消极的事后“保安”措施，而不是一种积极的事先“防卫”工作，其作用也不能估计太高。
3.2.3 加固后的受力分析
以简支梁为例，受到荷载后，其弯矩、剪力与变们图形很规则、很明确。以梁底中分线上的O点作为基点来分析，其水平变位量在中分点O是零位，并逐渐向两端聚集，到支座处水平变位发展为最大，并从这里逐渐向两端支座处衰减至零变位。因此，粘贴面所产生的水平剪力应在梁底中分线以上为零，并向两端聚集到最大；粘贴面所产生的正应力，在支座附近为零，并向中分线的不动点上发展为最以大值。
笔者认为，加固后的水平剪切剥离点出现在尾端而正应力拉脱剥离点则出现在梁底跨中附近，是必然现象，而不是奇异现象。由于加固对象混凝土的质量不均匀、病灶分布无规律，哪里薄弱，就从那里突破。
3.2.4 加固构件的温度应力分析
理论分析和现场调查表明，绝大部分新建工程由于出现结构裂缝隙而必须进行结构加固，其原因主要是以温度为应力为导火线。如建筑中的框架结构、高层剪力墙结构以及桥梁中的大跨度预应力箱形连续梁结构，近年来的结构裂缝出现机率非常高，非常严重。在加固方案选择时，总是首选碳素纤维布加固方案。但经研究认为，用粘贴碳素纤维布的加固方法来抑制温度应力、抵抗温度裂缝的选择是值得探讨的。
碳素纤维布与钢筋混凝土有着相差悬殊的线膨胀系数，碳素纤维布是热缩冷胀，钢筋混凝土是热胀冷缩，两者的变形不协调，即使碳素纤维经过树脂浸渍改善，但其线膨胀系数与钢筋混凝土膨胀系数相差20倍左右，因此，在降温的条件下，混凝土内受的是拉力，而碳素纤维布受的是压应力。混凝土构件由于受端约束或自由约束降温时构件内产生冷缩应力（冷胀力）的作用，会使构件界面上受到冷缩张拉应力复杂化。但对于薄薄的碳素纤维布来说，受到冷胀挤压应力则等于是解除了武装，会丧失其强大的抗拉优势，不能发挥其加固效果。因此，选择粘贴碳素纤维布的工艺来抑制温度应力以加固结构构件是不适当的。
4、粘贴碳素纤维布加固工艺的适用范围
经过上述分析，笔者认为，用碳素纤维布来加加固压弯构件（梁、板），其可靠度不高，也不经济，但是因碳素纤维布具有极高的抗拉强度和极低的延伸率，若用其对受压构件如框架柱进行断面全封闭、全约束，则可以充分发挥其优势，大幅度提高构件的受压能力。粘贴碳素纤维布是冷作业，具有操作简单的特点，用来加固或修补钢筋混凝土结构、钢结构的局部外伤，可以取得很好的效果。但在使用过程中，要针对加固结构构件的受力特点来合理进行选用，若选用不当，可能会给加固的结构构件带来灾难性的毁灭；使用得当则会充分发挥碳素纤维布高强、轻质的特点，获得成功加固的结果。
5、结束语
综合上述论点，笔者认为碳素纤维布粘贴加固结构构件有以下几点结论：
（1）用于梁板的加固，并没有完全起到“内防外治”的作用，加固不当或留有隐患会脆性破坏，加固后果勘忧。
（2） 碳素纤维布对曲面壳体结构和柱身加固是恰到好处。
（3）采用碳素纤维布加固技术，出现粘结面剥离现象不是异常而是正常现象，应根据变形的协调原理而不是根据力学平衡理论来研究粘贴碳素纤维布的破坏机理。
（4）碳素纤维布加固技术用于梁、板加固时，应以先进行混凝土缺陷检测与强化、然后再开始进行碳素纤维布加固为宜。
（5） 从经济的角度考虑，不宜多采用粘碳素纤维布加固技术。

参考文献:
[1]谢征勋、谢敏著《工程事故与安全.结构加固技术》，中国水利水电出版社。
[2]《混凝土结构加固规范》（CECS25：90）