浅谈CFRP材料加固混凝土结构的应用分析

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【摘要】根据有关部门统计，目前我国现存的各种建筑物和构筑物的总面积约有100亿平米以上，这其中绝大多数是钢筋混凝土结构，而需要加固最多的也是混凝土结构。为避免重建的高昂费用，有关人员在混凝土建筑物的增强和加固设计方法等领域进行了探索和研究。采用cfrp材料对已有的混凝土结构进行加固不失为一种简便、有效的方法，它具有常规加固方法（如外贴钢板加固、加大截面法等）不能比拟的优越性。采用CFRP材料对建筑物进行加固，加固效果明显且施工便捷，得到了工木工程界的普遍认同。

【关键词】CFRP材料；建筑工程；混凝土结构；加固；

1、CFRP材料的性能及特点

根据所用的纤维材料的种类和性能，常见的CFRP材料有碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）和混杂纤维增强塑料（HFRP），其中在结构加固中应用最为广泛是碳纤维（CFRP）。

CFRP材料具有抗拉强度高、质量轻、热膨胀系数低、抗腐蚀等优点被国内外学者研究和利用，然而其本身也存在着抗剪强度低、价格昂贵等缺点，具体如下：

CFRP材料优点：

（1）抗拉强度高。

（2）抗腐蚀耐久性好。与钢筋相比，CFRP具有好的抗腐蚀和耐久性，若作为传统钢材的替代品，可以大大减少由于钢筋腐蚀造成的经济损失。

（3）自重轻。相比较钢筋，CFRP对结构几乎不增加荷重，这对于结构的维修和加固是非常有益的。

（4）热膨胀系数与混凝土相近。像钢筋与混凝土一样，保证了CFRP与混凝土协调工作。

（5）操作安装容易，施工速度快。CFRP密度仅为钢材的25%左右，质量比钢构件要轻得多，所以，在运输、操作、安装等工序都比钢制构件要便捷、容易，而且时间短、速度快。

CFRP材料的缺点：

（1）抗剪强度很低。一般不超过其抗拉强度的10%，受力时，很容易被剪断，所以在将CFRP预应力筋、进行材性试验或者拉索时，相应的锚、夹具需专门研制。

（2）弹性模量低。若想让CFRP发挥大的强度，需要其有大的变形，不施加预应力的CFRP利用率比较低。

（3）价格较贵。CFRP由于生产工艺比较复杂，所以价格就比较昂贵，不过随着科技的进步和生产工艺的提高，相信价格会降低的。

2、CFRP材料加固混凝土结构的方法及研究

2.1传统的加固方法

在FRP材料被广泛应用于混凝土建筑物加固之前，传统的混凝土结构加固方法主要有下列几种：

（1）加大截面加固法

一般是采用同种材料来增大混凝土结构的截面尺寸，从而提高其承载力，此方法为传统的加固方法，优点：应用广泛混凝土结构的梁、板、柱等构件，施工工艺简单，工程成本低，而且具有成熟的设计和施工经验；缺点：现场施工的湿作业时间长，静空间减小，新旧材料接触面分离等问题。

（2）外包钢加固法和粘钢加固法

该法也称湿式外包钢加固法，在构件四周表面用建筑胶体粘结型钢的加固方法，从而大幅度增大承载力。优点：被加固的混凝土截面尺寸变化不大，受力稳定、施工简便快捷；缺点：钢材用量较大，钢材防腐问题，结构胶的材料和施工工艺，造价较高等问题。

（3）增加附加支撑构件加固法

通过增设支承构件来加固混凝土结构，优点：施工简单，效果明显；缺点：工作量较大，使用空间明显减小等问题。

（4）预应力加固法

预应力加固法是利用预应力的原理，通过附加结构措施对结构施加预应力进行加固的方法。优点：可以有效的抵消部分外荷载，减小挠度，缩小裂缝宽度，发挥了加固材料高性能优势，加固效率高；缺点：对原结构混凝土性能要求较高，张拉应力不能准确控制，对锚具和施工技术要求较高。

2.2 CFRP加固混凝土结构的方法及研究

随着新材料CFRP出现，以CFRP加固混凝土结构和钢结构等的新型加固形式不断地涌现，对于以新材料CFRP加固混凝土构件形式的应用比较广泛的是外贴法和嵌入法。

（1） CFRP外贴加固法

目前国内外在加固行业中，外贴法的技术是比较成熟的，自从CFRP材料应用于结构加固以来该项技术便被采用，现已发展比较成熟，目前各国都相应的颁布了结构加固技术的标准与规范，大部分实际工程中采用的技术也多为外贴法。CFRP外贴法加固混凝上构件技术是用特制的粘结材料（多为环氧树脂）把CFRP片材（多为布或者板）粘贴在混凝土表面，硬化后，通过两者协同受力从而达到加固的目的。该方法相比较于传统的混凝土加固方法相比，具有独特的优点：

①施工便捷，施工工效高，不需要大型的施工机械；

②加固面大小和加固形式灵活多样。如：CFRP布是一种单向或双向布织物，现场使用时可以根据加固面大小和加固面的形式，用剪刀将其任意裁剪；由于CFRP布是柔性的，被加固的结构表面不一定要求很平整，也可以保证有效粘贴率；

③适用面广泛，另外，对于不同的结构类型（比如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、烟囱、涵洞等）和各种结构形状（比如圆形、矩形、曲面结构等）都可以加固，有些对于传统的结构加固形式不能解决的，更凸显其优势；

④防腐和耐久性能，CFRP材料本身就是一种很好的防腐材料，在施工过程中，可以在CFRP材料暴露的外面摸胶，然后喷砂和抹灰，既美观又防腐耐久。

（2） CFRP嵌入式加固方法

CFRP嵌入式加固修复方法是将CFRP筋或板条放入结构表面预先开好的槽中，并向槽中注入粘结材料（树脂、水泥砂浆或混凝土等）使之形成整体，来改善结构性能（抗弯、抗剪性能、抗震性能）的方法，简称NSM-CFRP（Near Surface Mounted-CFRP）。相比较于CFRP外贴加固法，与传统的加固方法相比，具有很多的优势外，还有以下一些CFRP外贴法所不具备的优点。

①与被加固构件粘结性能较好，与表面粘贴CFRP材料的加固方法相比，对于CFRP被嵌入在混凝土结构预先开好的槽中，即有三个面参与CFRP与树脂的粘结，粘结效果好，从而避免了表面粘贴CFRP带来的剥离问题及端部锚固问题；

②避免磨擦和撞击等意外荷载破坏CFRP，由于CFRP嵌贴在混凝土保护层中；

③具有负弯矩区域加固优势，特别是在对桥梁板面、楼板等构件的负弯矩进行加固时，表面粘贴CFRP材料对于桥梁来说，桥面上来来往往的车辆相当多，车轮的来回摩擦及冲击容易损坏桥板表面的CFRP材料，而且表面粘贴CFRP材料很容易受到人为或环境因素的破坏，然而嵌入式加固方法可以使CFRP材料很完全的嵌固在槽中；

④可以防止火灾、高温、温度低等对CFRP材料的破坏，嵌入式加固CFRP材料被嵌在构件内部，这样就可以免外部环境的破坏。而且，可以根据不同的地区，在做表面处理时也可以做防火材料，防冻材料，防酸碱盐等；

⑤施工简单，有专门的开槽工具，相比较于表面粘贴CFRP，减少了混凝土构件的表面处理工作量，从而提高了工作效率，而且便于与相邻构件锚固；

⑥相对来说比较充分的利用了CFRP材料的强度，能提高结构的极限承载力。

4结语

综上所述，CFRP材料凭借其优异的性能，在混凝土结构加固中的应用日益广泛。为更好利用CFRP高强高性能的特点，更强调采取预应力的方法用于混凝土结构加固。预应力CFRP施工方面的研究应进一步深入开展，使加固设计更加灵活，以满足更高的加固补强要求。