田育豐 楊業(yè)宇 周凱

摘?要：我國(guó)在基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展的階段，進(jìn)一步加大了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，從而加快了建筑業(yè)的發(fā)展，充分發(fā)揮國(guó)家科技力量的支撐作用，相繼修建了各種類型的道路、橋梁、高樓、會(huì)展中心、重大水利工程等。由于受到自然災(zāi)害、空氣影響等，這些建筑的結(jié)構(gòu)往往出現(xiàn)過早老化的情況。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)城鎮(zhèn)需要開展加固工作的民用建筑有30億平方米，其中亟待修復(fù)加固處理的建筑有10億平方米。如何對(duì)這些老舊建筑檢測(cè)加固，需要進(jìn)行研究探討。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；鋼板；復(fù)合加固；徐變；材料性能

On?the?Reinforcement?Technology?of?Building?Structure

Tian?Yufeng?Yang?Yeyu?Zhou?Kai

Guangxi?Construction?vocational?and?Technical?College?GuangxiNanning?530007

Abstract：In?the?stage?of?rapid?development?of?infrastructure?construction，China?has?further?increased?the?investment?in?infrastructure?construction，so?as?to?accelerate?the?development?of?the?construction?industry，give?full?play?to?the?supporting?role?of?national?scientific?and?technological?forces，and?have?built?various?types?of?roads，Bridges，highrise?buildings，exhibition?centers，major?water?conservancy?projects.Due?to?natural?disasters，air?effects，etc.，the?structure?of?these?buildings?often?appear?premature?aging.According?to?relevant?statistics，there?are?3?billion?square?meters?of?civil?buildings?that?need?to?be?strengthened?in?cities?and?towns，of?which?1?billion?square?meters?of?buildings?are?in?urgent?need?of?repair?and?reinforcement.How?to?test?and?reinforce?these?old?buildings?needs?to?be?studied?and?discussed.

Keywords：carbon?fiber?cloth;steel?plate;composite?reinforcement;creep;material?performance

1?概述

1982年，邁耶在瑞士聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室（EMPA）首先開展了一項(xiàng)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）加固混凝土的抗彎試驗(yàn)研究。目前，國(guó)外已經(jīng)為推廣CFRP的應(yīng)用制定了本國(guó)的行業(yè)規(guī)范和各種技術(shù)推廣會(huì)。一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)制定了各種設(shè)計(jì)、施工規(guī)程、指南和手冊(cè)，以促進(jìn)和應(yīng)用碳纖維材料在土建工程中的應(yīng)用。1993年，日本完成玻璃鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。隨后一系列規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也相繼出臺(tái)。

1997年和1998年，加拿大政府先后為新型FRP材料產(chǎn)品的研發(fā)和纖維增強(qiáng)與加固混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究投入了大量的資金?！陡咝阅芾w維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》的編寫工作是經(jīng)過歐洲9個(gè)國(guó)家的共同努力，歷時(shí)4年完成的。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程（草案）于?1999?年?2?月分別由美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)?ACI-440F?和?ACI-440R?委員會(huì)發(fā)布。并制定了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與外貼玻璃鋼加固施工指導(dǎo)規(guī)程》。ACI-440F?規(guī)程提供了包括材料選擇、設(shè)計(jì)計(jì)算方法和施工方法在內(nèi)的一些表面粘貼加固混凝土結(jié)構(gòu)的指南。現(xiàn)在這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)和日本的發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)化了。

2?土建結(jié)構(gòu)常用的幾種傳統(tǒng)的加固方法

2.1?延長(zhǎng)建筑壽命

建設(shè)一棟樓，樓的美觀性和建筑質(zhì)量很重要。長(zhǎng)期使用的可靠性往往是作為一種比較穩(wěn)定的建筑產(chǎn)品必不可少的。建筑壽命會(huì)隨著建筑工程的長(zhǎng)期使用而降低，受各種因素的影響壽命也會(huì)逐漸降低。因此，為提升建筑工程的合理使用年限，應(yīng)該加強(qiáng)建筑工程在新工藝、新材料等方面加固施工。

2.2?提高建筑結(jié)構(gòu)耐久性

建筑物建設(shè)完成后，要想長(zhǎng)期保持穩(wěn)定性和可靠性是很困難的。各種影響因素多多少少都會(huì)對(duì)施工質(zhì)量造成影響，比如環(huán)境、人為因素等。不得不考慮的是，不僅要在日常生活中精心維護(hù)，更要在改善建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增加建筑工程使用壽命等方面采取切實(shí)有效的措施，提高建筑工程的持久性。

2.3?提高建筑抗震性

對(duì)地震造成的影響要有充分考慮，同時(shí)也要有相應(yīng)的保護(hù)措施。建筑工程抗震能力的提高，更應(yīng)引起重視。從總體上看，房屋建設(shè)以增強(qiáng)房屋抗震能力、加強(qiáng)建筑工程加固措施、提高房屋結(jié)構(gòu)抗震性能為首要任務(wù)，具體有以下一些加固方法。

（1）混凝土代入法。是將建筑物的缺陷部分換成新混凝土的一種加固方法。施工前，首先對(duì)建筑施工區(qū)域進(jìn)行清理，對(duì)加固部位外圍實(shí)施臨時(shí)支架。為了保證施工的安全和質(zhì)量，加固部位周圍的結(jié)構(gòu)在進(jìn)行施工時(shí)，一旦受到影響，可能需要進(jìn)行臨時(shí)加固。在建筑工程的結(jié)構(gòu)加固中采用混凝土替代的方法，雖然存在工程量大、施工要求高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，但對(duì)建筑的原貌和原有結(jié)構(gòu)布局不會(huì)產(chǎn)生任何影響。如果建筑工程密實(shí)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，或者混凝土強(qiáng)度太低，質(zhì)量就會(huì)變差，可以考慮用混凝土替代的方式。

（2）加高截面的加固方式。與傳統(tǒng)的加固方式相比，在房屋建筑工程施工中，普遍采用加高截面的加固方式，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、施工簡(jiǎn)便、耐受力可靠。增加混凝土結(jié)構(gòu)或擴(kuò)大構(gòu)筑物截面面積，是增加截面加固法的根本原理，目的是提高房屋建筑的承載力。因此，施工人員在具體應(yīng)用這種方法時(shí)，首先要對(duì)建筑物的實(shí)際情況有所了解，對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行合理的加固處理時(shí)，對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)承受力，如板梁柱、混凝土結(jié)構(gòu)等，都要計(jì)算得比較清楚。如屋舍內(nèi)易發(fā)生彎梁截面和柱正截面，可對(duì)梁正截面和柱正截面進(jìn)行抗剪加固，以提高地基承載力，擴(kuò)大基底面積，從而有效防止屋舍內(nèi)梁、柱彎曲現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）房屋加固常用鋼板法。它通過使用黏合劑在最薄弱的加固部位粘貼鋼板，目的是使鋼板和部件融合在一起，使這個(gè)部位的承重能力得到提高。由于工期短、工藝簡(jiǎn)單成熟、成本低、工藝先進(jìn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，鋼板法在建筑工程加固中廣泛應(yīng)用。

（4）加固纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這種加固方式是指將碳纖維單向織物布復(fù)合材料粘貼在需要加固的構(gòu)件表面，以提高構(gòu)件的承重能力。通過使用改性環(huán)氧樹脂膠，可使構(gòu)件表面牢固地粘貼碳纖布或碳纖板，使結(jié)構(gòu)承載力得到加強(qiáng)。纖維復(fù)合加固的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕，耐潮濕、重量輕、壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低?；炷列迯?fù)治理要落實(shí)到位。在處理時(shí)，需要先打磨部件的外表，把碳化層去掉。構(gòu)件表面若有裂紋，需用環(huán)氧樹脂膠水封死。如果某一部件被風(fēng)化沖刷，則需進(jìn)行修補(bǔ)混凝土的工序。在對(duì)受損部位進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)清除破損部位，并采用高分子水泥砂漿修復(fù)。各種受力性能的混凝土構(gòu)件，包括梁、板、柱、墻等，都可以采用纖維復(fù)合加固。

（5）噴射法是利用動(dòng)力源（如壓縮空氣）通過噴射機(jī)對(duì)定量配比的材料進(jìn)行高速噴射，使材料迅速凝結(jié)并硬化在加固部位的一種噴射法。這種材料具有優(yōu)異的黏合力和耐久性，同時(shí)還具有很好的力學(xué)性能，能有效增強(qiáng)結(jié)合面的承載力，對(duì)拉力和剪切力的承受能力也有很好的提高作用。

3?房屋建筑工程的結(jié)構(gòu)加固和重建需要實(shí)施的原因分析

3.1?忽視房屋結(jié)構(gòu)耐久性

據(jù)相關(guān)研究顯示，影響房屋建筑毀損的因素，除了施工、材料等因素外，建筑耐久性設(shè)計(jì)不合理也會(huì)造成房屋毀損。從某種程度上說，直接影響了正常的建筑使用。在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中，房屋建筑會(huì)直接受到雪載、風(fēng)載等外部環(huán)境的影響，同時(shí)也會(huì)受到一些化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，建材各方面的功能也會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸減弱，從而不同程度的損壞房屋建筑結(jié)構(gòu)等。

3.2?忽視房屋的使用年限

設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)是房屋建筑工程的首要任務(wù)。大多數(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)人員平時(shí)對(duì)房屋建筑的質(zhì)量、承重等方面都非常重視。但是，在對(duì)房屋建筑使用時(shí)長(zhǎng)的考量上，卻存在疏漏之處。雖然在一定程度上能夠達(dá)到對(duì)房屋荷載強(qiáng)度的要求，但是在使用年限上卻存在著一系列的缺失。通過加固房屋建筑結(jié)構(gòu)，以便于房屋建筑符合使用年限的規(guī)定。

如何對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，采取有效的處理措施，延緩其損傷進(jìn)程，延長(zhǎng)其壽命，成為工程界熱切關(guān)注的熱點(diǎn)問題，也是當(dāng)前工程界的一大熱點(diǎn)問題。在工程界的研究中，結(jié)構(gòu)鑒定和加固改造技術(shù)進(jìn)步非常顯著，處于空前地位。

3.3?我國(guó)開展研究的時(shí)間較晚

在國(guó)內(nèi)研究CFRP材料加固與修復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)的時(shí)間比較晚。CFRP加固修復(fù)建筑結(jié)構(gòu)研究始于20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)近年來對(duì)CFRP加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)性能開展了大量研究，成果豐碩。但從總體上看，調(diào)研課題仍相對(duì)基礎(chǔ)，內(nèi)容偏窄，反復(fù)調(diào)研的方式處在較低層次上。我國(guó)1997年正式開展的FRP補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件研究工作，是由國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心最早開展此項(xiàng)工作的。隨后，F(xiàn)RP加固結(jié)構(gòu)的研究也在多所高等院校和科研單位展開。

我國(guó)于2000年成立纖維增強(qiáng)塑料（FRP）及工程應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土與預(yù)應(yīng)力分會(huì)，并舉辦了四次全國(guó)性的FRP學(xué)術(shù)會(huì)議，對(duì)國(guó)內(nèi)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用研究有了較大的推動(dòng)作用?！短祭w維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（CECS?146：2003）》由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2003年5月發(fā)布實(shí)施。碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)這一新技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用起到了積極的導(dǎo)向和規(guī)范作用，而與之相關(guān)的其他規(guī)范也呼之欲出。

粘鋼加固法是采用特殊的建筑結(jié)構(gòu)黏合劑，在構(gòu)件表面粘貼鋼板進(jìn)行加固的方法，以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力。粘鋼加固法的鋼板與其他直接加固法相比，鋼板很薄，所以不容易觀察到粘鋼加固法構(gòu)件的二次受力特點(diǎn)。

3.4?我國(guó)粘鋼加固結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展階段

我國(guó)工程界起步較晚的是粘鋼加固結(jié)構(gòu)，1978年才第一次使用結(jié)構(gòu)膠加固粘鋼結(jié)構(gòu)。此后，在實(shí)際工程中逐步擴(kuò)大了這一加固技術(shù)的應(yīng)用。《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程（CECS?25：90）30》由建設(shè)部于1991年發(fā)布，對(duì)粘鋼加固、外包鋼加固的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

我國(guó)部分高校和科研單位從20世紀(jì)80年代開始，就廣泛開展鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加固的試驗(yàn)研究和理論分析工作。目前基本以試驗(yàn)研究為主的粘鋼加固技術(shù)研究包括：

（1）靜載試驗(yàn)研究粘鋼加固構(gòu)件；（2）動(dòng)載試驗(yàn)研究粘鋼加固技術(shù)；（3）分析粘貼層受力情況。對(duì)粘鋼加固鋼筋混凝土梁的受力機(jī)理，同濟(jì)大學(xué)黃勤等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究；針對(duì)不同卸載時(shí)混凝土梁粘鋼加固正斷面承重的計(jì)算，武漢大學(xué)的王天穩(wěn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；混凝土粘鋼補(bǔ)強(qiáng)用結(jié)構(gòu)膠的耐久性研究由北京建工學(xué)院蔡光汀等人完成。

綜上所述，粘鋼加固構(gòu)件的靜載試驗(yàn)研究工作，已在國(guó)內(nèi)外開展。該研究主要關(guān)注粘鋼構(gòu)件在試驗(yàn)過程中受到各種不同因素的影響，包括極限強(qiáng)度、開裂荷載、剛度、變形、延性、破壞類型等對(duì)粘鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能的影響。包括以下內(nèi)容：鋼板厚度、膠層厚度、混凝土強(qiáng)度、黏結(jié)劑性能、錨固形態(tài)等。

結(jié)構(gòu)加固技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外的研究大多集中于采用一種材料，采用兩種或兩種以上的材料比較少。雖然有多種加固方式可供選擇，但在不影響結(jié)構(gòu)美觀的情況下，粘貼鋼板加固方式具有易錨固、施工方便、周期短、占用空間小、對(duì)環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，同時(shí)使用這兩種材料復(fù)合加固結(jié)構(gòu)具有更廣闊的應(yīng)用前景，而對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究也就具有很好的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

4?鋼材的徐變

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在徐變條件下，鋼結(jié)構(gòu)與零件的強(qiáng)度往往不取決于材料的屈服極限或強(qiáng)度極限，而是由在給定的工作期限和溫度下導(dǎo)致破壞的應(yīng)力，即長(zhǎng)期強(qiáng)度極限所決定的。鋼材在徐變條件下的破壞可能具有不同的性態(tài)，許多徐變破壞發(fā)生于大變形情況下（20%～30%，甚至更多），并伴隨著頸縮現(xiàn)象，這種破壞具有韌性性質(zhì)，稱為韌性破壞；有時(shí)徐變破壞在小變形下發(fā)生（可能小于1％），且破壞前不形成頸縮，可稱為脆性破壞。韌性破壞通常對(duì)應(yīng)著較高的應(yīng)力和較短的破壞時(shí)間，而較低的應(yīng)力和較長(zhǎng)的破壞時(shí)間則有脆性破壞的可能性，因此，韌性破壞的發(fā)生時(shí)間會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)。一般認(rèn)為，前者與晶內(nèi)滑錯(cuò)有關(guān)，而后者是晶間裂紋的形成和發(fā)展的結(jié)果，當(dāng)然，有時(shí)破壞也可能同時(shí)具有上述兩種特點(diǎn)。

直接從試驗(yàn)來研究鋼材的徐變破壞時(shí)間是一項(xiàng)困難和費(fèi)時(shí)的工作，因此許多研究者試圖根據(jù)較容易獲得的徐變資料來估計(jì)鋼材和零件的破壞時(shí)間。

由于在常溫下較大應(yīng)力時(shí)，鋼材存在徐變的特性，同時(shí)也必然存在松弛特性。因此，我國(guó)新的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500102002對(duì)預(yù)應(yīng)力螺紋鋼在預(yù)應(yīng)力損失中的松弛損失做出了相應(yīng)的規(guī)定，以保證結(jié)構(gòu)的安全適用規(guī)范設(shè)計(jì)。

5?結(jié)論和展望

很多工程材料的變化特征非常明顯。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這些物質(zhì)可能存在數(shù)倍甚至數(shù)十倍的彈性變形。另外，由于采用彈性力學(xué)方法所得到的應(yīng)力比徐變斷裂時(shí)要低得多。結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有時(shí)會(huì)受到材料徐變的嚴(yán)重干擾，甚至可能造成結(jié)構(gòu)的破壞，引起更大的破壞。因此，研究材料的徐變性質(zhì)對(duì)于安全、經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)意義重大，目前國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)加固材料的研究大多采用一種材料，而采用兩種或多種材料進(jìn)行加固的研究較少。筆者認(rèn)為，對(duì)鋼板與CFRP復(fù)合加固材料的徐變進(jìn)行研究，對(duì)于確定該復(fù)合加固材料中CFRP在各種應(yīng)力水平下的徐變變化規(guī)律，以及在預(yù)張拉CFRP過程中應(yīng)力損失的計(jì)算，對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)和CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用加固、結(jié)構(gòu)修復(fù)加固工程能夠提供重要的理論依據(jù)是十分必要的。

因此，通過研究碳纖維布與鋼板粘貼后的復(fù)合物的徐變性能，將修復(fù)材料的徐變控制和優(yōu)化考慮到溫度、濕度、時(shí)間、受力大小、碳纖維布增強(qiáng)塑料（CFRP）含量和黏結(jié)劑等因素。所以要分析研究它的徐變性能，就需要在不同的條件下有具體的測(cè)試方法。

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項(xiàng)目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目：碳纖維布與鋼板粘結(jié)后的復(fù)合材料徐變性能研究項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：2021KY1168

作者簡(jiǎn)介：田育豐（1979—?），男，漢族，甘肅定西人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ鹿に嚒?/p>