碳纤维加固技术在既有建筑结构加固中的应用研究

引言

既有建筑是城市建设的重要组成部分，承载着居住、商业、工业等多元功能。然而，受早期设计标准偏低、材料老化、使用功能变更及自然灾害影响，大量既有建筑出现混凝土开裂、钢筋锈蚀、承载力不足等问题，严重威胁结构安全与使用性能。传统加固技术如粘钢加固、加大截面加固等，存在施工周期长、自重增加明显、耐腐蚀性能差等局限性，难以满足现代建筑加固的高效化、轻量化需求。碳纤维加固技术自20 世纪80 年代引入我国以来，凭借其优异的力学性能和施工优势，逐步成为既有建筑结构加固的主流技术之一。本文主要围绕碳纤维加固技术的应用展开研究，通过研究明确碳纤维加固技术的优势与适用范围，促进碳纤维加固技术在既有建筑加固工程中规范化、高效化应用。

一、碳纤维材料的基本特性及加固原理（一）碳纤维材料的核心特性

碳纤维复合材料主要是由碳纤维丝与树脂基体复合而成，常用的碳纤维加固材料主要有碳纤维布（CFRP 布）和碳纤维板（CFRP 板），其核心特性直接决定着加固效果。在力学性能方面，碳纤维材料抗拉强度可达3000-4000MPa，是普通钢筋的 7～10 倍，而密度仅为 1.7～2.0g/cm3 ，不足钢材的 1/4，实现了“轻质高强”的双重优势。耐久性方面，碳纤维材料化学性质稳定，不受酸碱腐蚀、湿度变化及紫外线照射的影响，避免了传统钢材易锈蚀的问题，极大地延长了加固结构的服役寿命。此外，碳纤维材料柔韧性好，具有可操作性，可以根据构件形状裁剪贴合，特别适用于曲面或复杂外形构件的加固，施工时不需要大型机械，对建筑正常使用影响较小。

（二）碳纤维加固技术的作用原理

碳纤维加固技术主要是采用粘结剂使碳纤维材料与混凝土构件表面密切结合，形成“协同工作体系”，利用碳纤维材料的高抗拉性能来弥补混凝土构件的抗拉、抗剪及抗震不足。在受弯构件加固中，碳纤维布粘贴于构件受拉区，当构件承受荷载时，碳纤维布与混凝土共同承担拉力，延缓混凝土开裂，提高构件的抗弯承载力和刚度；在受剪构件加固中，碳纤维布以U 型箍、环向缠绕或斜向粘贴的方式布置，约束混凝土的横向变形，增强构件的抗剪能力；在柱构件加固中，碳纤维布环向缠绕于柱身，形成“约束效应”，提高混凝土的轴心抗压强度和延性，改善柱的抗震性能。此外，碳纤维材料还可通过粘贴于构件表面，对裂缝起到封闭作用，阻止水分和有害介质侵入，延缓构件劣化进程。

二、碳纤维加固技术在既有建筑结构中的应用场景

（一）混凝土梁、板构件的加固

既有建筑中的梁、板构件常因荷载增加（如楼面新增设备、功能改为仓储）、混凝土碳化或钢筋锈蚀导致抗弯、抗剪承载力不足。采用碳纤维布加固时，针对受弯不足的梁、板，将碳纤维布沿构件纵向粘贴于受拉区，粘贴宽度和层数根据计算确定，一般采用1-3 层 200g/m²或300g/m²的碳纤维布；针对抗剪不足的梁构件，在梁侧粘贴U 型碳纤维箍，箍间距根据抗剪需求设定，通常为150～300mm，且需与纵向碳纤维布搭接形成整体。A办公楼改造工程中，二层楼面因新增大型办公设备，原混凝土梁抗弯承载力不足，采用2 层 300g/m² 碳纤维布纵向粘贴加固后，经检测梁的抗弯承载力提升 35% ，满足新增荷载要求，且施工仅用3 天，未影响办公楼正常办公。

（二）混凝土柱构件的加固

既有建筑柱构件易因设计标准偏低、混凝土强度不足或抗震等级不满足现行规范要求而需加固。碳纤维布环向加固是柱构件加固的主要方式，通过将碳纤维布沿柱身环向连续缠绕，利用其高抗拉性能约束混凝土，提高柱的轴心抗压承载力和延性。对于轴心受压柱，加固后承载力提升幅度与碳纤维布的约束程度相关，一般可提升 20%～50%; ；对于偏心受压柱，需结合纵向碳纤维布粘贴，同时增强抗弯和抗压性能。B 老旧居民楼加固工程中，底层框架柱因混凝土强度仅达到C20，不满足现行抗震要求，采用3 层200g/m²碳纤维布环向缠绕加固后，柱的延性系数从1.5 提升至3.2，抗震性能显著改善，且施工过程中仅需临时支撑，对居民生活干扰极小。

（三）墙体与节点构件的加固

既有建筑中的墙体（如承重墙、剪力墙）和结构节点（如梁柱节点）是荷载传递的关键部位，易出现裂缝、承载力不足等问题。对于承重墙，当墙体因开洞或承载力不足时，可采用碳纤维布横向或斜向粘贴，形成“网状”加固体系，增强墙体的抗剪和抗压性能；对于剪力墙，在墙面粘贴碳纤维布形成交叉斜向筋，提高其抗剪承载力和抗震变形能力。在梁柱节点加固中，碳纤维布以“环箍+纵向粘贴”的方式包裹节点区域，约束节点核心区混凝土，防止节点在地震作用下出现剪切破坏。某工业厂房剪力墙加固工程中，因长期受振动荷载影响，剪力墙出现多条斜裂缝，采用碳纤维布交叉粘贴（角度45°）加固后，裂缝发展得到有效控制，剪力墙抗剪承载力提升40%，满足工业生产的振动荷载要求。

三、碳纤维加固技术的施工要点与质量控制

（一）施工关键流程

碳纤维加固施工需严格遵循“表面处理—底胶涂刷—找平处理—碳纤维粘贴—养护固化”的流程。首先，混凝土表面处理是关键前提，需清除表面浮浆、 油污及疏松层，对裂缝采用环氧树脂灌注修补，表面打磨平整并形成粗糙面，以提高粘结强度； 需均匀涂抹 厚度控制在 0.2～0.3mm ，待底胶固化到手指触摸不粘时找平，对表面凹陷处用 2 碳纤维布粘贴 ：将浸渍胶均匀涂抹在构件表面和碳纤维布上，采用刮板沿纤维方向刮压，排除气泡，确保粘贴牢固，多层粘贴时待前一层固化后再施工下一层；3 养护固化：环境温度5°C 以上，养护时间不少于7d，养护过程中避免构件受力及表面碰

（二）质量控制要点

碳纤维加固工程质量控制要贯穿于施工全过程。材料质量：严密检验碳纤维布抗拉强度、弹性模量及粘结剂粘结强度，符合GB50367-2013 混凝土结构加固设计规范要求；施工中重点控制表面处理质量，用回弹仪检测混凝土表面强度（ ），通过目测及手摸检查底胶和找平胶的固化状态；粘贴质量：锤击法检测碳纤维布的粘贴面积，空鼓面积不超过总粘贴面积的 5% ，单个空鼓面积不大于 100cm2，否则钻孔注胶修此外，施工人员要有专业资质，施工前要进行技术交底，保证施工操作符合规范要求。

碳纤维加固技术凭借轻质高强、耐久性好、施工便捷等优势，在既有建筑梁、板、柱、墙体及节点加固中展现出显著的应用价值。通过合理的设计方案、规范的施工操作及严格的质量控制，可有效提升既有建筑结构的承载力和抗震性能，满足功能改造和安全升级需求。当前，该技术在材料质量、设计水平及施工工艺等方面仍存在改进空间，未来需通过材料创新、智能化设计、机械化施工及标准完善，进一步推动其在既有建筑加固工程中的规模化、高质量应用，为我国既有建筑改造与城市更新提供技术支撑。

参考文献

[1]杨帅敏. 既有建筑结构加固技术与经济性研究[D]. 东华理工大学, 2024.

[2]苗元耀. 既有建筑结构加固改造原则及技术分析[J]. 工程技术研究, 2024, 9 (12): 34-36.