談應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能

申傳瑞 尚金龍 張富強(qiáng)

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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·建筑材料及應(yīng)用·

談應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)中的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能

申傳瑞 尚金龍 張富強(qiáng)

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

介紹了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)對鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的技術(shù)優(yōu)勢，通過分析受損鋼板在修復(fù)加固前后應(yīng)力集中系數(shù)和相對有效剛度的變化情況，進(jìn)一步探討了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，促進(jìn)了其在工程中的推廣應(yīng)用。

CFRP，鋼結(jié)構(gòu)，修復(fù)加固，應(yīng)力

1 背景

在鋼結(jié)構(gòu)加工制作、施工安裝和使用過程中常常因受到外在環(huán)境的影響而發(fā)生損傷，為了使鋼結(jié)構(gòu)能繼續(xù)發(fā)揮使用功能，在保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全、經(jīng)濟(jì)合理性及施工方便等原則下，需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固來提高資源利用率。目前對鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固技術(shù)的探索已取得了較大進(jìn)步，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展迅速，鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固技術(shù)主要有以下幾個方面：

1)承重較大的多高層建筑中的鋼柱可以采用在鋼柱外邊面澆筑鋼筋混凝土，有效利用外包鋼筋混凝土的良好受壓性能修復(fù)加固鋼柱的承載能力。2)對受損或者有缺陷鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通過粘貼鋼構(gòu)件、焊栓連接及鉚釘連接進(jìn)行修復(fù)加固。3)在保證結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量可靠的前提下重新改變受損鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系。4)對鋼結(jié)構(gòu)受損或缺陷部位粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)進(jìn)行修復(fù)加固，尤其對受彎、受拉鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及鋼管線的修復(fù)加固應(yīng)用較多。

2 利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)修復(fù)加固鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料作為增強(qiáng)體連同樹脂等基體經(jīng)過物理化學(xué)作用形成的新型復(fù)合材料，因為其優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于民用，軍事等許多領(lǐng)域，特別是在修復(fù)加固鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域更具有突出優(yōu)點。

1)CFRP相比于其他材料具有高比強(qiáng)度和高比剛度的性能，因此，在其他條件類同情況下修復(fù)相同鋼結(jié)構(gòu)需要的CFRP尺寸更小，重量更輕，幾乎不會增加原構(gòu)件額外重量。

2)由于CFRP中碳元素含量較高，所以其具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，不容易在酸堿條件下銹蝕，保證了性能的穩(wěn)定。

3)CFRP可以有效降低原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，具有較強(qiáng)的抗疲勞性能，提高原結(jié)構(gòu)的承載能力和延性。

4)用CFRP加工制成的碳纖維布可較容易粘貼在鋼結(jié)構(gòu)表面，而且可以根據(jù)形狀任意裁剪加工。

5)CFRP本身質(zhì)量輕，相比其他修復(fù)加固技術(shù)而言利用CFRP對鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的施工過程更加高效、簡便。

6)傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)會在原結(jié)構(gòu)上實施焊接或者打孔等，這會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的損傷，然而通過CFRP不同粘貼方式進(jìn)行修復(fù)加固不會對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行削弱損壞。

3 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的性能

碳纖維復(fù)合材料可以根據(jù)不同類型增強(qiáng)體和基體進(jìn)行分類，也可以根據(jù)制備溫度、處理工藝和用途進(jìn)行分類。從抗拉強(qiáng)度性能上可分為T300，T700，T800，T800H，T1200等型號，從彈性模量性能上可分為M30，M40，M50，M55，M70等型號。不同種類碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能也各不相同(見表1)。

表1 不同種類碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能表 MPa

通過碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)對損傷鋼板的修復(fù)加固效果可以有效反映CFRP的材料性能，通常情況下采用應(yīng)力集中系數(shù)α和相對有效剛度β表示鋼板結(jié)構(gòu)在損傷后的強(qiáng)度。

其中，σmax為鋼板受損處應(yīng)力最大值；σn為指定基準(zhǔn)應(yīng)力。

圖1表示了鋼板在被CFRP修復(fù)加固前后應(yīng)力集中系數(shù)的對比，以及修復(fù)加固后應(yīng)力集中系數(shù)隨CFRP抗拉彈性模量增加而變化的情況。圖2表示了鋼板在被CFRP修復(fù)加固前后的相對有效剛度的對比，以及修復(fù)加固后相對有效剛度隨CFRP抗拉彈性模量增加而變化的情況。

從圖1可以清楚看到當(dāng)受損鋼板在CFRP修復(fù)加固后α值比未修復(fù)加固前明顯減小，并且隨著CFRP抗拉彈性模量的增加α值呈線性減小。從圖2可以清楚看到當(dāng)受損鋼板在CFRP修復(fù)加固后β值比未修復(fù)加固前明顯增大，并且隨著CFRP抗拉彈性模量的增加β值呈線性增大。由此可知碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)可以對損傷鋼板進(jìn)行有效修復(fù)加固。

4 結(jié)語

本文介紹了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的性能參數(shù)以及在修復(fù)加固鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的特點，受損鋼板在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)修復(fù)加固后的強(qiáng)度顯著提高顯示了其優(yōu)良性能。未來隨著CFRP生產(chǎn)工藝進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)成本不斷降低，其在結(jié)構(gòu)工程修復(fù)加固領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。

[1] 沈曾民，遲偉東，張學(xué)軍，等.高模量碳纖維的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].高科技纖維與應(yīng)用，2010，35(3):6-13.

[2] 岳清瑞，張 寧.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)性能研究與工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 曹 靖.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)理論分析和實驗研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011．

[4] 航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會.應(yīng)力集中系數(shù)手冊[M].北京：高等教育出版社，1990.

Discussion on carbon fiber reinforced composite material properties applied in steel structure

Shen Chuanrui Shang Jinlong Zhang Fuqiang

(CivilEngineeringandArchitectureSchool,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper introduced the technology advantage of carbon fiber reinforced composite material(CFRP) to steel structure repair and reinforcement, through the analysis on the change situation of stress concentration coefficient and relative effective stiffness of damaged plate before and after repair and reinforcement, further discussed the performance of carbon fiber reinforced composite material, promoted its popularization and application in engineering.

CFRP, steel structure, repair and reinforcement, stress

1009-6825(2016)20-0094-02

2016-05-05

申傳瑞(1990- )，男，在讀碩士； 尚金龍(1993- )，男，在讀碩士； 張富強(qiáng)(1991- )，男，在讀碩士

TU528.043

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