碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)加固钢筋混凝土构件是一种新型结构加固方法。CFRP由于重量轻、强度高、易于施工、耐腐蚀等优点在国内外被广泛应用于土木工程加固中。本文针对碳纤维布加固钢筋混凝土梁，通过引用试验数据，从抗弯、抗剪和抗扭等三个方面对其力学性能的影响进行分析研究，主要内容如下：
①在抗弯方面，对碳纤维布以不同方式粘贴，荷载以不同方式施加的12种工况24根梁的试验数据，得出碳纤维一拉应变的曲线，并进行曲线和承载力分析，提出碳纤维布加固钢筋混凝土梁的正截面抗弯承载力计算方法。研究表明，碳纤维能有效提高梁的抗弯承载力，在相同荷载作用下，纵向受力钢筋以及混凝土的应变明显减小。
②在抗剪方面，通过对19根碳纤维布加固的钢筋混凝土梁的试验研究结果分析，提出了碳纤维布加固钢筋混凝土梁受剪承载力计算公式。采用碳纤维布加固对提高钢筋混凝土梁的受剪承载力有明显的效果，并可改善钢筋混凝土梁的变形性能，增强其变形能力。
④在抗扭方面，对CFRP加固的10个钢筋混凝土受扭构件和1个同规格的对比试验构件进行了分析研究。分析了在不同工况下加固构件的破坏机理、破坏形态、加固构件的力学性能变化等，并提出相应的实用计算公式。研究表明，碳纤维能有效提高钢筋混凝土受扭构件的抗扭承载力及刚度、减小裂缝宽度、延缓裂缝开展速度并提高开裂荷载值。随着人们对碳纤维布优良的加固性能的深入研究和逐步认识，碳纤维在结构加固工程中必将得到广泛的应用。
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关键词：碳纤维布 钢筋混凝土梁 加固 力学性能
1．1引言
第一章绪论
建筑物在经历了一定的使用年限之后，会发生老化，随着结构服役时间的增长，受到自然环境中物理、化学变化等因素的影响，许多建筑就会出现钢筋腐蚀和混凝土风化的现象，使得材料强度降低，结构的性能发生退化，结构内部受到损伤，甚至遭到破坏；有些建筑物还会因使用功能发生改变，使得实际荷载大于设计荷载；另外设计标准提高、施工错误、材料质量不符合要求、以及风灾、火灾、水灾、地震灾害等因素的影响，有些建筑已不能满足现在安全、适用、耐久性的要求，因此，对现存结构进行加固补强成为工程界重点研究的课题之一。
目前，工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固的方法有：加大截面加固、外包钢加固、粘钢加固、预应力加固、玻璃钢加固、喷射混凝土加固等方法。加大截面法又称外包混凝土法，主要是将截面加宽、加高、加厚，以容纳新增的钢筋。此法很有效，但增加结构体积和自重，造成肥梁胖柱、施工工序和用工多、施工期长，且要用大型机械，还必须有很大施工空间；体外预应力法是在梁下加受拉弦杆，和立柱一起形成反拱架，补强效果好但也有上述各种缺点，特别是构件高度增大很多；外包钢板及粘钢法，除上述缺陷外，难于紧贴原结构表面，且不耐腐蚀，必须定期防锈。因此，传统补强方法的应用场合受到种种限制，甚至某些条件下无法采用。对于这些加固方法，国内外的学者都做了大量的研究，也都已应用于实际工程中。但上述加固法都存在着这样那样的缺陷，例如，耐腐蚀性差，施工方法复杂，体量庞大笨重，施工周期较长。所以，土建加固领域需要性能更良好的材料与更先进的技术。
近年来出现的粘结碳纤维片材加固修复混凝土结构技术是一项新型的结构加固技术。它是将碳纤维用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强聚合物(Carbon FiberReinforced Ploymer或Plastics，简称CFRP)，然后用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于结构受拉面，待树脂固化后碳纤维片材与原结构形成新的受力复合体，通过碳纤维片材和构件的协同工作，从而达到结构补强及改善受力性能的目的。
1．2碳纤维在土木工程加固中的应用及发展
碳纤维技术在结构加固中的应用，首先由瑞典人Meier用来加固桥梁，然后由日本人在80年代发展起来的。起因是80年代初．，日本政府强制要求提升路桥运载能力，组织专家组进行调查，发现大量的桥梁需要加固。日本人意识到对新技术的要求，由制造商、工程公司和政府机构形成合作，专门研究发展修复加固新技术。将碳纤维布象粘钢板一样贴到混凝土上，这项新技术就作为了首选。政府机构组织协调，制造商们研制材料，工程公司进行运用研究，迅速地将这项技术运用到工程实际中。90年代初，日本人已成功地将这项技术用于上千个工程项目中。1995年，阪神大地震后，日本的碳纤维布用量已达到数百万平方米。
由于设计、施工、使用、老化或受某种浸蚀、灾害所造成的损坏，以及因超载导致的承载能力不足等都可采用碳纤维片材修复补强混凝土结构。碳纤维加固修补混凝土结构技术是利用树脂类胶结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，从而达到对结构构件补强及改善受力性能的目的。
该方法采用同一方向排列的碳纤维织物，在常温下用环氧树脂胶预浸，沿受力方向或垂直于裂缝方向紧密粘贴在需要补强的混凝土结构表面，形成复合材料体，二者作为一个新的整体，使增强贴片与原有的钢筋混凝土共同受力，增大结构的抗弯或抗剪能力，提高强度、抗裂性和结构的延性，控制裂缝的继续发展，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。
碳纤维在土木工程的应用很广，主要有碳纤维布、碳纤维板、碳纤维型材、短碳纤维等，而当前用量最大和最普遍的是碳纤维布。由于结构加固主要利用碳纤维布的高抗拉性能，因此它主要用于桥梁、工业与民用建筑中的钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙，涵洞、隧道、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、水池侧壁等，这些都可采用碳纤维进行修复、补强、加固，而且也很适用于古建筑物或砌体结构的维修加固、恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能。
碳纤维片材修复补强混凝土结构所用材料，可以分为碳纤维片材和与其相配套的专用环氧树脂两大类。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍左右，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能和耐久性良好，是一种有效的加固修复材料；配套树脂分为底涂树脂、找平树脂、粘结树脂。配套树脂分别由主剂和固化剂配制而成；分为适合于冬天及夏天使用的冬用型和夏用型。主剂和固化剂分别包装，在现场使用时，应按工艺要求、按照规定的比例混合均匀，以形成所需要的底涂树脂、找平树脂、粘结树脂。
1．3碳纤维加固特点
碳纤维增强聚合物这种高性能材料较其它传统加固法(如加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、裂缝修补法、喷射混凝土加固法、缠绕钢丝加固法等)有着独特的优越性，这种新兴的加固技术脱颖而出，较好地解决了上述传统加固方法的问题，已被人们认识，并逐渐应用于钢筋混凝土梁、柱、桥墩等各种混凝土结构的加固改造中。碳纤维增强复合材料具有轻质高强、抗腐蚀、耐久性好、施工简便、不影响结构的外观等优异特性，该项加固技术较之传统的修复补强施工工艺具有明显的优越性。碳纤维的主要特点有：
①材料轻质高强。碳纤维片材的抗拉强度比同截面钢材高7～10倍，而结构自重的增加几乎可以忽略。
②抗腐蚀。碳纤维片材与环氧树脂胶结合附于混凝土表面，能有效地防止混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。
③耐老化。碳纤维片材与环氧树脂胶结材料本身及经其补强的混凝土构件可以长期承受紫外线、核幅射。
④耐热性。碳纤维片本身具有非常优异的耐热性能，但因为环氧树脂在接近80℃时发生软化，所以碳纤维增强复合材料的耐热温度为80℃。
⑤保持结构原状，外形美观。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形，加固后均可保持物体原状，不影响表面装饰。
⑥施工简便、快捷。不需要大型施工机具，施工占用场地少，有时还可以在生产和设施正常运营的条件下施工，避免停产、停运的困难和损失，而且，一般只需手工操作，施工进度快。
1．4目前的研究现状
碳纤维最早是由爱迪生于1879年用棉丝碳化制成的，用来制做白炽灯泡的灯丝。50年代初，随着空间技术的发展，需要有优良性能的结构材料，许多工业发达国家开始重视碳纤维的研究工作，到60年代获得迅速的发展。
目前各国工业用的碳纤维主要是以聚丙烯腈纤维(PAN)或中间相沥青(MPP)为原料，经高温碳化制成。根据使用要求和热处理温度的不同，碳纤维分为耐燃纤维、碳纤维和石墨纤维。例如300"-'350℃热处理时得耐燃纤维；1 000～1 500℃热处理时得碳纤维，含碳量为90～95％；碳纤维经2000℃以上高温处理可以制得石墨纤维，含碳量高达99％以上。碳化程度决定着碳纤维的性能，如密度、导电性等。由于碳化程度不同，碳纤维的弹性模量、抗拉强度也不同。高模量(I型)碳纤维其拉伸模量很高，可以达到380-“40Gpa，但其伸长率较低，变化范围在0．39扛_o．5％；高强度(II型)碳纤维其拉伸强度在2400---3100Gpa之间，加工工艺好的其拉伸强度可达到4000Mpa以上；中等模量碳纤维(1II型)其拉伸模量一般在274----315Gpa之间，伸长率在1．5％一2．096之间。碳纤维拉伸试验表明，碳纤维在拉断之前始终保持着严格的线弹性。
碳纤维属于无机纤维，主要特点是耐高温、质轻、有很高的抗拉强度和弹性模量，不单独使用，一般是加入到树脂、金属或陶瓷基体中制成复合材料，用于制造宇宙飞船、火箭、导弹、高速飞机及大型客机的外壳，此外，这种复合材料还用于原子能、机电、化工、冶金、运输等工业部门及体育运动器具。
其中聚丙烯腈(PAN)基碳纤维片材是目前市场使用最多的加固修复材料，和其它高性能纤维材料相比，它具有突出的耐高温(1000℃一3000℃)和抗燃特性，不受酸雨的侵蚀，价格性能比较好，补强效果优良。
碳纤维可制成多种形式，如：制成短纤维丝掺入混凝土拌和料中构成碳纤维混凝土；制成束状代替钢筋混凝土构件中的钢筋；制成板状、片状粘贴于构件表面；制成织物包裹于构件表面等，称其为碳纤维布，其中，将碳纤维织物包裹于构件表面进行补强加固的研究和应用最为广泛。
碳纤维在土木工程中的应用是在70年代以后开始的，初期仅限于利用其导电性能和机械性能，并因受到价格的制约一直未得到普及。1983年日本三菱化学公司的谷木谦介先生率先开始碳纤维力学性能及在工程加固应用方面的研究工作，首先采用碳纤维对烟囱进行加固，获得成功，并逐步用于旧结构物和新建结构物的加固中，为碳纤维的应用开辟了一条新的途径。随后该项技术逐步推广到美国、德国、加拿大等发达国家，其中以混凝土结构物维修加固实例最多。1995年1月，日本发生阪神大地震后，曾广泛采用碳纤维材料进行修复补强。其后，建设省正式批准了这项工法，并制定规范，作为大城市抗震防灾综合技术开发项目予以推广。1999年9月台湾花莲发生大地震后，也开始采用日本的碳纤维材料及技术进行修复补强工作。土耳其发生大地震后，也曾广泛采用碳纤维加固法进行修复补强。此外，该项技术业已成为美国加州的正式工法。
自80年代末至今，日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家等都相继进行了碳纤维材料用于混凝土结构加固技术的研究、开发和利用，并在此基础上形成了自己国家的行业标准和规范。目前，这项技术在美、日、韩、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速发展和广泛应用。
1997年，我国引入了这项新技术后，立刻引起了工程界的关注并掀起了研究和应用高潮。近年来，我国在房屋和桥梁的修复加固中，也大量地采用了这项新技术。我国在引入这项新技术后，虽然取得一定的成果，但至今尚未形成系统的理论，对碳纤维加固技术的研究和应用还处于不成熟阶段。随着CFRP的引入和应用，我国成立了碳纤维专业委员会，很多高校、科研院所的科研人员开始了对CFRP加固技术的研究，对CFRP的材料性能、加固后构件的受力性能以及设计计算方法已有了一定的认识。同时，随着CFRP在结构加固中的广泛应用，涌现了大量的集CFRP材料研究、制作、设计、施工为一体的公司，施工技术、设计方法日趋完善。
在2001年4月，中国碳纤维专业委员会编制出《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(报批稿)，2003年，中国碳纤维专业委员会正式出台了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》。在此规程中，介绍了CFRP的材料性能，给出了抗弯、抗剪、抗压加固的设计计算方法以及施工技术，为这项新技术在我国的应用和推广提供了一定的依据和标准，但是，在深入认识和成熟应用碳纤维材料之前，仍有大量问题需要工程界人士的深入研究。
对于房屋建筑和一般构筑物的钢筋混凝土的加固，众多学者都认为应仍然采用和结构设计规范相一致的以概率论为基础的极限状态设计法。
目前，碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的加固、受剪加固j和柱的抗震加固中研究和应用最多，相应计算理论也较为成熟。其中，研究最多的是CFRP的抗弯加固性能，而且研究较多的是底部粘贴碳纤维加固梁的受力性能的改善及抗弯承载力的提高的研究上。对于碳纤维布是否有助于减小混凝土梁在正常使用期间的裂缝宽度以及是否可以提高构件刚度的问题，能否用碳纤维布解决构件在正
常使用期间裂缝过宽或挠度过大的问题，如何计算粘贴碳纤维之后裂缝宽度仍然处于研究阶段。目前，对于侧面粘贴碳纤维布梁的受力性能及抗弯承载力计算方法的研究也较少，但实际应用较多，所以这是一个值得研究和关注的问题。另外，多层碳纤维布的协同工作问题，碳纤维布的幅宽对承载力的影响问题等，虽然有一部分学者进行了研究，得出了定性的结论，但设计计算时如何从量上把握仍然没有定论与标准。对于碳纤维布对粱、柱的受剪加固，研究较多的是抗剪承载力计算公式，公式适用范围的限制仍然是今后需要解决的一个问题。还有许多构造问题也有待于通过大量的工程实践总结经验，继续完善。
另外，碳纤维布的抗剪加固性能、抗压加固性能，碳纤维布的粘结锚固性能，抗疲劳性，耐高、低温性，碳纤维用于特殊构件或特殊环境中的构件加固，如水下构件的加固等将成为目前和今后研究的方向。
在抗剪研究方面，Thanasis C．Triantafillou做了CFP6'布对矩形截面混凝土梁进行抗剪加固的试验研究，试验研究表明：所有梁的破坏均是由于在剪跨中斜拉裂缝的开展而导致的脆性破坏；与未加固的试验梁对比，加固后的试件破坏荷载明显增大，增大幅度为65％--一95％。
东南大学吴刚等人通过碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗剪加固的试验研究，得出影响碳纤维布加固效果的参数有：梁的配箍率、CFRP名义“配箍率"、碳纤维布的层数、粘贴方式、剪跨比、加固前梁本身的状况、不同的粘接剂等等，同时提出了加固后梁的受剪承载力的计算公式IS]。
天津大学赵彤等人通过试验，研究了碳纤维布粘贴层数、梁的剪跨比、配箍率和混凝土强度等试验参数对加固效果的影响。同时，在有关研究的基础上，给出了一个计算模型，并提出简化的设计计算公式。
天津大学赵彤等人通过试验，研究了碳纤维布粘贴层数、梁的剪跨比、配箍率和混凝土强度等试验参数对加固效果的影响。同时，在有关研究的基础上，给出了一个计算模型，并提出简化的设计计算公式。
哈尔滨工业大学张自容等人通过纤维加固钢筋混凝土梁抗剪性能试验研究，量测试验梁的应变和变形，观测了裂缝形态和发展趋势，’得出以下结论：①用碳纤维、玻璃纤维对钢筋混凝土梁进行加固后，钢筋混凝土梁的抗剪承载力明显提高，提高幅度达到25％以上，可以使梁的破坏形态由加固前的受剪破坏转变为加固后的受弯破坏。
②用碳纤维、玻璃纤维对钢筋混凝土梁进行抗剪加固后，钢筋混凝土梁的抗弯刚度有所增加，但增加效果并不显著。③碳纤维和玻璃纤维强度利用系数的取值应考虑加固纤维用量、纤维加固方式等方面因素的影响。
而扭转理论的研究可以追溯到上个世纪初，但是大量的钢筋混凝土构件扭转试验和理论的研究却是上个世纪五十年代以后发展起来的。
上个世纪初，Ritter和Mursh首先用桁架比拟开裂后钢筋混凝土构件的受力机理，并进行了强度计算。承受剪力作用的钢筋混凝土构件，在产生斜裂缝后，可以把构件比拟成一平面桁架来承受外部荷载，斜裂缝间的混凝土作为斜压杆，这些斜压杆和箍筋可以比拟成桁架的腹杆，上部和下部的纵筋可以比拟成桁架的弦杆。但是为了方便起见，假定混凝土斜压杆与构件轴线的夹角为45。，这就是古典桁架模型理论。
1968年，Lampert提出了变角度空间桁架模型，认为斜压杆与构件夹角的大小是个变量，从而发展了古典桁架模型理论。1974年，加拿大Mitchell和Collins提出了斜压场理论。它不仅考虑了静力平衡条件，而且注意到几何变形协调关系。将1929年Wagner研究金属构件压屈后所建立计算的斜拉力场理论运用到了钢筋混凝土构件受扭计算，给出确定压力场角度的协调方程，并假设构件受扭开裂后，混凝土不再承受拉力，扭转由一个斜压力场承担。可以认为，斜压场理论仍属于变角度空间桁架模型理论的范畴。这也是对空间桁架模型的第二个重要进展。
1972年，RoLnson和Demofieux通过钢筋混凝土平板试验首先观察到了混凝土的软化效应，即裂缝出现后，混凝土斜压杆的抗压强度远低于标准圆柱体抗压强度的现象。这一发现是空间桁架模型的第三个重要进展。之后，经过Vecchio和Collins的不断研究，提出了日趋完善的软化混凝土的本构关系，并认为混凝土在开裂状态下的仃一s曲线与圆柱体的仃一s曲线相差很多，不但应力峰值点随裂缝的开展而显著降低，而且对应于此的混凝土应变值也随之而减少。
1983年，Hsu将混凝土的软化效应引用于斜压场理论，提出了考虑混凝土软化的新理论，这一理论综合了平衡方程、变形协调方程和混凝土软化的应力一应变曲线，形成了考虑混凝土软化的空间桁架理论．这一理论不仅能较为准确的估算构件的抗扭强度，还能预测整个加荷过程中的扭转角、钢筋应变和混凝土应变。以此理论为基础形成了一种新的可以统一剪扭的计算模式，解决各种受剪构件和受扭构件。直到今天，考虑混凝土软化效应的斜压场理论仍然作为分析受纯扭和复合扭构件的基本理论。
1．5本文研究的主要内容
碳纤维复合增强材料加固修复混凝土结构技术是目前国内土木工程界正在推广的一种结构加固新技术j CFRP由于重量轻、强度高、易于施工、耐腐蚀等优点在国内外被广泛应用于土木工程加固中。本文针对碳纤维布加固钢筋混凝土梁，通过引用试验数据，从抗弯、抗剪和抗扭等三个方面对其力学性能的影响进行分析研究，主要内容如下：
①在抗弯方面，针对12种工况24根梁的抗弯试验结果，分析了碳纤维布以不同方式粘贴，荷载以不同方式施加所得出的结果，绘制了荷载一CFRP拉应变曲线进行应变分析和承载力分析，提出了碳纤维布加固钢筋混凝土梁的正截面抗弯承载力计算方法。研究表明，碳纤维能有效提高梁的抗弯承载力与刚度，在相同荷载作用下，纵向受力钢筋以及混凝土的应变明显减小。
②在抗剪方面，通过对19根碳纤维布加固的钢筋混凝土梁的试验结果的分析和研究，分析了用碳纤维布加固后梁受剪承载力。根据试验结果分析，提出了碳纤维布加固钢筋混凝土梁受剪承载力计算公式。采用碳纤维布加固对提高钢筋混凝土梁的受剪承载力有明显的效果，并可改善钢筋混凝土梁的变形性能，增强其变形能力。
在抗扭方面，对CFRP加固的10个钢筋混凝土受扭构件和1个同规格的对比构件进行了抗扭试验结果进行了分析研究，分析了不同工况下加固构件的破坏机理、破坏形态、加固构件的力学性能变化等，并提出了相应的实用计算公式。研究表明，碳纤维能有效提高钢筋混凝土受扭构件的抗扭承载力及刚度、减小裂缝宽度、延缓裂缝开展速度并提高开裂荷载值。
案例图片：
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