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王璐
哈尔滨铁道职业技术学院 黑龙江哈尔滨 150000
摘要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic），由于具有质量轻、高强度、高模量、高耐温、耐腐蚀以及抗疲劳性能好等特点而被广泛运用于工程中，如建筑、桥梁等结构加固、维修、改造中。采用碳纤维对结构加固、维修的方法是现代工程技术常用的方法。
关键词：CFRP；混凝土结构；加固
CFRP混凝土结构加固技术的研究始于美、日等国家，近十多年来得到大量的推广和应用。日本在该领域的研究与应用处于比较领先的地位并且编制较为成熟的设计规范。美国也推出包括材料，计算与施工技术等相关的设计规范。CFRP加固钢筋混凝土结构加固技术在欧美与亚洲许多国家和地区得到了充分的发展。我国对CFRP加固混凝土结构的研究应用起步较晚。首先是由国内的一些高校与科研院所带头研究，并取得了一定的科研学术成果。
一、碳纤维加固的优点
与采用传统材料的加固方法比较，CFRP加固技术具有明显的技术优势，主要体现在：
1）高强高效。由于CFRP优异的物理力学性能，使用CFRP加固混凝土结构构件可以充分利用CFRP材料抗拉强度高、弹性模量高的特点，可显著提高被加固结构构件的承载能力和延性，改善混凝土结构构件的受力性能，加固效果好；
2）耐腐蚀性能及耐久性。CFRP的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用CFRP加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题；
3）不增加构件的自重及体积。CFRP质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间，有比较好的经济效益；
4）适用面广。由于CFRP是一种柔性材料，且可以任意地裁剪，所以这种加固技术可以广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各个部位，且不改变结构形状及不影响结构外观。同时，对于其它加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，CFRP加固技术都能很好地解决；
5）便于施工。将CFRP用于加固混凝土结构，在施工现场不需要大型的施工机械，占用施工场地少，且没有湿作业，因而工效很高。但采用何种碳纤维布和合理的选用粘贴方式成了影响提高混凝土构件承载力的主要因素。普通碳纤维布材料的加固，对构件正常阶段受力性能的改善有限，加固材料的高強特性不能充分发挥。而对碳纤维布施加预应力，可以弥补普通碳纤维布工程加固技术中的不足，较好的改善构件的受力性能，大幅度提高碳纤维布的利用率。
二、国内外研究现状及存在的问题
近二十多年来对CFRP约束混凝土的研究与分析已有较多，大量的研究主要是从CFRP约束混凝土材料的本构关系模型的研究，还有CFRP加固混凝土梁、混凝土柱等构件开展研究并有了不少研究成果。
1、试验分析研究
国外关于CFRP加固RC框架主要有加拿大多伦多大学Sheikh教授与意大利那不勒斯大学的Balsamo等。Sheikh等人对一足尺两层平面框架分为两组，一组未加固框架，作为对照组，另一组为加固框架，作为实验组，并在此基础上进行了伪静力试验，加固后，框架的水平承载力提高了1.4倍以上，位移延性系数提高了0.7倍以上，最大位移提高了3.7倍以上，耗能能力提高了5.7倍以上，充分证明CFRP加固框架梁后，能够可有效提高框架结构性能，特别是结构的整体抗震性能。
国内关于CFRP加固RC框架也有一定的研究成果，王新玲等进行了1/3缩尺比例的单层单跨平面RC框架模型的伪静力试验及CFRP加固严重损伤后框架的伪静力试验，对比分析CFRP加固前后RC框架的受力性能及破坏形态，CFRP损伤后的钢筋混凝土框架的节点，再采用CFRP加固框架后，能够发挥碳纤维的抗拉强度高的优点，加固后滞回曲线饱满，CFRP加固技术能够明显改善框架的耗能能力，并能够提高框架的承载力与延性。此外还有吴刚等进行了单层单跨框架缩尺模型CFRP加固前后的伪静力试验研究。王国炎对两个两层钢筋混凝土框架展开研究，一个框架未加固，另一个框架采用CFRP加固，通过对框架的伪静力试验分析框架的性能。熊耀清等进行了1/4缩尺的两层单跨钢筋混凝土框架结构模型在CFRP加固前后的进行模拟地震振动台试验。
上述研究均是采用试验的方法，通过试验研究CFRP加固RC框架性能，通过该方法能够为理论分析提供有力基础，但是存在下列问题：（1）试验研究分析的框架模型层数较低，不少的研究仅仅为一层框架，试验分析的层数最多的框架层数仅为三层，无法发现CFRP加固RC框架后带来的结构薄弱部位转移的问题；（2）有相当多的框架模型为平面框架，无法揭示各榀框架的相互之间的作用，并且无法反应实际结构中存在楼梯等结构的作用；（3）由于试验条件的限制，大部分的CFRP加固RC框架的试验多为缩尺的，因尺寸效应的影响无法反映实际CFRP加固工程中工程真实受力情况。（4）CFRP加固框架的试验研究中，CFRP加固方式过于的理想化，考虑实际工程中有楼板的作用的研究很少。
2、理论分析研究
国外关于CFRP加固RC框架理论分析主要有如下的研究：（1）采用CANNY有限元软件分析加固框架结构，主要是通过建立低层和高层框架结构，采用时程分析的方法研究框架的性能，各框架采用不同加固方案，研究加固对于框架抗震性能的影响。（2）利用ANSYS与SAP2000分别对框架的节点与框架进行有限元分析，所研究的框架采用CFRP加固，框架为八层三跨，其主要采用的研究方法为Pushover分析，在建立有限元模型时，需要确定CFRP加固框架节点的抗弯刚度，节点的抗弯刚度是通过单独建模进行分析确定。
国内关于CFRP加固RC框架理论分析主要有如下的研究：（1）胡孔国等人采用SAP2000对于RC采用CFRP加固框架进行分析，研究对象为六层钢筋混凝土框架，并用Pushover的静力分析方法对结构加固前与加固后的性能进行分析。（2）戴绍斌等人是进行的纯理论分析研究，其研究对象为一栋九层框架，采用的实体建模分析，混凝土采用实体单元，钢筋采用各方向的配筋率分布与混凝土中，而CFRP采用壳单元模拟。该研究采用实体建模，有限元分析的收敛性难于控制。
目前，对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的性能研究较多且已比较成熟。但从基本的力学理论分析和试验结果来看，由于受弯加固RC梁的承载历史和现状、混凝土强度（应变）、钢筋应力（应变）、加固后使用条件不同的影响等，目前所用的CFRP布加固RC梁方法存在着一些不足。具体表现为：利用CFRP布加固RC梁时，CFRP布的高强度的特点仅在RC梁中受拉钢筋屈服后才得以充分发挥，而在受拉钢筋屈服前，CFRP布所起的作用有限，因此它对提高被加固构件的开裂荷载及屈服荷载作用不是十分明显，对RC梁在正常使用阶段的性能改善也有限。而对CFRP布施加预应力后进行钢筋混凝土梁的加固可以有效的解决上述问题。
作者简介：
王璐，1985年出生，现为哈尔滨铁道职业技术学院教师，讲师。
哈尔滨铁道职业技术学院 黑龙江哈尔滨 150000
摘要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic），由于具有质量轻、高强度、高模量、高耐温、耐腐蚀以及抗疲劳性能好等特点而被广泛运用于工程中，如建筑、桥梁等结构加固、维修、改造中。采用碳纤维对结构加固、维修的方法是现代工程技术常用的方法。
关键词：CFRP；混凝土结构；加固
CFRP混凝土结构加固技术的研究始于美、日等国家，近十多年来得到大量的推广和应用。日本在该领域的研究与应用处于比较领先的地位并且编制较为成熟的设计规范。美国也推出包括材料，计算与施工技术等相关的设计规范。CFRP加固钢筋混凝土结构加固技术在欧美与亚洲许多国家和地区得到了充分的发展。我国对CFRP加固混凝土结构的研究应用起步较晚。首先是由国内的一些高校与科研院所带头研究，并取得了一定的科研学术成果。
一、碳纤维加固的优点
与采用传统材料的加固方法比较，CFRP加固技术具有明显的技术优势，主要体现在：
1）高强高效。由于CFRP优异的物理力学性能，使用CFRP加固混凝土结构构件可以充分利用CFRP材料抗拉强度高、弹性模量高的特点，可显著提高被加固结构构件的承载能力和延性，改善混凝土结构构件的受力性能，加固效果好；
2）耐腐蚀性能及耐久性。CFRP的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用CFRP加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题；
3）不增加构件的自重及体积。CFRP质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间，有比较好的经济效益；
4）适用面广。由于CFRP是一种柔性材料，且可以任意地裁剪，所以这种加固技术可以广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各个部位，且不改变结构形状及不影响结构外观。同时，对于其它加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，CFRP加固技术都能很好地解决；
5）便于施工。将CFRP用于加固混凝土结构，在施工现场不需要大型的施工机械，占用施工场地少，且没有湿作业，因而工效很高。但采用何种碳纤维布和合理的选用粘贴方式成了影响提高混凝土构件承载力的主要因素。普通碳纤维布材料的加固，对构件正常阶段受力性能的改善有限，加固材料的高強特性不能充分发挥。而对碳纤维布施加预应力，可以弥补普通碳纤维布工程加固技术中的不足，较好的改善构件的受力性能，大幅度提高碳纤维布的利用率。
二、国内外研究现状及存在的问题
近二十多年来对CFRP约束混凝土的研究与分析已有较多，大量的研究主要是从CFRP约束混凝土材料的本构关系模型的研究，还有CFRP加固混凝土梁、混凝土柱等构件开展研究并有了不少研究成果。
1、试验分析研究
国外关于CFRP加固RC框架主要有加拿大多伦多大学Sheikh教授与意大利那不勒斯大学的Balsamo等。Sheikh等人对一足尺两层平面框架分为两组，一组未加固框架，作为对照组，另一组为加固框架，作为实验组，并在此基础上进行了伪静力试验，加固后，框架的水平承载力提高了1.4倍以上，位移延性系数提高了0.7倍以上，最大位移提高了3.7倍以上，耗能能力提高了5.7倍以上，充分证明CFRP加固框架梁后，能够可有效提高框架结构性能，特别是结构的整体抗震性能。
国内关于CFRP加固RC框架也有一定的研究成果，王新玲等进行了1/3缩尺比例的单层单跨平面RC框架模型的伪静力试验及CFRP加固严重损伤后框架的伪静力试验，对比分析CFRP加固前后RC框架的受力性能及破坏形态，CFRP损伤后的钢筋混凝土框架的节点，再采用CFRP加固框架后，能够发挥碳纤维的抗拉强度高的优点，加固后滞回曲线饱满，CFRP加固技术能够明显改善框架的耗能能力，并能够提高框架的承载力与延性。此外还有吴刚等进行了单层单跨框架缩尺模型CFRP加固前后的伪静力试验研究。王国炎对两个两层钢筋混凝土框架展开研究，一个框架未加固，另一个框架采用CFRP加固，通过对框架的伪静力试验分析框架的性能。熊耀清等进行了1/4缩尺的两层单跨钢筋混凝土框架结构模型在CFRP加固前后的进行模拟地震振动台试验。
上述研究均是采用试验的方法，通过试验研究CFRP加固RC框架性能，通过该方法能够为理论分析提供有力基础，但是存在下列问题：（1）试验研究分析的框架模型层数较低，不少的研究仅仅为一层框架，试验分析的层数最多的框架层数仅为三层，无法发现CFRP加固RC框架后带来的结构薄弱部位转移的问题；（2）有相当多的框架模型为平面框架，无法揭示各榀框架的相互之间的作用，并且无法反应实际结构中存在楼梯等结构的作用；（3）由于试验条件的限制，大部分的CFRP加固RC框架的试验多为缩尺的，因尺寸效应的影响无法反映实际CFRP加固工程中工程真实受力情况。（4）CFRP加固框架的试验研究中，CFRP加固方式过于的理想化，考虑实际工程中有楼板的作用的研究很少。
2、理论分析研究
国外关于CFRP加固RC框架理论分析主要有如下的研究：（1）采用CANNY有限元软件分析加固框架结构，主要是通过建立低层和高层框架结构，采用时程分析的方法研究框架的性能，各框架采用不同加固方案，研究加固对于框架抗震性能的影响。（2）利用ANSYS与SAP2000分别对框架的节点与框架进行有限元分析，所研究的框架采用CFRP加固，框架为八层三跨，其主要采用的研究方法为Pushover分析，在建立有限元模型时，需要确定CFRP加固框架节点的抗弯刚度，节点的抗弯刚度是通过单独建模进行分析确定。
国内关于CFRP加固RC框架理论分析主要有如下的研究：（1）胡孔国等人采用SAP2000对于RC采用CFRP加固框架进行分析，研究对象为六层钢筋混凝土框架，并用Pushover的静力分析方法对结构加固前与加固后的性能进行分析。（2）戴绍斌等人是进行的纯理论分析研究，其研究对象为一栋九层框架，采用的实体建模分析，混凝土采用实体单元，钢筋采用各方向的配筋率分布与混凝土中，而CFRP采用壳单元模拟。该研究采用实体建模，有限元分析的收敛性难于控制。
目前，对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的性能研究较多且已比较成熟。但从基本的力学理论分析和试验结果来看，由于受弯加固RC梁的承载历史和现状、混凝土强度（应变）、钢筋应力（应变）、加固后使用条件不同的影响等，目前所用的CFRP布加固RC梁方法存在着一些不足。具体表现为：利用CFRP布加固RC梁时，CFRP布的高强度的特点仅在RC梁中受拉钢筋屈服后才得以充分发挥，而在受拉钢筋屈服前，CFRP布所起的作用有限，因此它对提高被加固构件的开裂荷载及屈服荷载作用不是十分明显，对RC梁在正常使用阶段的性能改善也有限。而对CFRP布施加预应力后进行钢筋混凝土梁的加固可以有效的解决上述问题。
作者简介：
王璐，1985年出生，现为哈尔滨铁道职业技术学院教师，讲师。