CFRP应用于土木工程论文

摘要：CFRP（碳纖维复合材）材料轻质高强，抗拉强度可达3000MPa及以上，并且具有良好的抗环境性能，而且施工操作比较简单，近年来在土木工程梁、板、柱结构的加固中获得了广泛应用。普通粘贴CFRP片材不能发挥材料的抗拉强度，这不仅缘于混凝土梁的裂缝限制，也受到挠度的限制，还受到在裂缝两侧、CFRP片材两端的高粘结剪应力导致的剥离破坏的限制。下面是小编整理的《CFRP应用于土木工程论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

CFRP应用于土木工程论文 篇1：

圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱温度场分析

摘要：本文利用ANSYS对圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱进行温度场分析，结果表明，置于钢管混凝土中CFRP筒若采用耐高温树脂基碳纤维材料，当升温时间达到120分钟时，它的节点温度仍低于其转变温度，故此种构件具有很好的耐火性能。

关键词：圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱 温度场 玻璃化转变温度 数值模拟

1 概述

CFRP复合材料因其具有轻质高强、热膨胀系数低、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好、无磁、高耐久性，在国内外土木工程界中被广泛应用[1]。但其较差的耐火性能也限制了其在有抗火要求的建筑结构中的应用。本文通过ANSYS具体分析了圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱的温度场分布，将CFRP材料放置在混凝土内部，对CFRP升温具有一定的延缓作用，使其继续作用于结构构件。

2 圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱数值模拟分析

2.1 建模及计算

设圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱长3000厘米，核心混凝土的直径是400厘米，CFRP筒厚0.167厘米，钢管外径及其壁厚分别是800厘米和12厘米。

通过ANSYS分析温度场时，CFRP采用三维4节点的 shell 3D 4 node57单元，混凝土、钢材为三维8节点的 solid Brick 8 node 70单元，同时为Shell 57单元定义实常数，CFRP筒厚0.167厘米。CFRP使用Tri-Mapped网格划分方式，混凝土、钢管均采用Quad-Sweep网格划分，模型分为28200个单元。

钢材的热传导系数、比热容采用Lie(1994) [2]、Lie和(Chabot)(1990)给出的公式；通过Lie(1994)、Lie和(Chabot)(1990)给出的公式计算混凝土的热传导系数；通过EC4(1994)所给出的普通混凝土的比热容公式计算混凝土比热容。对于CFRP材料热工参数，暂采用Griffic等早期对应用于航天工业的一种CFRP材料进行热工参数测定的测定成果[3]。

构件内部不存在热源，考虑到这一因素，构建表面同时存在热辐射及热对流。受火面对流换热系数αc取25W/(m·℃)，综合辐射系数ξr为0.7，初始条件为所有节点的温度20℃，组合短柱采用国际标准ISO-834火灾升温曲线升温，升温时间是120分钟，时间步长是1分钟。组合短柱观测点的布设情况如图3-3所示，在与圆心相距400厘米、388厘米、294厘米、202厘米的地方分别布设观测点1、观测点2、观测点3和观测点4。

2.2 数值模拟结果分析

图2-2为各观测点随时间变化的温度曲线图。

图2-2 各观测点的温度—时间关系曲线

觀察2-2后不难发现，钢材的热传导性较高，所以高温条件下钢管会快速升温，大概六到九分钟分钟钢管最外侧节点上的温度就能超过600℃(节点温度在10分钟的时候会达到678.4273℃)，这样30分钟以内钢管温度至少能达到800℃。此后，随着时间的延长，钢管节点的温度也会逐渐升高，120分钟的时候，ISO-834标准升温曲线和钢管外侧节点在这个时候的温度并没有太大的差别。混凝土的热传导系数不高，因此混凝土热传导节点会随时间的延长而缓慢升温。随着时间的延长，CFRP筒的节点也会呈现缓慢升温的状态，120分钟时，大部分CFRP节点的温度均达到了196.45℃。

一般树脂基碳纤维的玻璃化转变温度大概在100℃~200℃之间，而耐高温树脂基碳纤维的玻璃化转变温度高达200℃~300℃。在本文中，如果CFRP筒采用一般树脂基碳纤维复合材料，则按照各类树脂基的特点，CFRP的失效时间应大于45分钟；如果采用耐高温树脂基碳纤维复合材料作CFRP筒，则CFRP筒的节点温度在120分钟之内都无法达到其玻璃化转变温度，所以CFRP还是可以继续发挥作用。

3 结语

本文利用ANSYS有限元分析软件具体分析了圆截面钢-CFRP-混凝土组合短柱截面温度场，构件截面温度随时间变化的情况也通过分析结果直观明了地展现出来，而且将CFRP筒节点温度与其玻璃化温度作了对比，在高温环境下的组合柱中CFRP材料发挥作用时间也相对明确了，这为有助于进一步研究这类构件的耐火性能，而且也为在高温环境中对构件的力学性能和耐火极限提供依据。

参考文献：

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作者：杨宇 程实

CFRP应用于土木工程论文 篇2：

基于新型预应力CFRP技术梁板柱关键结构研究

摘 要：CFRP（碳纖维复合材）材料轻质高强，抗拉强度可达3000MPa及以上，并且具有良好的抗环境性能，而且施工操作比较简单，近年来在土木工程梁、板、柱结构的加固中获得了广泛应用。普通粘贴CFRP片材不能发挥材料的抗拉强度，这不仅缘于混凝土梁的裂缝限制，也受到挠度的限制，还受到在裂缝两侧、CFRP片材两端的高粘结剪应力导致的剥离破坏的限制。由于粘贴操作时不做卸载处理或难以进行卸载，正常使用状态下粘贴的CFRP布并不参与受力，因此对改善结构使用性能几乎不起作用。普通粘贴的CFRP布只有在超载条件下才会参与受力，但由于应变滞后以及弹性模量与钢筋相当或低于钢筋等原因，裂缝宽度限值条件下CFRP片材能发挥的应力水平一般只有材料强度标准值的1/20左右或略高。本项目提出的高效后张CFRP板预应力桥梁结构加固系统，以CFRP板为预应力加固材料，通过预张拉，使CFRP板在正常使用状态下即处于较高应力状态（不低于1000MPa），从而改善桥梁结构正常使用性能水平;通过预张拉，减小各种载荷条件下的粘结剪应力，降低剥离破坏风险，确保CFRP板与基体混凝土结构协同工作;在承载能力极限状态下，能够充分发挥材料的抗拉强度，提高材料利用率;利用CFRP板端部锚具，彻底解决CFRP材料端部剥离破坏现象，确保CFRP板加固的可靠性;通过完善锚具设计和张拉工艺设计，使CFRP板预应力加固在房屋、桥梁等梁、板、柱关键结构研究领域获得广泛应用，推动技术进步和生产力发展。新型预应力CFRP碳纤维板（CFRP）复合材料，可以使得抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中大量房屋、桥梁、边坡、地下工程等重要工程结构的系统性安全产生科学有效的保障效应。

关键词：新型预应力CFRP;碳纤维复合材料;梁板柱关键结构研究

Key words：New type prestressed CFRP;Carbon fiber composite material;Beam-slab-column key structure research

目前，普通粘贴CFRP增强工程结构强度的材料工作应力很低，通常只是抗拉强度的1/20。以CFRP（碳纤维复合材料）板作为预应力施加材料，通过预张拉，使CFRP板在正常使用状态下即处于较高应力状态（不低于1200MPa），提高材料自身抗拉强度的利用率达到目前状况的10倍以上，大大提高了桥梁、框架等工程结构正常使用性能和工程寿命的延长。通过预张拉，也减小各种载荷条件下的粘结剪应力，降低剥离破坏风险，确保CFRP板与基体混凝土结构协同工作;在承载能力极限状态下，能够充分发挥材料的抗拉强度，提高材料利用率;利用CFRP板端部锚具，彻底解决CFRP材料端部剥离破坏现象，确保CFRP板增强工程结构强度的可靠性;通过完善锚具设计和张拉工艺设计，使预应力CFRP板在桥梁、框架等工程结构领域获得广泛应用，推动技术进步和生产力发展。新型预应力碳纤维板（CFRP）复合材料系统技术大大地促进了碳纤维复合材料在增强工程结构强度方面的利用领域，因此产生显著的工程技术效益和社会经济效益。

一、实验要求

（一）实验原理

对普通钢筋混凝土梁与增加新型碳纤维复合材料的梁的抗弯强度进行对比，分析新型碳纤维复合材料对钢筋混凝土梁的强度提高情况。

（二）材料与试样及实验主要设备

（1）选择日本东丽公司生产的T300型环氧树脂基碳纤维复合板，I级板材，标准强度≥2400MPa。

（2）加载设备，拉杆、分配梁、反力钢梁、千斤顶测力计。

（3）数字静态电阻应变仪（DH3819）。

（4）应变釆集仪采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH38I9应力应变测试系统，其参数如下所示：

①毎台计算机可控制32个模块，单模块可测8测点.

②扫描速度：中模块8测点/秒。

③灵敏度系数1.0～3.0自动修正。

④适用电阻：60Ω～10000Ω。

⑤应变量程：±20000με。

CMOS相机：MER-500-7UM-L型，中国大恒（集团）有限公司。

（三）实验标准

为保证相关设计要求，本试验测试技术要求如下：

（1）碳纤维板规格：50mm×1.4mm;

（2）单端张拉，锚下张拉控制应力.张拉力为150kN;

（3）锚下张拉控制应力为≥1500MPa。

二、实验过程

（一）检测点布置

试件在对于预应力碳纤维板复合材料拉伸过程中，本试件只进行水平向的静载试验。在挙近张拉端锚具、靠近固定端锚具的碳纤维板上，以及碳纤维板中部对应位置粘帖应变片，共使用9张应变片，应变片测点布置如图3所示。

（二）试验进程

张拉静载试验共分11级进行分级加载。

按照《碳纤维片材加固混凝土技术范程》CECS147：2007要求，碳纤维板材抗拉强度标准值2400MPa。首先，对预应力碳纤维铀固系统进行预张拉，预张拉取抗拉强度标准值的5%（即8.4kN）。然后，采用分级张拉方式，依次为抗拉强度标准值的20%、40%、60%（上述3级张拉后持力2min，然后开始下—级张拉）。然后，张拉至1700MPa，并持力30min，以验证是否能够满足设计要求。此后以100MPa为一级，即1800MPa、1900MPa、2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2400MPa（上述每级张拉后持力2min;然后开始下一级张拉，若某一级发生破坏或者达到2400MPa时，试验终止）。试验工况安排如上表所示。

三、结果与分析

根据应力与应变的计算公式σ=Eε：可以得到理论应力应变曲线，其中：σ为理论张拉应力，E为试件弹性模量，ε为应变理论值，根据试验测试得到的应变值ε，可以拟合一条实测应力应变曲线，测试得到的预应力碳纤维板描固系统张拉应力应变曲线如图4所示。根据厂家提供的碳纤维板材料《检验报告》，其弹性模量E取值为1.64×105MPa。

测试得到的应力应变曲线与理论值之间存在一定比例的偏差，经分析，主要山碳纤维板的弹性模星偏差造成。碳纤维板本身属于不均匀材料，弹性模最离散性较大，随着张拉应力的增加，碳纤维板的弹性模量也不断变化，存在逐步增大的非线性趋势。但总体来说，碳纤维板的实际弹性模量大于《检验报告》测定理论值，导致实际应变值相对偏小，采用本产品进行桥梁加固是偏于安全的。同时，碳纤维板张拉力测试值达到2400MPa时，虽然存在偏差，但仍然远远滿足设计提出的1700MPa的性能指标要求。

四、结论

从以上图3的应力应变曲线中可知，当张拉应力达到1500MPa时，预应力碳纤维板夹持及锚固性能、锚固螺栓抗剪能力满足《碳纤维片材加固混凝土技术范程》CECS147：2007要求的技术要求。CFRP预应力加固方法，施加预应力后CFRP加固效果获得了显著的改进，证明在实验室条件下CFRP预应力加固方法的有效性;在实际土木工程实例中，工程梁、板、柱结构的加固效果同样显著，获得了广泛应用，经济效果突出，社会效果显著。

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科技计划项目：贵阳市科技计划项目（筑科合同[2011101]1-44号）;贵州省科技计划项目（黔科合GY字[2011]3042号）

作者简介：曹玉祥（1963— ），男，汉族，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，研究方向为工程材料分析、工程结构研究与设计。全学友（1963— ），男，汉族，四川遂宁人，博士，教授，研究方向为工程结构研究及设计、工程材料研究;安璐（1965— ），男，汉族，贵州遵义人，高级工程师，研究方向为工程材料分析研究。

作者：曹玉祥 安璐 全学友

CFRP应用于土木工程论文 篇3：

CFRP发展及土木工程应用现状

摘要：简要介绍了CFRP的制造工艺和发展，并与钢材和GFRP的性能进行对比。着重归纳CFRP在土木工程中的应用方向，包括加固修复和制造拉索等，最后总结目前CFRP亟待解决的几个问题。

关键词：CFRP；土木工程；加固修复

1 发展

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）是碳纤维增强的聚合物基质复合材料的统称。用于制造CFRP的泛用基质材料是热固性材料（如环氧树脂），聚酯和尼龙（聚酰胺）等，通常根据不同的性能需求选择制造方法。其中应用较多的为PAN基CFRP，该种方法首先使用化学和机械方法将前体纺成长丝纱线，即在200°C下从聚丙烯腈前体拉伸并热氧化，使长丝保持张力；随后使其碳化，以高温促使氧、氮等元素挥发。除此以外还有沥青基碳纤维，其长丝由沥青或煤焦油纺制而成。

与钢材和GFRP（Glass-Fiber Reinforced Plastic）相比，CFRP具有极其优异的物理和力学性能，详见表1[1～2]。CFRP片材层压架构使其在横纵双向的力学性能得到强化。由于石墨化特性，CFRP呈现明显的化学惰性，其失效方式多为纤维脆性破坏，表现为微观上碳纤维和聚合物基体的分离及宏观上片材间的剥离。疲劳性能也是CFRP的强度设计主要关注点之一，郑云（2007）等人对CFRP板加固开裂钢板进行研究[3]，采用剩余疲劳寿命作为主要控制条件，结果表明加固后疲劳寿命达原先的2.6倍-5.5倍，与实验结果较吻合，验证了疲劳损伤条件的重要性。因此在循环加载作用下，CFRP局部结构需采用合适的安全系数来保障整体结构的可靠度。

1950年，美国赖特-帕特森空军基地率先进行了CFRP性能开发及应用；1959年，美国联合碳化物公司发布了商业化CFRP产品。随着技术成熟CFRP材料也逐步渗透到民用领域，已广泛应用于有轻便高强需求的构件当中，例如无人驾驶飞机机体和螺旋桨叶片、游艇和船舶建造、高端体育用品以及赛车的轻量化构件等。采用CFRP的高尔夫球棒，可减重30%以上，且具有良好的阻尼特性；用CFRP制造的赛车车身和底盘，可以降低高达7成的整备质量。

2 土木工程应用

近年来，如何充分利用新材料CFRP的优异性能成为了研究的热点，高达4000kN·m/kg的比强度和良好的耐腐蚀性为其在民用工程中的价值奠定了基础。目前，CFRP在土木工程中的应用主要有以下几个方面：

⑴旧结构的加固修复和改造。目前土木工程CFRP在此方向应用最多。由于在土木工程中重建或替换缺陷部位结构的成本和环境影响等远大于改造，所以后者在市场中具有很强的竞争力。CFRP能够很好地契合旧结构（如已建桥梁和隧道）的承载需求，修理损坏的结构以提高承载能力，包括混凝土裂缝、钢材缺陷[3]等，并减缓缺陷部位的疲劳损伤。张宁（2004）等人用碳纤维布加固十字形试件的K形坡口焊缝，得到的疲劳寿命比原件高出318%，文章指出碳纤维承担了原焊趾的部分应力，弥补了焊趾的疲勞损伤[4]。

⑵替代钢材的拉索材料。国内首座CFRP索斜拉桥位于江苏大学，采用直筒+内锥式锚具，张拉测试结果与计算值基本吻合，实现了CFRP索设计和施工工艺的创新[2]。根据斜拉桥的设计原理，随着跨径的增大拉索与桥面板夹角减小，因而钢绞线的极限承载跨径在4000m左右。对于跨径更大或环境腐蚀较严重的拉索，以及有轻量化要求的桥梁工程中，CFRP具有充分优势。

⑶约束混凝土柱及抗震加固。采用CFRP约束的混凝土柱呈现较为均匀的三向应力作用，减少了致命裂缝的产生且提高了受压破坏时的延性。魏洋（2007）等人用CFRP加固混凝土短方柱[5]，随着CFRP用量增加，混凝土柱逐渐由剪切脆性变化变为弯曲延性破坏。虽然仍存在CFRP切面剪断和角部拉断现象，但显著提高了抗剪切能力，是较为理想的抗震加固材料之一。

⑷结构局部强度强化。用CFRP包覆的钢筋混凝土结构强度能得到极大提升，断面强度提升率可高达100%以上[1]，而对原本的结构刚度影响极小。如细CFRP芯可以显著提高小截面的强度而对整体刚度影响甚微。

3 结语

CFRP正常工作的条件是聚合物必须与纤维保持良好的粘结强度，一旦出现粘结失效则CFRP结构会产生脆性破坏，而钢材是延性破坏。在CFRP作为新材料应用于土木工程时，必须考虑结构的破坏性质，可以是对CFRP进行改性，或采用韧性更好的基体。同时，由于CFRP采用了树脂材料，反复热变环境中的水稳定性有待商榷。此外，CFRP的高成本仍然是市场化的主要问题。因而CFRP应用的发展离不开更多研究和改进、相应规范的建立和完善。

参考文献：

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[2] 吕志涛， 梅葵花. 国内首座CFRP索斜拉桥的研究[J]. 土木工程学报， 2007， 40（1）： 54-59

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[4] 张宁， 岳清瑞， 杨勇新， 等. 碳纤维布加固钢结构疲劳试验研究[J]. 工业建筑， 2004， 34（4）： 19-30

[5] 魏洋， 吴刚， 吴智深， 等. CFRP加固混凝土短方柱抗震性能试验研究[J]. 工程抗震与加固改造， 2007， 29（1）： 33-38

作者：柏格文　兰滔