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【摘 要】近年来，我国经济的飞速发展加快了城市化进程。碳纤维加固技术越来越多的应用于城市基础设施建设及维护改造工程中，本文初步分析了碳纤维加固技术在市政工程施工中的重要作用，并对碳纤维加固技术及应用进行了论述，仅供参考。
【关键词】碳纤维加固；市政工程；弹性模量；承载力
一、市政工程施工中对结构加固技术的需求
随着2010年上海世博会的日益临近，城市基础设施建设的投入也日益加大，不少城市道路、桥梁、市政管线、河流堤岸等设施都在逐步进行更新与扩容，一些不能满足未来使用要求的建筑物与构筑物将面临拆除或加固处理。由于市政工程的更新与扩容基本位于市区，其工程建设将对城市正常运行产生影响。如果对不满足未来使用要求的市政设施进行拆除重建，不仅需要付出昂贵的经济代价，同时还将经历较长的工程建设周期；如果对其进行加固处理，达到未来使用要求的标准，不仅可降低工程造价，同时其工程建设周期相对较短。因此，在设施拆除重建与加固处理两种方案的比选中，常常会选择对原设施加固处理。通常来说，以下几种情况造成城市市政设施需要进行加固处理：
1、由于市政设施使用超过了或达到了设计基准期，建筑物、构筑物的结构已经老化，不适宜继续使用。例如城市早期建设的桥梁、河道的护岸工程。
2、早期的某些设施由于当时的工程建设质量较差，随着时间的推移，建筑物、构筑物出现明显的结构缺陷。
3、由于某些自然灾害以及人为损坏事件的发生，对市政工程中建筑物、构筑物的结构产生严重损伤，需要对受损结构进行加固处理，提高设施的安全性和耐久性，延长其使用寿命。
4、由于设施的功能与规模等发生变化，原来的建筑物、构筑物不能满足使用要求，需要对原设施进行加固处理以满足未来的使用要求。这是城市中市政设施需要进行加固处理的最常见原因。
二、碳纤维加固技术介绍
1、常用结构加固技术介绍
1.1增大截面法增大截面法是指用同一种材料，通过增大构件截面面积，提高构件的承载力和结构刚度来达到对原构件进行加固目的的一种传统的加固方法。该方法的优点在于工艺简单，适用面广。其缺点是现场湿作业量大，施工周期长，对建筑物的使用环境有较大影响，此外，由于原构件截面变大，减少了原建筑物的使用空间。
1.2外包钢加固法外包钢加固法是在结构构件四角（或两角）包以型钢的加固方法，它是一种使用面较广的传统加固方法。该方法分为干式外包钢和湿式外包钢两种形式。它可以在基本不增大构件截面尺寸的情况下提高承载力，增大延性和刚度。外包钢加固法适用于混凝土柱、梁、屋架以及砌体柱和窗间墙，也适用于烟囱等构筑物的加固。该方法的优点在于施工简便，工作量小，受力较为可靠。其缺点在于用钢量较大，加固维修成本高。
1.3预应力加固法预应力加固法是在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆，通过施加预应力使体外拉杆或压杆与被加固构件共同受力，克服被加固构件应力的超前现象，提高建筑物承载能力和刚度的方法。该方法特别适用于大跨度结构的加固，以及采用其他方法效果不佳的较高应力应变状态下的大型结构加固。此方法的优点在于可在几乎不改变使用空间的条件下，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平。其缺点是施工设备和技术要求特别高，施工难度大。
2、碳纤维结构加固技术介绍
2.1碳纤维结构加固方法是指利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土构件表面，使混凝土构件与碳纤维共同作用，从而达到对构件结构补强加固及改善结构受力性能的目的。根据生产的原料不同，碳纤维有很多种类，主要有碳纤维布、碳纤维板和碳纤维预应力筋。这些碳纤维产品的共同特点是：
（1）轴向抗拉强度高，纤维方向的抗拉强度约为普通碳素钢的十几倍；
（2）密度小、重量轻，易于施工操作；
（3）耐久性好，有良好的耐腐蝕及耐老化性能，不需采用特殊的防护措施；
（4）弹性模量高，高强型碳纤维的弹性模量略高于普通钢材，而高弹型碳纤维的弹性模量可达钢材的两倍；
（5）应力应变曲线呈线性关系，直至拉断脆性破坏。
我国自1997年开始对碳纤维布加固修补钢筋混凝土结构技术进行系统研究开发。目前该施工中的技术规程《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）已经中国建设标准化协会批准，于2003年5月正式颁布执行。
2.2施工工艺介绍碳纤维结构加固方法的施工工艺主要包括施工前期准备、加固区域混凝土结构基层表面的打磨与修复处理、碳纤维材料与胶结剂的制备、碳纤维材料的粘贴及固化养护、现场粘贴成品的保护以及施工验收。该方法的工艺流程如图1所示。
2.3碳纤维结构加固技术的优越性与传统加固修补方法及粘钢板、喷射混凝土加固技术相比，碳纤维材料（CFRP）加固修补混凝土结构具有明显的技术优势，主要表现在：
（1）高强高效由于CFRP优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。
（2）施工便捷施工工效高，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少。
（3）具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能试验表明，粘贴CFRP加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性能及耐久性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。
（4）适用面广粘贴CFRP加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观。这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型土木工程结构，如大型桥梁的桥墩、梁、板，隧道，大型筒体，以及壳体结构工程等，采用原有的加固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术都能很顺利地解决。
三、结语
由于采用碳纤维材料进行结构加固技术相比于粘钢加固、外包钢加固、扩截面加固等传统加固技术手段来说，具有轻质高强、耐久性强、施工便捷以及使用面广等许多无可比拟的优势，近年来在工程结构加固施工中得到了广泛运用。随着我国不少大城市基础设施建设已由大规模的新建阶段向全面维护阶段更新转变，可以预见，未来采用碳纤维材料进行结构加固技术在市政工程施工中也将得到长足发展。
【关键词】碳纤维加固；市政工程；弹性模量；承载力
一、市政工程施工中对结构加固技术的需求
随着2010年上海世博会的日益临近，城市基础设施建设的投入也日益加大，不少城市道路、桥梁、市政管线、河流堤岸等设施都在逐步进行更新与扩容，一些不能满足未来使用要求的建筑物与构筑物将面临拆除或加固处理。由于市政工程的更新与扩容基本位于市区，其工程建设将对城市正常运行产生影响。如果对不满足未来使用要求的市政设施进行拆除重建，不仅需要付出昂贵的经济代价，同时还将经历较长的工程建设周期；如果对其进行加固处理，达到未来使用要求的标准，不仅可降低工程造价，同时其工程建设周期相对较短。因此，在设施拆除重建与加固处理两种方案的比选中，常常会选择对原设施加固处理。通常来说，以下几种情况造成城市市政设施需要进行加固处理：
1、由于市政设施使用超过了或达到了设计基准期，建筑物、构筑物的结构已经老化，不适宜继续使用。例如城市早期建设的桥梁、河道的护岸工程。
2、早期的某些设施由于当时的工程建设质量较差，随着时间的推移，建筑物、构筑物出现明显的结构缺陷。
3、由于某些自然灾害以及人为损坏事件的发生，对市政工程中建筑物、构筑物的结构产生严重损伤，需要对受损结构进行加固处理，提高设施的安全性和耐久性，延长其使用寿命。
4、由于设施的功能与规模等发生变化，原来的建筑物、构筑物不能满足使用要求，需要对原设施进行加固处理以满足未来的使用要求。这是城市中市政设施需要进行加固处理的最常见原因。
二、碳纤维加固技术介绍
1、常用结构加固技术介绍
1.1增大截面法增大截面法是指用同一种材料，通过增大构件截面面积，提高构件的承载力和结构刚度来达到对原构件进行加固目的的一种传统的加固方法。该方法的优点在于工艺简单，适用面广。其缺点是现场湿作业量大，施工周期长，对建筑物的使用环境有较大影响，此外，由于原构件截面变大，减少了原建筑物的使用空间。
1.2外包钢加固法外包钢加固法是在结构构件四角（或两角）包以型钢的加固方法，它是一种使用面较广的传统加固方法。该方法分为干式外包钢和湿式外包钢两种形式。它可以在基本不增大构件截面尺寸的情况下提高承载力，增大延性和刚度。外包钢加固法适用于混凝土柱、梁、屋架以及砌体柱和窗间墙，也适用于烟囱等构筑物的加固。该方法的优点在于施工简便，工作量小，受力较为可靠。其缺点在于用钢量较大，加固维修成本高。
1.3预应力加固法预应力加固法是在被加固构件体外增设预应力拉杆或撑杆，通过施加预应力使体外拉杆或压杆与被加固构件共同受力，克服被加固构件应力的超前现象，提高建筑物承载能力和刚度的方法。该方法特别适用于大跨度结构的加固，以及采用其他方法效果不佳的较高应力应变状态下的大型结构加固。此方法的优点在于可在几乎不改变使用空间的条件下，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平。其缺点是施工设备和技术要求特别高，施工难度大。
2、碳纤维结构加固技术介绍
2.1碳纤维结构加固方法是指利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土构件表面，使混凝土构件与碳纤维共同作用，从而达到对构件结构补强加固及改善结构受力性能的目的。根据生产的原料不同，碳纤维有很多种类，主要有碳纤维布、碳纤维板和碳纤维预应力筋。这些碳纤维产品的共同特点是：
（1）轴向抗拉强度高，纤维方向的抗拉强度约为普通碳素钢的十几倍；
（2）密度小、重量轻，易于施工操作；
（3）耐久性好，有良好的耐腐蝕及耐老化性能，不需采用特殊的防护措施；
（4）弹性模量高，高强型碳纤维的弹性模量略高于普通钢材，而高弹型碳纤维的弹性模量可达钢材的两倍；
（5）应力应变曲线呈线性关系，直至拉断脆性破坏。
我国自1997年开始对碳纤维布加固修补钢筋混凝土结构技术进行系统研究开发。目前该施工中的技术规程《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）已经中国建设标准化协会批准，于2003年5月正式颁布执行。
2.2施工工艺介绍碳纤维结构加固方法的施工工艺主要包括施工前期准备、加固区域混凝土结构基层表面的打磨与修复处理、碳纤维材料与胶结剂的制备、碳纤维材料的粘贴及固化养护、现场粘贴成品的保护以及施工验收。该方法的工艺流程如图1所示。
2.3碳纤维结构加固技术的优越性与传统加固修补方法及粘钢板、喷射混凝土加固技术相比，碳纤维材料（CFRP）加固修补混凝土结构具有明显的技术优势，主要表现在：
（1）高强高效由于CFRP优异的物理力学性能，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。
（2）施工便捷施工工效高，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少。
（3）具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能试验表明，粘贴CFRP加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性能及耐久性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀。
（4）适用面广粘贴CFRP加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外观。这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型土木工程结构，如大型桥梁的桥墩、梁、板，隧道，大型筒体，以及壳体结构工程等，采用原有的加固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术都能很顺利地解决。
三、结语
由于采用碳纤维材料进行结构加固技术相比于粘钢加固、外包钢加固、扩截面加固等传统加固技术手段来说，具有轻质高强、耐久性强、施工便捷以及使用面广等许多无可比拟的优势，近年来在工程结构加固施工中得到了广泛运用。随着我国不少大城市基础设施建设已由大规模的新建阶段向全面维护阶段更新转变，可以预见，未来采用碳纤维材料进行结构加固技术在市政工程施工中也将得到长足发展。