「碳」和「鋼」你知道怎麼搭配嗎？

在工程中，砼結構會出現各種缺陷，各種加固方式層出不窮，碳纖維加固現如今已經高頻率的出現在各個加固工程之中。通過加固能夠延長構件的使用壽命，避免資源的大量浪費。同樣，鋼結構不可避免的也會出現各種缺陷和損傷。在荷載和環境等因素的作用下，材料發生變化，引起宏觀力學性能的劣化，導致鋼結構工程事故。因此，從安全與節能的角度出發，尋求經濟高效的鋼結構加固技術既是土木工程領域亟待解決的技術問題，又是一個關係到社會可持續發展的問題。

今天，我們就來探討一下碳纖維加固技術在鋼結構中的應用。

鋼結構損害的主要因素及加固技術措施

鋼結構的損害多是由於荷載變化，規範改變等原因導致結構承載力不足；各種因素引起的構件變形，扭曲和腐蝕；使用過程中的操作不當等因素。

鋼結構的加固技術措施主要有截面補強法：以鋼材補強，連成整體使之共同受力；改變計算簡圖：增設附加支承，調整荷載分布情況，降低內力水平；預應力拉索法：利用高強拉索加固結構薄弱環節或提高結構整體承載力、剛度和穩度。

預應力CFRP加固鋼結構技術

目前，國內外對預應力CFRP加固鋼結構技術的研究、試驗和應用涉足甚少。因此，如何將高性能預應力CFRP加固技術引入到鋼結構工程的加固中，以提高鋼結構的承載能力和可靠性，將是鋼結構工程加固領域中的一次技術革命。

傳統的鋼結構加固存在的問題

焊接加固和螺栓連接都需要在損傷部位附近進行焊接或打孔相應處理，易產生新的集中應力造成二次破壞；粘鋼加固通過鋼板粘接達到了提高承載力目的，但結構重量的增加則不可忽視。這些常規的加固方法都存在著運輸和安裝的弊端，且維護費用高。

CFRP粘貼加固鋼結構的特點

(1)CFRP的比強度和比剛度高，加固後基本不增加原結構的自重和原構件的尺寸；

(2)複合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能；

(3) 柔性的複合材料對於任意封閉結構和形狀複雜的被加固結構表面具有特別的優勢。

密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患；

(4)簡便易行、成本低、效率高，在狹小空間亦可施工，特別適合現場修復；

(5)施工過程中無明火，適用於各種特殊環境。

預應力加固的優點

(1)加固工作可在不卸載、不停產的條件下進行；

(2)施加預應力可直接減小變形，迅速消除超逾應力和內力峰值；

(3)與非預應力方式相比，可消除應力滯後現象，充分利用CFRP的高強特性，提高加固效率；

(4)結合可靠錨固，可降低粘結界面的剝離應力，避免CFRP整體剝落，提高加固的可靠性；

(5)降低加固費用和使用成本。

預應力CFRP加固鋼結構施工工藝及步驟

預應力CFRP加固鋼結構方案可分為兩種，一是直接粘貼法，將CFRP兩端錨固並施加預應力後，通過膠粘劑粘貼在鋼結構的表面；一般適用於構件表面較平整的拉杆，對構件或其局部進行加固；二是將CFRP束作為預應力拉索調整應力，一般適用於對整個結構進行整體加固。

（1）表面處理：先將表面打磨乾淨，再用丙酮或酒精溶液擦洗表面，晾置乾燥，用粘結劑浸潤表面。

（2）在設計要求的位置打孔，應遠離待加固部位以免造成二次損傷；

（3）採用擠推法帶膠安裝纖維布，將纖維布初步張緊；待錨固處膠硬結後第一次施加預應力，將纖維布完全拉直，此時纖維布與鋼結構構件表面留有一定的空隙；

（4）在纖維布表面抹膠，將纖維束間的空隙初步封閉，稍干硬後進行灌膠；

（5）膠稍干後第二次施加預應力至設計的控制應力（利用擠壓效應，提高粘貼質量），用膠將纖維束充分浸透，提高共同工作性能。

（6）常溫下48小時後（氣溫較低時應適當延長時間），膠充分硬結後，割除多餘的螺桿，根據結構的實際要求進行表面防護處理。

結語

預應力CFRP加固鋼結構與加固砼結構在機理方面明顯不同，因此，為了使這一先進的結構加固方法更廣泛地應用於工程實踐，還存在以下問題有待於進一步研究：

（1）鋼結構經CFRP加固後，粘結界面是加固後體系的薄弱環節，破壞往往產生於此。大量試驗表明，施加預應力和降低粘結層剛度，加大粘結層厚度可緩解界面的粘結破壞，但其函數關係尚需進一步研究。

（2）複合結構界面力學性能參數（如界面剝離破壞強度、剪切破壞強度）有待於通過試驗來測定，但目前的試驗方法尚不成熟。

（3）鋼材與碳纖維均為導電材料，且碳纖維比鋼材具有較高的電位。用粘結劑粘貼時膠層很薄，且容易存在空隙。處於腐蝕環境中，易出現電偶腐蝕。同樣也可通過適當加大粘結層的厚度，提高膠層的飽滿度，可以避免發生電偶腐蝕。

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