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1、混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性 刘航李晨光 利用高强非金属纤维类材料，如碳纤维、玻璃纤维等对结构进行加固的方法，具有耐 久性好，施工简便，不加大截面，不增加荷载，外形美观等优点，已成功用于多种结构的抗 震、抗弯和抗剪加固。但是，碳纤维加固方法也有其适用范围，本文通过几个工程实例，分 析用碳纤维加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。 1、碳纤维用于抗震加固 试验研究表明，用碳纤维材料包裹钢筋混凝土柱，使纤维方向与柱轴线相垂直，可以 有效提高柱的延性和承载力，增加其抗震耗能能力 1 。另外，剪力墙作为主要抗侧力构件， 其破坏形态不外乎受弯延性破坏（中高剪力墙）或受剪脆性破坏（低剪力墙）。将碳纤维
2、用 于加固剪力墙， 只要方法适当，也可显著提高其延性和承载力。因此，钢筋混凝土结构的抗 震加固是碳纤维材料应用的一个有效领域。但应指出，用碳纤维对柱或剪力墙进行加固时， 由于碳纤维本身属预柔性材料，通过结构胶与被加固结构粘结，这就要求被加固结构混凝土 须满足一定的强度要求，才有可能发挥碳纤维的加固效果。以下以实际工程为例说明碳纤维 加固钢筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。 1.1 工程概况和加固方案 某多层钢筋混凝土框架结构，施工验收时发现有9 根框架柱混凝土强度不能满足设计 要求， 致使轴压比过大，无法满足轴压比限值所需的延性要求，对此确定采用碳纤维布对柱 进行包裹的加固方案。其理由一方面是碳
3、纤维的包裹对柱混凝土产生环箍作用，可在一定程 度上提高混凝土的轴心抗压强度；另一方面， 碳纤维对柱的横向约束作用还可显著提高柱在 水平荷载下的延性，满足轴压比的延性要求。 加固材料采用美国赫氏单向碳纤维布环氧复合材料。通过对承载力和延性的计算，对 强度较低的3 根柱采用沿整个柱高范围包裹3 层碳纤维布的方案， 对其他 6 根柱采用沿整个 柱高度范围内包裹2 层碳纤维布的方案。加固方案如图1 所示。 1.2 加固承载力和延性分析 经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。 原结构为800 800 框架柱，层高3.6m。根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪 承载力的提高可按下式计算2 ：
4、 VCFS=CFSfCFSbho 对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为： VCFS=2tfCFSho 式中， t 为包裹的碳纤维厚度，fCFS为碳纤维的极限抗拉强度，ho为混凝土截面有效高 度， 为碳纤维布受剪系数，按下式计算： 2.1 )15. 06 .04.0(6 .1 CFSsv n 式中 n 为轴压比， 为剪跨比， sv+CFS为总配箍特征值。 设计混凝土强度为C40，按此计算，单根柱的抗剪承载力应为1312KN。对强度较低的 3 根柱，最低混凝土强度为28.3Mpa，未加固时的抗剪承载力为1031KN 。包裹 3 层碳纤维， 可算出承载力提高值为319KN ， 则加固后总承载力为
5、1350KN ， 高于设计承载力。 对另 6 根柱， 最低混凝土强度为35Mpa ，未加固时的抗剪承载力为1209KN。包裹 2层碳纤维， 可算出承载 力的提高值为246KN ，加固后总承载力为1455KN ，也高于设计承载力。 根据有关试验结果，当轴压比确定时，碳纤维加固柱延性系数随强剪弱弯系数Vs/VM 基本呈线性增长。当轴压比为0.48 时，有如下拟合公式 3 ： =-1.278+5.233V s/VM 由上式可见，碳纤维抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系数就越大。 另外，根据文献4 ，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比有如下关系： Af N bsf fA cc yvsv
6、12. 003.0 上式表明，当轴压比增大时，为保持延性系数不变，应适当增加配箍率。 按保守估算，对本工程假设由于混凝土强度降低导致柱轴压比增大值为0.3 ，则对应 所需的配箍特征系数增量为0.066 ，而本加固方案新增碳纤维配箍特征系数为0.097 ，完全 能满足要求。 由上述分析可见，当用碳纤维加固钢筋混凝土柱以提高抗震能力时，应根据承载力和 延性指标确定碳纤维布的用量。 2、碳纤维用于楼板抗弯加固 碳纤维材料由于具有很高的抗拉强度，可以用于混凝土构件的抗弯加固。碳纤维用于 抗弯加固时， 纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向，另外， 计算加固结构的抗弯承载力 时，也应考虑对碳纤维极限强度的
7、折减。下面以工程实例说明碳纤维抗弯加固方法。 2.1 工程概况 某现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，原楼板厚120 ，现拟在其上增加一大型鱼缸。 重 3.6t ，鱼缸底座尺寸4.6m1.2m（图 2） 。由于新增荷载较大，须对原结构进行加固。 2.2 内力分析 如图 2 所示，鱼缸合力作用点离剪力墙轴线1.4m。内力计算采用有限元法，将楼板按 1m宽板带划分为若干单元。原结构荷载中，恒载考虑板的自重，装修层按水磨石地面考虑， 活载标准值取2.5KN/ 。剪力墙部位对板带的约束按固定支座考虑，柱对梁的约束亦按固 定支座考虑，梁板节点按刚接计算。主要内力计算结果说明如下。 在鱼缸作用下，板的弹性挠度
8、为0.9 左右，满足正常使用要求，但前提是板的抗 弯能力能够抵抗新增的荷载。 放置鱼缸部位的楼板在剪力墙部位新增的负弯矩为4.6KNm ，在板跨中部位新增的 正弯矩为1.8KN m ，而原结构所能抵抗的弯矩基本与原荷载持平。板的抗剪能力也足以承 担新增荷载。 梁 L10 在与梁 ZL3 相交的部位，其负弯矩也超出抗弯能力5.2KNm ，梁 L10 的跨中 正弯矩超出4.5KNm 。 根据上述计算结果，原结构在鱼缸作用下抗弯能力不足，可采用碳纤维结合粘钢加固。 2.3 加固方案 首先，楼板负弯矩区在剪力墙部位需要加固，由于碳纤维不易锚固，故采用粘钢板加 固法，本文不予详述。对于楼板正弯矩区，可采
9、用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明，一 方面， 当加固碳纤维布用量较大时，在楼板承载力极限状态所能达到的强度较低，无法充分 发挥其强度；另一方面，若减少碳纤维材料用量，其在承载力极限状态可达到较高的应力， 但由于碳纤维弹性模量与钢材接近，在正常使用极限状态下板就可能由于挠度过大而破坏。 另外， 碳纤维材料易发生脆性破坏，强度也应按保守取值。加固板的抗弯承载力按平衡条件 计算，根据文献5 ，碳纤维材料的极限拉应力取为极限强度的一半。 根据计算结果， 拟沿短跨方向粘贴双层200宽纤维布， 每两块纤维布间净距也为200 ，加固方案见图3。 3、碳纤维加固方法的适用性 如上所述，碳纤维可成功地用于混凝
10、土结构的抗震、抗剪和抗弯加固。但应该指出， 由于碳纤维加固结构固有的一些受力特点，许多混凝土结构问题不适于用碳纤维进行加固， 因此有必要对其适用性作出分析。 3.1 刚度问题 当混凝土楼、屋盖结构由于刚度不足，导致变形过大、开裂严重而影响使用时，不适 合用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明，对于梁、板等横向受力构件，当用碳纤维进行加 固时，在正常使用极限状态，碳纤维对结构刚度的提高作用小于10% ，或基本没有提高。 3.2 碳纤维抗弯加固的适用范围 当混凝土结构由于抗弯承载力不够，采用碳纤维布进行加固时，加固结构的破坏形态 一方面取决于原结构的配筋情况，另一方面取决于碳纤维的用量。现假设原结构为
11、适筋构件， 则加固结构的破坏形态可分为如下三种情况。 碳纤维用量较少。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可以达到 较高的拉应变。 碳纤维用量适中。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可达到某 一中等拉应变。 碳纤维用量较多。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维应变很低。 上述三种情况，第三种情况由于碳纤维用量大且强度利用率低，不宜采用。第一种加 固方法适用于截面高度较大的梁，第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。这主要 是由于对板或扁梁而言，在碳纤维未达到很高的拉应变时，结构就可能由于变形过大而破坏。 具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。 3.
12、3 抗扭问题 关于用碳纤维材料进行混凝土结构的抗扭加固，目前国内外进行的研究很少。从混凝 土结构的受扭破坏机理上看，不论使碳纤维的纤维方向垂直于轴线，还是平行于轴线，均可 以约束扭转斜裂缝的发展，起到一定的加固效果。 但是，由于用碳纤维进行加固时，一方面构件裂缝已经形成，裂缝分布已经确定；另 一方面由于碳纤维的极限应变可高达10000以上，而普通钢筋应变不到2000即已屈 服，若应变加到4000 以上时混凝土裂缝宽度已开展很大，必然开始向其他表面发展， 结构即已接近破坏，而此时碳纤维所能达到的应力可能还很低，因此碳纤维加固受扭构件的 效果有必要通过进一步研究确定。 4、结论 碳纤维加固法可用于
13、对混凝土结构抗弯、抗剪和抗震加固，但各有适用范围。计算 承载力时，应根据试验结果考虑碳纤维强度的折减。 碳纤维加固法不适于混凝土结构由于刚度不足，变形过大，在正常使用极限状态的 加固。当用于抗扭加固时，虽能起一定的作用，但并不经济，需通过进一步试验研究确定。 参考文献 1 张柯，丘清瑞等.碳纤维布加固混凝土柱改善延性试验研究. 中国首届纤维增强塑料（FRP ）混凝土结构 学术交流会论文集.2000.6 2 叶列平，赵树红等. 碳纤维布加固混凝土柱的斜截面受剪承载力计算. 中国首届纤维增强塑料（FRP ）混 凝土结构学术交流会论文集.2000.6 3 张柯，丘清瑞等. 碳纤维布加固混凝土柱抗震性能分析及目标延性系数确定. 中国首届纤维增强塑料 （FRP ）混凝土结构学术交流会论文集.2000.6 4 邹银生 . 多层钢筋混凝土框架柱的抗震设计.中国建筑科学研究院编. 钢筋混凝土结构设计与构造，1985 5 吴刚， 安琳，吕志涛 . 碳纤维布用于混凝土梁抗弯加固的试验研究与分析. 中国首届纤维增强塑料（FRP ） 混凝土结构学术交流会论文集.2000.6