Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2023, 12(7), 964-970
Published Online July 2023 in Hans. https:///journal/hjce https:///10.12677/hjce.2023.127110
文章引用: 汤凯菱, 孙权伟, 谭祥军. CFRP板-张弦梁结构加固技术简述[J]. 土木工程, 2023, 12(7): 964-970.
DOI: 10.12677/hjce.2023.127110
CFRP板–张弦梁结构加固技术简述
汤凯菱，孙权伟，谭祥军
重庆科技学院建筑工程学院，重庆
收稿日期：2023年6月14日；录用日期：2023年7月5日；发布日期：2023年7月18日
摘 要 传统CFRP (碳纤维增强复合材料)加固技术是利用锚具将CFRP片材锚固于被加固结构两端，并在CFRP表
面与待加固构件连接处涂抹结构胶，然后直接张拉，以这种方式对结构进行加固虽然可起到一定的效果，
但长期持荷下CFRP材料易脱落。基于此，结合张弦梁受力特点和力学原理，将CFRP片材与张弦梁结构
相结合，形成一种体外曲线加固方法，相对于传统的体表粘贴预应力CFRP片材加固，该方法的CFRP片
材离被加固结构的形心更远，导致预应力产生的偏心矩更大，能进一步发挥CFRP片材高强性能。
关键词
CFRP片材，张弦梁结构，预应力，加固
CFRP-String Beam Structural Reinforcement
Techniques in Brief
Kailing Tang, Quanwei Sun, Xiangjun Tan
School of Architecture and Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing
中国西部科技２０１２年０４月第１１卷第０４期总第２７３期
浅析碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）在土木工程加固中的应用
刘益 赵金
（１．烟台国泰建筑加固有限公司，山东烟台２６４０００；２．烟台信永建￣Ｌ＿ｒ－程造价咨询有限公司，山东烟台２６４００６）
摘要：碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）作为一种新型材料，有着优良的物理力学性能，近年来在土木工程加固中的应用越来越
广泛。本文介绍了ＣＦＲＰ的发展历程及主要研究成果，分析了ＣＦＲＰ的材料特性，同时对ＣＦＲＰ在土木工程加固中的应用 进行了研究。
关键词：ＣＦＲＰ；加固；混凝土结构
Ｄ０ｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉ ｓｓｎ．１６７１—６３９６．２０１２．０４．０２４
１ 前言
混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，但混凝土
结构存在钢筋锈蚀、混凝土碳化等现象，因此存在结构耐久 性和抗疲劳性不好等问题，尤其是处于侵蚀性和暴露环境下
的混凝土结构受损更加严重。每年用于结构维修和加固的资
金巨大。因此，开发新型材料用以提高结构性能成为土木工
程领域的一个趋势。近年来碳纤维复合材料ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ
Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ）大量地应用到结构加固领域中，
已成为土木工程的研究热点。 ２碳纤维复合材料（０ＦＲＰ）的发展
美国和日本对ＣＦＲＰ应用于混凝土结构的修复和加固研
究，始于２０世纪８０年代。在８Ｏ年代末９０年代初，日本的
很多大学、科学研究机构和材料生产厂家等相继进行了大量
的碳纤维材料用于工程结构修复和加固的研究。ＣＦＲＰ具有
优异的力学性能，施工工艺简便且加固效果可靠，特别是在
美国旧金山、日本阪神大地震、中国台湾桃园县地震及韩国
三丰百货大楼倒塌事件造成重大人员伤亡和财产损失之后，
由于生产实践的需要，推动着纤维材料在工程结构加固中应
用的迅速发展。在日本、美国、中国台湾、欧洲等国家及地 区，也制定出了自己国家和地区的行业标准和规范。
CFRP在土木工程中的应用研究
摘要：CFRP的英文全称是Carbon Fiber Reinforced Plastic，汉语译作碳纤维增强复合材料，该材料具备刚度好、比模量高、质量轻、耐高温等优势，对于土木工程来讲，应用CFRP能够加固混凝土结构，起到保温隔热作用，优化钢结构。本文将分层简述CFRP在土木工程中的应用方案，并提出个人见解。
关键词：CFRP；土木工程；应用方案
目前，土木工程建设中所使用的CFRP主要包括棒材、短纤维、索材、缠绕型材料、拉挤型材料、格栅、片材与手糊制品等。通常是将CFRP掺入混凝土结构中以此增强混凝土的负荷能力与抗裂性，加固工程结构。此外，棒材通常会被用于代替钢筋来构建新型建筑结构。而且，在土木工程建筑墙体中使用片材可以起到良好的保温隔热作用。
一、用CFRP加强混凝土结构
在土木工程施工建设中应用CFRP，全面提升土木工程质量，首先要选用CFRP来加强混凝土结构，即在混凝土集料中加入足量的、短纤维、索材、缠绕型材料、拉挤型材料、格栅和片材，不断优化混凝土的性能。此外，在土木工程混凝土结构施工建设中，要注意把握好混凝土结构的温控与施工技术，确保浇筑完混凝土之后的温度不高于30摄氏度。而且，施工技术人员应该严格控制施工动态，综合分析混凝土的温度变化材料，根据对比仿真资料和计算结果来预测浇筑混凝土结构的温度，对后续浇筑的温度予以科学控制以避免出现裂缝。其次，要全面了解混凝土结构的内部温度，为混凝土结构内部安置好测温计，每隔两个小时查看一次温度，如果温度高于35摄氏度，就要采取必要的措施，如果24小时后，温度已低于30摄氏度，就可以取消监测。在外部温度较高的夏天，可以多观察三天，并确保混凝土结构有充足的通水量以缓解混凝土结构内部的升温速度。其次，施工技术人员要注意控制好混凝土结构内外的温差以避免出现裂缝，如果发现有裂缝，必须及时加入短纤维与片材，而且，要将温差控制在13摄氏度以内。如果混凝土的内部温度降温较慢，外部降温速度有比较快，就很容易因为温差而滋生裂缝，对此，要为其覆盖CFRP片材料，这样能够起到表层混凝土的保温作用，避免内外温差过大。在实施浇块作业之前，要先为内部混凝土结构创造良好的散热条件，确保混凝土的内部温度得以平稳散热。如果外部混凝土散热速度过快，就要用CFRP片材料为其设置保温隔热层，以此缓解温差所造成的裂缝问题。除此之外，要通过添加CFRP来削弱混凝土的绝热升温性能，控制混凝土的升温速度。在施工过程中，需要选用低热化水泥或者中热化水泥，为混凝土加入足量的CFRP以缓解混凝土的开裂风险。另一方面，在混凝土结构浇筑过程中，要先铺设一层优质砂浆，然后，加入CFRP短纤维和片材，接着实施水平分层性浇筑，注意将浇筑厚度控制在40厘米以内。浇筑完毕后，施工技术人员需要对混凝土结构进行均匀性振捣，并做好后期的养护工作。
第３７卷第１５期 ２ ０ １ １年５月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１５ Ｍａｙ． ２０１１ ・２７・ 文章编号：１００９－６８２５（２０１ １）１５－００２７．０３ ＣＦＲＰ加固木结构的研究现状 张莉 张燕芹 摘要：总结了国内外已有的ＣＦＲＰ加固木结构的资料，分析了ＣＦＲＰ加固木粱受弯承栽力、受剪承载力和木柱受压承栽 力的研究成果，并提出需进一步研究的问题，对推广木结构的应用有着重要的意义。 关键词：加固，木结构，碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ） 中图分类号：ＴＵ７５９．３ 文献标识码：Ａ ０ 引言 由于木材资源的限制以及保护文物的需要，在木结构古建筑 的维修和改造中不可能大面积的替换新材，而传统的加固修复方 法往往会破坏建筑物原貌或带来化学腐蚀和锈蚀，所以迫切需要 施工简便、耐久性好、见效快的加固补强技术。纤维增强复合材 料（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ或Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，简称 ＦＲＰ）这一新型高性能功能性修复复合型材料的出现，给木结构加 固的发展带来了新的机遇。随着其生产技术水平的提高，生产成 本降低，生产规模扩大，ＦＲＰ逐渐被应用于建筑物的加固维修工 程中。 土木工程领域通常应用的ＦＲＰ复合材料，从材料形式上分， 主要有片材（布状片材和板状片材）、筋、棒和索等。根据增强材 料的不同，可以分为碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）、玻璃纤维复合材料 （ＧＦＲＰ）和芳纶纤维复合材料（ＡＦＲＰ）。目前，在建筑结构修复 加固的工程中研究和应用最为广泛的是ＣＦＲＰ，技术也最为成熟。 １ ＣＦＲＰ加固木结构的方式 根据施工方法的不同，常用的ＣＦＲＰ加固木结构构件有两种 方式：外部粘贴法和内嵌加固法。外部粘贴法将ＣＦＲＰ片材用结 构胶粘贴于构件表面，使其与构件共同变形受力。这种方法施工 简便快捷、成本低、无腐蚀问题，并且可加固形状较复杂的构件， 但是容易发生加固片材因粘结失效引起的剥离破坏。针对于此， 研究人员将ＣＦＲＰ筋、棒等加固材料嵌入结构构件表面预先开好 的槽内并以树脂胶粘剂封填，以此来改善加固材料与构件的整体 粘结性能，充分发挥加固材料的强度，此即内嵌加固法…。 按照加固对象的不同，ＣＦＲＰ加固木结构构件大致有下面三 种方式：１）梁的抗弯抗剪加固：在进行抗弯加固时，ＣＦＲＰ复合材 料的纤维方向与梁的轴向一致，一般粘贴或嵌补于梁的受拉侧， 使碳纤维材料承受拉力，提高梁的受弯承载力。在进行抗剪加固 时，ＣＦＲＰ复合材料设置在剪跨区，其纤维方向与梁的轴向垂直或 成一定的角度。２）板的加固：加固单向板时，加固材料沿短跨方 向设置；ＪＪｎ固双向板时，沿两个方向设置。３）柱的加固：ＣＦＲＰ加 固柱最为常见的形式为外包碳纤维布或条带，碳纤维方向沿柱环 向。柱可由单层或多层纤维布完全包裹，也可用纤维布条带形成 连续的螺旋箍或间隔的环箍进行部分包裹。 ２ ＣＦＲＰ加固木梁抗弯和抗剪性能研究 ２Ｏ世纪９Ｏ年代，随着纤维材料的大幅降价，国内外一些学者 开始深入研究纤维材料增强木梁的力学性能。１９９２年，Ｐｌｅｖｒｉｓ和 Ｔｒｉａｎｔａｆｉｌｌｏｕ 进行了碳纤维加固冷杉木梁的试验并结合ｂｕｃｈａｎａｎ 的本构关系模型进行了理论分析。同年，Ｔｒｉａｎｔａｔｉｌｌｏｕ，Ｄｅｓｋｏｖｉｃ Ｊ 完成了预应力碳纤维布加固木梁的试验，试验结果表明加固木梁 的受弯承载力、刚度和延性均有明显提高，其中承载力提高了 ２０％～４０％。１９９４年。Ａｂｄｅｌ—Ｍａｇｉｄ＿４ 进行了９根铁杉木梁受拉区 加固试验，其中３根加筋，３根粘贴碳纤维布，３根粘贴芳纶纤维， 结果表明粘贴碳纤维布的木梁强度提高了３２％，大大高于芳纶纤 维加固的木梁。１９９７年，Ｔｆｉａｎｔａｆｉｌｌｏｕ 进行了２１根受剪加固木 梁的试验，深入研究了碳纤维加固木梁的抗剪性能，分析了影响 强度提高的纤维材料的用量、类型等参数。２０００年，Ｊｏｈｎｓ，Ｌａｅ— ｒｏｉｘ ６ 进行了一系列的碳纤维和玻璃纤维加固木梁的试验，发现 了其强度比未加固的木梁提高了４０％一７０％，证明这种加固可以 很有效地改善木梁的受力性能。 在国内，２００３年张大照 首次进行了ＣＦＲＰ布粘贴于受拉表 面加固圆形木梁的试验，指出一般单层ＣＦＲＰ布加固木梁的强度 提高４ｏ％～５０％，并能有效地改善木梁的变形性能。 周钟宏 进行了ＣＦＲＰ布加固矩形木梁的试验，结果表明梁 的高宽比越小，其加固后的极限承载力和刚度的提高幅度越大。 对高宽比为２的试件，粘贴一层和两层ＣＦＲＰ布后承载力分别提 高３６％～４２％和５５％～５７％，刚度也有大幅度的提高。而高宽比 为３的试件粘贴两层ＣＦＲＰ布后承载力仅提高１７％～２５％，刚度 也没有明显的变化。 王锋ｌ９ 采用了三种方式加固木梁，直接粘贴碳纤维布、预应 力碳纤维布加固和嵌固玻璃纤维筋来增强木梁受力性能。试验 结果表明这三种方式都提高了木梁的承载力，但是直接粘贴碳纤 维布提高的不多，只提高了１１．１％。施加预应力后承载力大幅度 提高，幅度为２５％，而第三种加固方式也提高了２０．４％。 祝金标 钊进行了粘贴ＣＦＲＰ布加固受损木梁的试验研究。 所有受损试件均是在木梁受拉区挖去一定截面高度的木材，然后 用强力接着剂在缺口中垫补上相同材质木块，以模拟木梁的截面 抗弯性能受损情况，研究表明，除了粘贴一层的且截面损伤大于 ５０％的木梁只是达到了损伤前的承载力水平外，其余的加固梁粘 贴ＣＦＲＰ布后，承载力都有显著提高。 马建勋等 设计了两种加固方案，分别研究ＦＲＰ布用量和 锚固长度对加固效果的影响。其中第一种通过变换ＦＲＰ布的宽 度来实现。试验结果表明，随着配布率的增大，木粱的极限荷载 增大，但是提高程度有所下降。 丁烨Ｌ１ 进行了ＣＦＲＰ和ＧＦＲＰ加固意杨木梁的试验，试验结 果表明，ＣＦＲＰ比ＧＦＲＰ的加固效果要好。粘贴单层ＧＦＲＰ和单层 ＣＦＲＰ的意杨木梁的受弯极限承载力分别提高了４１％和４８％。 收稿日期：２０１ｌ－０２・ｌ６ 作者简介：张莉（１９７６．），女，南京林业大学博士研究生，江苏南京２１００３７ 张燕芹（１９７４一），女，工程师，山东莱钢建设有限公司，山东青岛２６６０７１
