碳纤维片材在钢结构加固中的应用分析

碳纤维片材在钢结构加固中的应用分析

廖颖清

广州越佳金属科技有限公司

摘要：近年来，现代建筑技术高速发展，钢结构也在各类建筑中得到了广泛运用。但是，由于多种因素影响，钢结构极易出现结构腐蚀、老化及设计缺陷等质量问题，进而影响建筑整体稳定性。为此，必须积极采取行之有效的钢结构加固措施，碳纤维片材这种新式加固材料也因此得到了有效运用，本文将对此展开探讨，以提升钢结构整体性能。

关键词：碳纤维片材；钢结构加固；应用

引言：

钢结构在实际应用阶段极易因施工环境、生产制造流程影响而出现结构损伤，影响施工安全。在以往的钢结构加固工程中，施工人员多采取钢板焊接、铆接等方式，尽管可以起到一定的加固效果，但是维护费用高，且结构重量增量较大，必须做出相应调整，以适应飞速变化的行业需求。在此背景下，碳纤维片材结构因其易成型、高抗腐蚀性和施工便捷等优势而得到了广泛运用。

1 碳纤维片材在结构加固中的应用

1.1 受弯构件修复

将碳纤维片直接粘贴在钢结构受拉翼缘地段，由二者共同分担钢结构外部拉力，可以提升梁结构承载性能，达到修复钢结构受弯构件的作用。碳纤维具有高适用性，可应用于矩形截面钢梁、钢板梁等多种类型的钢梁加固工程。研究结果表明，应用碳纤维进行加固可以显著提升梁抗弯的承载性能，其性能提升效果受到粘贴纤维量、钢材弹性模量、屈服强度等多种因素影响。碳纤维自身强度较高，但是却有着与钢结构相近的弹性模量，其强度在屈服荷载状态下仅能达到2000MPa，并未体现出其强度性能优势。

若想恢复损伤的钢梁结构，施工方需对碳纤维进行加固处理，以恢复碳纤维结构的刚度和承载性能，可以起到良好的钢结构保护和防腐效果。同时，还需要将碳纤材料粘贴在破坏部位的外表面，以保证向碳纤材料传递荷载能力，减少对钢材料结构的损伤，延缓裂纹的膨胀扩散速度。应用碳纤维板实施加固处理后，钢梁结构的刚度性能可以基本恢复，其平均恢复程度超过了90%。

1.2 受拉（压）构件修复

粘贴碳纤维材料有助于增强受拉（压）构件的承载力，环向粘贴碳纤维布材料可以获得更好的加固效果，有助于优化钢结构的极限承载力，与纵向粘贴的方法相比，效果更好。具体而言，纵向加固时碳纤维布与钢结构不能得到充分结合且极易发生剥离，若采取环向碳纤维加固法，则可以有效避免因材料结合不充分所引起的碳纤维布和钢结构剥离问题，降低碳纤维布的断裂风险，减少对钢柱的局部损坏。由此可见，通过环向加固的方式可以有效降低结构荷载量，通过分散和传递等方式，有效减少了结构剥离和断裂事故的发生，切实提升了构建的荷载力。

粘贴碳纤维加固是一种有效的钢结构加固方法，可以提升构件承载力，延长使用寿命。施工方需结合工程实际确定适宜的加固方法，同时优选加固材料，以确保结构加固效果[1]。

1.3 内压钢管线修复

钢管线长期处于高温环境中，其工作环境充斥着易燃易爆和有毒物质，如果出现了管线泄漏或爆破问题，必将造成恶劣事件，为此，确保管线安全有其现实意义。在内压作用下，钢管壁所受的外力主要是受环向应力作用，受力后造成钢管线膨胀，引起结构径向变形，此时将碳纤维结构缠绕到钢管路上，能使两者共同受力，有助于减少管壁的环向应力作用，进而使管道内压荷载能力得到提升。

1.4 钢结构疲劳修复

在经过反复的荷载力影响后，吊车梁、桥梁等工程结构可能发生疲劳损坏，此类结构在工程实践中所需承受的应力循环次数较多，在50年的使用周期内，其循环次数甚至可达1000万次。为有效提升其疲劳强度，延长其使用寿命，可使用碳纤维材料进行加固处理。由于受到交变荷载的影响，加固后构件的承载性能可以得到显著提升，同时，可以降低其应力幅值，进而延长构件的使用寿命。大量实践结果表明，应用FRP（纤维增强塑料）进行加固处理，钢结构的剩余疲劳寿命会呈显著增长趋势，可以起到良好的加固效果。若材料为焊接构件，则碳纤维可以为结构焊趾处分担应力，有助于降低焊趾处的应力和应力集中系数，从而优化其疲劳性能[2]。

1.5 预应力碳纤维加固

碳纤维与钢材的弹性模量并无明显差异，应用普通表面粘贴法进行钢结构加固，可能影响碳纤维强度，不利于碳纤维材料的正常运用。即使采取了加固处理措施，也不利于碳纤维发挥自身性能优势。但是，如果向碳纤维片材中施加一定的预应力，并将碳纤维片材粘贴在梁结构上开展后续加固作业，便可以有效规避此类问题。另外，预应力锚具也是有利的锚固工具，将其应用于结构两端可以有效确保碳纤维片材和钢梁连接的紧密型，有助于降低结构剥离破坏风险，以减少对锚固结构加固效果的影响[3]。

图1 碳纤维加固图

2 碳纤维片材加固钢结构的影响因素

首先，当钢结构荷载量达到屈服荷载要求时，如果碳纤维材料自身的弹性模量仍然处于较低的位置，则说明钢结构应力碳纤维的性能并未得到有效利用；若处于屈服状态后碳纤维材料能够传递出较高的荷载量，方能证明其良好的强度性能。加固钢结构材料所需的碳纤维用量较多，为确保其刚度性能，优化其疲劳性能，施工方需优选碳纤维片材料，使用弹性模量良好的材料进行加固处理。

其次，碳纤维片材的厚度与加固效果成正相关，但是，随着材料厚度的增加，界面的剪应力和应力集中也会表现得更为突出。胶层是连接钢结构和碳纤维荷载的重要媒介，其厚度和性能都将直接影响整体加固效果。若想提升加固效果，需将胶层剪变模量控制得尽可能大，同时尽量减小胶层厚度；若想提升应力集中度，则需相应增大胶层厚度。随着胶层渐变模量的不断增加，其厚度会明显降低，可能造成胶层大面积脱胶，进而影响整体加固效果，为此，施工人员需尽量将胶层厚度保持在 0.05～0.3mm 之间。

最后，为避免因剥离应力和界面剪应力影响结构性能，减少对区域内胶层的损伤，施工人员需在片材端部形成溢胶并将板端切成45°斜角，同时，还可以将碳纤维布条缠绕在片材端部区域位置，以起到锚固的效果[4]。

结束语：采用碳纤维片材对钢结构进行加固，在帮助延长钢结构使用寿命、延缓疲劳裂纹扩展速度的同时，有效避免了传统加固方法为了提升原有钢结构的刚性和承重性能而出现的缺陷问题。为此，施工人员需主动优化碳纤维片材结构，采取有效的钢结构加固措施，以优化钢结构性能，促进其应用。

参考文献：

[1] 单天宇. 碳纤维增强聚合物在钢结构加固中的节点强度模型[J]. 汽车博览,2021(20):5-6.

[2] 李俊辉,费忠宇,刘宗超,等. 湿热环境及荷载作用下CFRP加固钢结构耐久性研究进展[J]. 广州大学学报（自然科学版）,2023,22(2):1-9.

[3] 张建鹏. 负载下碳纤维布加固钢结构受弯构件理论研究[J]. 工程质量,2023,41(1):45-52.

[4] 杨宝山,吴敏,谭勇,等. 碳纤维增强复合材料在海上平台钢结构修复中的应用[J]. 合成纤维工业,2022,45(5):17-21.