浅谈碳纤维布加固预应力混凝土空心板新技术
关键词：碳纤维布，大跨度结构，加固技术
碳纤维增强复合材料因其优异的力学性能，成为近年来被大量应用于多种结构补强加固中的一种新型材料。同时随着桥梁加固技术的不断进步，碳纤维粘贴补强技术在理论设计和施工等方面也得到了进一步完善和发展，成为目前研究的热点。在这方面，广大学者和桥梁工作者进行了大量的研究，取得了不少成果。
采用碳纤维加固的混凝土结构，屈服荷载和极限承载力都有明显提高，碳纤维高强高弹模的特性对结构的刚度提高也有所贡献，结构破坏形式明显改善，从脆性破坏向延性破坏转变。
一、碳纤维材料及其性能特点
碳纤维又称碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP)，是把聚丙烯晴、人造纤维、石油或煤沥青、苯酚树脂等原料，在不活泼气体中经2000℃～3000℃的高温烧成纺线形状，并使其碳素化而制造出来的高性能无机纤维。
碳纤维成品可以制成不同的型材如纤维布、纤维板、棒材、短纤维等，根据不同工程的不同部位和需要而定。我国《CECS146-2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》规定的碳纤维布的主要力学性能指标要求有：碳纤维片抗拉强度标准值不小于3000Mpa，弹性模量不小于2.1x105Mpa，伸长率不小于1.5%；碳纤维板抗拉强度标准值不小于2000Mpa，弹性模量不小于1.4x105Mpa，伸长率不小于1.5%。
碳纤维增强复合材料是一种理想的新型复合材料，与传统的结构加固材料相比，碳纤维加固材料具有明显的性能优势，主要表现在：
1.强度高。由于碳纤维材料具有很高的强度(其抗拉强度约为普通钢筋强度的10多倍)，在加固修补结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。
2.施工简便，工效高。没有湿作业，不需要大型施工机具，施工占用场地少。现场使用时可根据需要用剪刀或刀片将其任意裁剪。施工方法简便，质量容易保证，功效高。
3.耐腐蚀性能及耐久性能良好。试验表明，碳纤维材料加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性能及耐久性能，可以抵御建筑物遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。使用该种加固修补方法对结构进行处理后，维护费用较低，而且其本身也可以对内部混凝土结构起到保护作用。
4.施工质量容易保证。从材料本身来讲，由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固结构的表面不是非常平整也能够基本保证较高的有效粘贴率，即使粘贴后发现局部有气泡，也可将树脂用注射器注入气泡中，将空气赶走就可以了。而其它加固方法很难达到这样的效果。
5.对结构的影响小。碳纤维材料质量轻且厚度薄，粘贴后每平方米重量不到1.0千克(包括树脂重量)，一层粘贴后厚度仅0.1mm左右，加固修补后基本上不增加原结构的自重和原结构尺寸。
6.耐疲劳性能好。一般金属的疲劳强度为其抗拉强度的40%～50%，而碳纤维材料可达70%～80%。
二、碳纤维布的加固原理
用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍；但是碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又要确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。
三、针对该技术的实验研究
1.试验材料
选用冷轧带肋钢筋预应力混凝土空心板，图集号：L95G404，板号为YK-BL33-22d，尺寸为3280mm×59mm×120mm，受力主筋为650级8φ5冷轧带肋钢筋，混凝土强度等级C25。
其中B1、B2为对比试验板，未进行加固处理；B3~B6底部通长粘贴日本产FTS-C1-20碳纤维120mm宽2道。
试验用FTS-C1-20碳纤维材料性能指标：厚度0.111mm，单位面积重量200g/m2，密度1.8g/cm3，拉伸强度3550MPa，拉伸模量235GPa，粘贴碳纤维结构胶选用日本产FR-E3P。
2.试验方案
在预应力混凝土空心板跨中混凝土及碳纤维上粘贴电阻应变片，按《预制混凝土构件质量检验评定标准》(GBJ321-90)对预应力混凝土空心板进行结构性能试验。在1.0倍正常使用短期荷载检验值作用下持荷30min，其余每级荷载作用下持荷10min。持荷结束时，使用静态电阻应变采集仪跟踪记录混凝土及碳纤维在各级荷载作用下的应力应变情况，用百分表量测空心板在各级荷载作用下的挠度变化，用读数显微镜观测裂缝宽度并记录裂缝开展情况。为检验预应力混凝土空心板的承载力情况，所有试验均做到破坏为止。
3.试验分析
板底粘贴碳纤维加固正截面抗弯验算，根据现行规范抗弯设计计算的基本原理，参照国内外有关碳纤维加固混凝土受弯构件正截面抗弯设计的试验研究成果，假定：
(1)预制混凝土空心板受弯后，变形规律符合平截面；
(2)忽略混凝土的抗拉强度；
(3)在极限状态下，碳纤维的应力达到抗拉设计强度。正截面内力平衡方程：
ΣFx=0Acffcf+Asfy=bxfcm(1)
ΣM=0Mu=Acffcf(h-x/2)+Asfy(h0-x/2)(2)
4.试验结论
(1)采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，可以有效地提高预应力混凝土空心板的承载力。
(2)在同样荷载作用下，粘贴碳纤维加固后可以有效减少预应力混凝土空心板的挠度。
(3)粘贴碳纤维加固后预应力混凝土空心板的开裂荷载增大。
(4)采取粘贴碳纤维加固预应力混凝土空心板，基本不影响构件的截面高度及自重，对用户空间的净高度及建筑物的其他结构没有影响。
(5)试验中碳纤维最大拉应变为12000με，建议设计时碳纤维抗拉强度取2000MPa。
四、结束语：
随着人们对碳纤维材料的进一步深入研究以及碳纤维加固技术的推广和实践，碳纤维加固的不足会逐步得到克服，碳纤维材料的性能会更加优良，碳纤维加固理论及加固技术将逐步走向成熟，碳纤维加固技术在工程加固领域将扮演越来越重要的角色。
参考文献：
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[2]吴刚，安琳，吕志涛.碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究与分析[J].建筑结构，2000，30(7)：3-6.