浅谈混凝土结构加固中碳纤维加固量的合理范围

郝鹏

【期刊名称】《《建材与装饰》》 【年(卷),期】2019(000)026 【总页数】2页(P-65)

【关键词】结构加固; 碳纤维布; 承载力 【作 者】郝鹏

【作者单位】山西省建筑设计研究院有限公司 030000 【正文语种】中 文 【中图分类】TU746.3 1 引言

随着我国的基础设施的发展，建设用地在逐步减少，我国以往的建造模式正在改变，由既有建筑拆除重建慢慢地向既有结构的加固进行改造。目前，有一些结构随着使用年限的增加，局部出现了结构失效问题，导致建筑实用功能改变，耐久性下降。结构加固可以在保证结构的安全系、适用性及耐久性的前提下，有效提高建筑物的可靠性。

目前结构加固的方法主要有粘钢法、增大截面法等传统的加固方法。碳纤维布具有强度高、质量轻、抗腐蚀、厚度薄、耐久性高及施工相对简单等优点，因此在结构加固中被广泛应用，如图1所示，同时也成为一个研究的热点[1]。

图1 碳纤维布加固

但是，随着粘贴碳纤维布加固法逐渐成为结构加固领域中最主要的运用方法，国内外学者对于此种方法的加固效果也呈现出两种说法。一种说法认为粘贴碳纤维布可以解决几乎所有的结构强度失效问题，而另一种说法却是质疑粘贴碳纤维布后结构的效果。实际上，在结构加固领域中，粘贴碳纤维布法虽然施工十分方便，但是在使用前也需对失效结构进行合理评估，确定合理的结构加固方法。 2 碳纤维布加固结构 2.1 钢筋混凝土结构破坏理论

普通钢筋混凝土结构破坏的三种类型：

（1）少筋破坏：结构达到极限状态时，构件受拉区纵筋首先屈服，由于构件配筋量少，虽然钢筋具有明显的屈服点，但是随着荷载增加，钢筋受到的应力迅速达到极限强度fu，而此时处于受压区的混凝土并未达到极限强度，受力钢筋要先于混凝土破坏，此种情况为少筋破坏，也称脆性破坏。为了反之出现少筋破坏，在结构设计时，纵筋的配筋率不得小于最小配筋率ρmin。

（2）适筋破坏：结构破坏时，受拉区钢筋首先达到屈服强度，同时受压区混凝土被压碎，此种情况为适筋破坏，也称延性破坏，是理想的结构破坏形式。 （3）超筋破坏：结构达到极限强度时，处于受压区的混凝土首先被压碎，而受拉区的钢筋并没有达到屈服强度。此种情况为超筋破坏，也称脆性破坏。由于混凝土的受压区高度与受拉区纵向钢筋配筋率成正比，因此，为了防止超筋破坏，在设计时需控制混凝土的相对受压区高度ξ≤ξb。对于一些抗震要求高的结构，需要结构具有较高的延性，对应的ξ也更小。 2.2 碳纤维布加固分析

从材料强度方面来说，碳纤维布的抗拉强度是钢材的10倍，而密度却要低于钢材。此外，碳纤维布具有较好的抗腐蚀性及耐久性，可以保证粘贴碳纤维布后的结构能

够长期达到设计所要求的强度。

粘贴碳纤维布结构的方法虽然有很多优点，但是此方法也有一定的缺点。由于碳纤维布属于柔性材料，因此粘贴碳纤维布几乎不能提高结构的刚度，同时对于结构变形的控制也十分有限。对于受弯构件来说，原结构的受拉钢筋配筋率对粘贴碳纤维布后结构的加固效果影响很大。

此外，在各规范中，对于受弯构件来说，要求经过碳纤维布加固后的结构正截面受弯承载力提高幅度需小于40%。规范中为何要控制碳纤维布加固后结构的承载力提高幅度，这个问题至今还未有一个很完善的答案。 2.3 碳纤维布加固后结构的破坏形式

采用粘贴碳纤维布法加固后的结构，可能会发生如下几种破坏形式：

（1）结构的加固量过大。此种情况结构的破坏形式与普通的钢筋混凝土结构超筋破坏情况相似，受压区的混凝土首先被压坏，此时，受拉钢筋受力较小，未达到屈服，相对受压区高度ξ≤ξb，属于脆性破坏。为了避免出现此种情况，在“加固规范”中要求经过加固处理后的结构相对界限受压区高度ξbs≤0.85ξb；而“纤维符合材料规范”中要求被加固构件之前的相对受压区高度ξ≤0.8ξb。

（2）结构的加固量略大，受拉区的纵向钢筋首先屈服，之后受压区的混凝土被压坏，而此时碳纤维布未达到规范要求的允许拉应变。碳纤维布在此种破坏形式下，从受力开始至破坏期间，应力应变关系为线性发展，无明显屈服点，因此规范将允许拉应变[ξ]设为极限拉应变[ξfcu]的2/3倍。

（3）结构的加固量适中，此时受拉区钢筋首先发生屈服，同时碳纤维布正好超过规范允许的拉应变[ξ]，此时受压区的混凝土还未被压坏。规范中已明确了加固后结构的承载力，因此能避免碳纤维布发生脆性锻炼，例如我国“加固规范”中提出了强度利用系数ψs，并说明了ψs≤1.0。

（4）结构的加固量较小，利用碳纤维布加固后的构件在达到极限抗弯承载力前，

碳纤维布与混凝土首先剥离，属于脆性破坏。为了避免出现这种破坏形式，规范中要求加强锚固措施来解决。

由以上可以看出，规范中对加固后结构的承载力提高幅度与构件出现的破坏形式并无对应关系。上限40%的提出，规范条文说明解释为综合考虑了构件加固后的裂缝、变形和抗剪承载力需求。四本规范中最早发行的“协会标准”说得直接：“因为缺乏成熟的研究成果，考虑到碳纤维片材的加固应用经验尚有不足之处，本规程对加固后受弯承载力的提高程度作了”。在其后发行的“上海规程”第4.2.6条和“纤维复合材规范”第4.2.11～4.2.12条，分别给出了构件加固后挠度变形和裂缝宽度的计算方法。两者都是依照“混凝土规”的计算原则而定，并遵循“混凝土规”的限值，与40%的界限无直接对应关系。而抗剪承载力的验算，规范一直都有明确的规定。 3 结论

由于在粘贴碳纤维布后，碳纤维布须在原结构继续受力后，才能发挥作用，存在受力滞后现象，若结构加固幅度过高，受压区的混凝土可能会先于碳纤维布破坏，应在加固中避免。

综上所述，在采用碳纤维布进行加固时，一定要综合构件情况，制定合理的加固方案，而不能盲目进行加固。而为兼顾安全与碳纤维材料的强度发挥，将预应力技术融入碳纤维加固中已成为结构加固的一大发展方向，例如预应力碳板，能够在主动改善结构受力状态的同时，充分发挥碳板强度，加固效果优异。 参考文献

【相关文献】

[1]混凝土结构设计规范（2015年版）：GB50010-2010[S].

[2]璩家平，璩继立，付春兰，等.碳纤维布在加固混凝土框架梁中的应用[J].工程抗震与加固改造，2010，32（3）：104-106.

[3]徐明，肖德后，陈忠范.碳纤维加固钢筋混凝土柱耐火性能试验研究[J].防灾减灾工程学报，2013，33（4）：369-374，388.

[4]常正非，杨志勇，李书进.碳纤维加固受损混凝土框架节点的试验研究[J].华中科技大学学报，2016，44（12）：-69，75.