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碳纖維布加固補強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)
近年來，人們對結(jié)構(gòu)的安全性，使用性和耐久性要求不斷增強，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化，化學(xué)腐蝕，社會需求的變化，設(shè)計標準的提高等，這些出現(xiàn)問題的建筑物，當(dāng)實際情況不允許推倒重建時，則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對其進行加固補強處理。 

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，纖維材料于土木工程中的應(yīng)用成為國內(nèi)外研究的熱點，纖維材料中的碳纖維用于加固補強混凝土結(jié)構(gòu)有著其自身的技術(shù)優(yōu)勢：高效高強（可以充分的利用其高強度，高模量的特點來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善受力性能，達到高效加固的目的），耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)），不增加構(gòu)件的自重和體積（碳纖維質(zhì)輕而薄），使用面廣（碳纖維是一種柔性材料，且可以任意裁剪），便于施工（無需大型的施工機械，占用場地少，無濕作業(yè)）。碳纖維布已廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板柱的加固補強，并由國家工業(yè)建筑診斷與改造工程研究中心主編，在總結(jié)近年來國內(nèi)各高校和科研單位的研究成果以及各設(shè)計，施工單位采用碳纖維布進行結(jié)構(gòu)加固的實踐經(jīng)驗，參考國外大量相關(guān)資料，并進行大量的試算和調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，其編號為CECS146：2003。以下將針對各種情況來進行說明其簡便的計算方法。 

碳纖維補強加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力： 

正截面承載力全過程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用完全彈塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；受壓區(qū)混凝土采用E.Hognestad建議的非線形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；混凝土受壓區(qū)沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元），并設(shè)每條帶的應(yīng)力均勻分布。根據(jù)理論分析結(jié)合實驗數(shù)據(jù)提出了如下的簡化計算方法：偏于安全的假設(shè)碳纖維的拉應(yīng)變等于鋼筋的拉應(yīng)變，并 

將碳纖維的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積： 

式中  ，  ，  和  分別表示碳纖維的面積，抗拉強度，等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。 

碳纖維的面積取其凈面積即： 

其中  為碳纖維的計算厚度，  為碳纖維布的幅寬，  為層數(shù)。 

得到等效鋼筋面積之后，可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計公式進行計算。 

對受壓區(qū)混凝土合力作用點取矩 

其中  可有水平力平衡得到： 

上式中  為混凝土棱柱體抗壓強度；  為鋼筋混凝土構(gòu)件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。 

對于碳纖維布補強加固的鋼筋混凝土適筋梁，其適用條件為：受壓區(qū)高度  不宜大于  ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過40%；加固后在荷載效應(yīng)標準組合下受拉鋼筋的拉應(yīng)力不宜超過鋼筋的抗拉強度標準值。 

當(dāng)計算得到的相對受壓區(qū)高度  高度不大于  ，或者小于  時，應(yīng)對碳纖維片材的厚度進行折減，具體計算方法詳見技術(shù)規(guī)程的有關(guān)部分。其中  為碳纖維片材達到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時發(fā)生時的相對受壓區(qū)高度。 

工程實例1：某混合結(jié)構(gòu)，原設(shè)計為教室，后因使用要求的變化改為書庫。由于樓面荷載的增加，使得按原荷載設(shè)計的進深梁抗彎強度不足，需要進行補強加固處理。該梁跨度為5m，截面尺寸為  ，按原使用荷載計算的跨中彎矩為  。受力鋼筋為3Ф18  ，設(shè)計強度為  ，混凝土的強度等級可取為  ，使用功能改變后要求梁的抗彎承載力增加到  。按照現(xiàn)行的混凝土規(guī)范計算得到原設(shè)計能承受的彎矩為  （此建筑物按89規(guī)范設(shè)計，如果按照89混凝土規(guī)范里的材料強度取值來計算則  ），對該梁采用碳纖維布進行補強，在梁底粘貼兩層兩條寬  ，厚度為  的碳纖維布（碳纖維布的抗拉強度為  ）。有  ，  ，滿足公式計算要求。則有  。選用兩條的加固方案，一是考慮到分條加固的效果比整條好，二是考慮到兩條布同時失效的概率小，可提高加固后構(gòu)件的安全度。 

工程實例2：某住宅小區(qū)由于施工的原因，樓板出現(xiàn)了大量的貫通裂縫，有的出現(xiàn)于板角，有的出現(xiàn)于板跨中，在住戶中造成了很大影響。后采用碳纖維布進行補強，在用樹脂封閉裂縫后，選用  寬的碳纖維布在板角處的板面放射狀布置，在跨中的板底按間距  沿裂縫走向布置，取得了很好的效果。 

碳纖維布補強加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的斜截面承載力： 

碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時，其抗剪效果作用和箍筋類似，梁在彎剪受力時，傳力模型是桁架機構(gòu)與拉桿拱機構(gòu)的復(fù)合傳力機制。 

剪跨比小  時，發(fā)生斜壓破壞。碳纖維的應(yīng)變發(fā)展速度較慢，在構(gòu)件達到最大受剪承載力時，碳纖維的應(yīng)變相對較小，其對抗剪承載力的貢獻也較小，加固效果不明顯。