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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