碳纤维增强材料在结构抗震加固中的应用

桂然

潍坊昌大建设集团有限公司 ，山东 潍坊 261021

摘要：在本篇文章中，笔者主要分析碳纤维增强材料（GFRP）具有的加固原理、种类和基础性能，结合碳纤维增强材料对砌体结构、公共建筑、基础工程和木结构中所起到的作用和具体应用的情况进行研究，经过项目的实践证明，碳纤维的增强材料可以有效的进行抗震加固，应当受到推广和普及应用。

关键词：碳纤维增强材料；抗震加固；性能

引言

二十世纪五十年代建成的房屋基本上已经到了抗震的基准期，这些房屋中大部分没有考虑到抗震设防。即使由于很多地区经常发生地震，抗震设防的意识很强，也对房屋进行了抗震的设计，但是无法满足现阶段的要求，房屋的抗震能力不强。在进行工程建筑时，为了加强抗震性，使用碳纤维材料，是土木工程结构的加固有了高效、便捷和经济性的新方法。

1碳纤维材料的基本性能

1.1碳纤维材料的加固原理

用碳纤维进行混凝土结构的加固修复，该技术通过环氧树脂进行浸渍从而产生碳纤维的增强聚合物，在使用改性环氧树脂的胶结材料把结构受拉面和碳纤维片材粘贴在一起，等到环氧树脂固化，然后将碳纤维片材和原结构结合成受力复合体，再协同使用构件和碳纤维片材，这样就可以增强结构和提高受力性能。

1.2碳纤维增强材料的种类及性能

由于碳纤维材料是新型的、复合性的材料，有机纤维在高温碳化的作用下形成碳纤维，具有环保性。碳纤维根据原料可以划分为三种：沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维和聚丙腈基碳纤维，其中沥青基碳纤维的性能最差，聚丙腈基碳纤维的性能较好，应用范围广，产量大，还可以通过不同的工艺制作成不同种类的碳纤维，主要分成普通型、高模型、高强型以及超高模型。现阶段，日本生产的T1000的高强碳纤维，其强度可以达到9000MPa，该模量是30GPa~350GPa；如果是M60J的高强高模碳纤维，强度可以达到5000MPa，其模量是700GPa。现阶段最常见的加固修复材料是聚丙腈基碳纤维，对比大丝束的碳纤维，它的离散系数比较小，可以满足碳纤维增强材料的修补加固强度。通常情况下，沥青基碳纤维一般适用于木工程的加固和补强，必须要使用高性能的长丝，特别注意高模量的碳纤维要适用于高刚性的环境。

1.3片材加固用粘贴树脂

现阶段，碳纤维材料在进行结构的加固修复时，片材是最常见的材料形式。根据上述的加固原理不难发现，要想发挥出碳纤维片材的优势和特性，必须要使用胶粘剂（即树脂）和混凝土进行粘贴，在此过程中就要选择最合适的胶粘剂。由于环氧树脂具有固化收缩率高、力学性能好、具有很强的抗湿渗透性以及可以和碳纤维粘结效果好等特点，是碳纤维材料在进行加固修复时的最优树脂种类。碳纤维片材的加固胶分为三种：底涂胶（底层树脂）、修补胶（腻子或整平材料）以及粘贴胶（浸渍树脂）。粘贴树脂的种类不同，质量也会不同，现阶段日本最常见的三步粘贴法存在巨大优势，可以有效提升质量。第一，将底层胶涂在混凝土基层，混凝土表面的强度增大，进一步提升碳纤维和混凝土的粘结；第二，使用修补胶是混凝土的表面平整，从而方便与碳纤维进行粘结；第三，把碳纤维材料和浸渍树脂放在一起，进行结合，形成硬化的样子，再粘结碳纤维和混凝土，使之成为复合的整体，从而提升抵抗外力的能力。

2.1CFRP对某公共建筑进行抗震加固

对结构进行鉴定和分析：假设一个公共建筑用来教学使用，在1960年建成，该建筑的主体结构为四层双排架的内框架形式，内框架的柱子有独立的基础，其余部分是四层砖砌体的结构形式。这个建筑物因为建造时间早，所以在进行设计时没有注意到抗震防设，对内框架、柱内框架的节点区梁以及柱端部的箍筋都未加密，如果要提升建筑物的抗震能力，就必须经过建筑的抗震鉴定标准检验，通过对其结构进行鉴定和分析得出，箍筋的直径和间距不符合要求，导致内框架的节点区梁也不符合要求，因此必须要重新进行加固和防震。

确定最合理的抗震加固方案：由于该工程需要提高的加固技术水平，旧有的加固方案无法满足需求，使用碳纤维进行加固有其合理性。比如碳纤维加固不需要很多的专业设备、仪器，可以保持原有结构大小，没有明火产生，可以保持原有结构的承载力，施工造成的影响也比较小。

该加固的效果评估：进行加固设计时，保持混凝土梁柱的原有箍筋，按照垂直的结构形成U型结构，将碳纤维进行环向粘贴，使其配箍的特征率符合相应的要求，从而增强节点区的抗震能力。使用碳纤维材料对节点区进行加固，不仅没有使梁柱断面的尺寸改变、重量增加，而且还没有改变构件的外形，起到了较好的加固效果。

2.2CFRP对砌体结构进行抗震加固

在我国建筑领域中，砌体结构受到了广泛的推广。但是材料的性能差和设计上存在问题，就会导致砌体结构不具有抗震能力。如果发生地震了，砌体结构就会受到较大危害，因此必须要进行抗震加固。通过碳纤维材料进行加固结构的例子来看，有利于使气体结构的承载力提升，有利于提升带窗结构的防震能力。

武汉的一个地区建成了一个八层砌体的房屋，在进行碳纤维材料的加固时，针对具体情况将试验需要的模型尺寸的墙体长度和宽度缩小了二分之一，高宽比是1.07，圈梁截面、构造柱和配筋都缩小了二分之一，使用的是低周反复加载的方案。

该试验证明了，使用碳纤维进行加固，减少了墙体变形的现象，有效的提高了抗减强度和新建砖墙的抗震能力。

2.3CFRP用于木结构的抗震加固

由于木材是最传统的材料，人们较易获得，因此在建筑时较常使用。木结构物理特性不稳定，受环境影响较大，经过腐蚀会遭到破坏，同时木结构一般会有较大、较高的体型，就导致承载力极差。所以如果是长期使用木结构，就必须提升承载能力和抗震能力。运用碳纤维进行防震加固具有较大优势，碳纤维材料具有很好的化学稳定性，不仅可以加固木结构，而且还有耐腐蚀性，对于文物价值高的古建筑来说，运用碳纤维材料不仅不会导致结构外形的破坏，而且还会保留历史特色。

2.4CFRP用于基础工程的抗震加固

现阶段，在进行基础设施管理和建设时要注意到可持续发展的重要性。由于基础设施规模大、管理费用高，需要新技术和新材料的开发利用，使用碳纤维材料具有巨大优势，在国内外进行防震加固时都可以利用和普及。

在进行室内试验梁研究时，我国通过国外技术报告和相关研究文献学习到了先进技术，比如对宁合高速路的三号桥进行加固。碳纤维板使用的是瑞士公司生产的CarboDurS1012层压板，板宽只有100mm，板厚只有1.2mm，粘贴在各个空心梁板下。在这个实验数据中可以看出，进行结构加固后，汽车荷载时后凉的挠度会减少，从而证明了粘贴碳纤维板会提升后梁的刚度。

结束语

综上所述，在地震多发的地方，要想实现经济的稳定发展，就要提升结构的抗震能力。随着城市化进程的加快，必须要是大部分的建筑结构都有很好的抗震能力。经过工程实践研究，碳纤维材料在进行加固时有巨大的优势，会提升施工的质量和施工的效率，还会减少工程项目的后期维修养护，达到最好的加固效果和最高的经济效益。

参考文献：

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[3]潘赣斌.碳纤维在建筑结构加固中的应用[J].山西建筑（33）：67~68.