混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)及其適用性

1、混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)及其適用性利用高強(qiáng)非金屬纖維類材料，如碳纖維、玻璃纖維等對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法，具有耐久 性好，施工簡便，不加大截面，不增加荷載，外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，已成功用于多種結(jié)構(gòu)的抗震、 抗彎和抗剪加固。但是，碳纖維加固方法也有其適用范圍，本文通過幾個(gè)工程實(shí)例，分析用 碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其適用性。1、碳纖維用于抗震加固試驗(yàn)研究表明，用碳纖維材料包裹鋼筋混凝土柱，使纖維方向與柱軸線相垂直，可以有 效提高柱的延性和承載力，增加其抗震耗能能力 10另外，剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，其 破壞形態(tài)不外乎受彎延性破壞（中高剪力墻）或受剪脆性破壞（低剪力墻）。將碳纖維用于加固剪力墻，只要

2、方法適當(dāng)，也可顯著提高其延性和承載力。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加 固是碳纖維材料應(yīng)用的一個(gè)有效領(lǐng)域。但應(yīng)指出，用碳纖維對柱或剪力墻進(jìn)行加固時(shí)，由于 碳纖維本身屬預(yù)柔性材料，通過結(jié)構(gòu)膠與被加固結(jié)構(gòu)粘結(jié)，這就要求被加固結(jié)構(gòu)混凝土須滿 足一定的強(qiáng)度要求，才有可能發(fā)揮碳纖維的加固效果。以下以實(shí)際工程為例說明碳纖維加固 鋼筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。1.1 工程概況和加固方案某多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，施工驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)有 9根框架柱混凝土強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要 求，致使軸壓比過大，無法滿足軸壓比限值所需的延性要求，對此確定采用碳纖維布對柱進(jìn) 行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纖維的包裹對柱混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作

3、用，可在一定程度 上提高混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；另一方面，碳纖維對柱的橫向約束作用還可顯著提高柱在水 平荷載下的延性，滿足軸壓比的延性要求。加固材料采用美國赫氏單向碳纖維布環(huán)氧復(fù)合材料。通過對承載力和延性的計(jì)算，對強(qiáng) 度較低的3根柱采用沿整個(gè)柱高范圍包裹 3層碳纖維布的方案，對其他6根柱采用沿整個(gè)柱 高度范圍內(nèi)包裹2層碳纖維布的方案。加固方案如圖1所示。1.2 加固承載力和延性分析經(jīng)碳纖維加固后，可以顯著提高框架柱的抗剪承載力和延性。原結(jié)構(gòu)為800 nlm X 800 mm框架柱，層高3.6m。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，碳纖維加固后抗剪承載力的提高可按下式計(jì)算2:VCFS= Y p CFf CFSbho

4、對本工程的全包裹加固方案，該公式可改寫為：VcfS=2 Y tf CFSho式中，t為包裹的碳纖維厚度，fcFS為碳纖維的極限抗拉強(qiáng)度，ho為混凝土截面有效高度，V為碳纖維布受剪系數(shù)，按下式計(jì)算：1.6(0.4 二 0.6n_0.15_)'','sv ' CFS 1.2式中n為軸壓比，入為剪跨比，入sv+入CFS為總配箍特征值。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為 C40,按此計(jì)算，單根柱的抗剪承載力應(yīng)為1312KN對強(qiáng)度較低的 3根柱，最低混凝土強(qiáng)度為28.3Mpa,未加固時(shí)的抗剪承載力為1031KNI包裹3層碳纖維，可算出承載力提高值為319KN,則加固后總承載力為 1350K

5、N,高于設(shè)計(jì)承載力。對另 6根柱，最低混凝土強(qiáng)度為35Mpa,未加固時(shí)的抗剪承載力為1209Kz包裹2層碳纖維，可算出承載力的提高值為246KN,加固后總承載力為1455KN,也高于設(shè)計(jì)承載力。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)軸壓比確定時(shí)，碳纖維加固柱延性系數(shù)科隨強(qiáng)剪弱彎系數(shù) Vs/Vm基本呈線性增長。當(dāng)軸壓比為 0.48時(shí)，有如下擬合公式 網(wǎng)：科=-1.278+5.233V s/Vm由上式可見，碳纖維抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系數(shù)就越大。另外，根據(jù)文獻(xiàn)4,當(dāng)延性系數(shù)保持不變時(shí)，配箍特征系數(shù)與軸壓比有如下關(guān)系：Asv f yvfcbs=0.03 0.12上式表明，當(dāng)軸壓比增大時(shí)，為保持延性系數(shù)

6、不變，應(yīng)適當(dāng)增加配箍率。按保守估算，對本工程假設(shè)由于混凝土強(qiáng)度降低導(dǎo)致柱軸壓比增大值為0.3 ,則對應(yīng)所需的配箍特征系數(shù)增量為0.066 ,而本加固方案新增碳纖維配箍特征系數(shù)為0.097 ,完全能滿足要求。由上述分析可見，當(dāng)用碳纖維加固鋼筋混凝土柱以提高抗震能力時(shí)，應(yīng)根據(jù)承載力和延性指標(biāo)確定 碳纖維布的用量。2、碳纖維用于樓板抗彎加固碳纖維材料由于具有很高的抗拉強(qiáng)度，可以用于混凝土構(gòu)件的抗彎加固。碳纖維用于抗彎加固時(shí)， 纖維粘貼方向應(yīng)平行于構(gòu)件的主受力方向，另外，計(jì)算加固結(jié)構(gòu)的抗彎承載力時(shí)，也應(yīng)考慮對碳纖維極限 強(qiáng)度的折減。下面以工程實(shí)例說明碳纖維抗彎加固方法。2.1 工程概況某現(xiàn)澆鋼筋混凝土

7、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，原樓板厚 120 mm,現(xiàn)擬在其上增加一大型魚缸。重 3.6t ,魚缸S2 黏乎轉(zhuǎn)黜底座尺寸4.6mX1.2m （圖2）。由于新增荷載較大，須對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。2.2 內(nèi)力分析如圖2所示，魚缸合力作用點(diǎn)離剪力墻軸線1.4m。內(nèi)力計(jì)算采用有限元法，將樓板按1m 寬板帶劃分為若干單元。原結(jié)構(gòu)荷載中，包載考慮板的自重，裝修層按水磨石地面考慮，活 載標(biāo)準(zhǔn)值取2.5KN/W。剪力墻部位對板帶的約束按固定支座考慮，柱對梁的約束亦按固定支 座考慮，梁板節(jié)點(diǎn)按剛接計(jì)算。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果說明如下。在魚缸作用下，板的彈性撓度為 0.9 cm左右，滿足正常使用要求，但前提是板的抗彎 能力能夠抵抗新

8、增的荷載。放置魚缸部位的樓板在剪力墻部位新增的負(fù)彎矩為4.6KN m,在板跨中部位新增的正彎矩為1.8KN-m,而原結(jié)構(gòu)所能抵抗的彎矩基本與原荷載持平。板的抗剪能力也足以承擔(dān)新 增荷載。梁L10在與梁ZL3相交的部位，其負(fù)彎矩也超出抗彎能力 5.2KN m,梁L10的跨中正 彎矩超出4.5KN - m根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在魚缸作用下抗彎能力不足，可采用碳纖維結(jié)合粘鋼加固。2.3 加固方案首先，樓板負(fù)彎矩區(qū)在剪力墻部位需要加固，由于碳纖維不易錨固，故采用粘鋼板加固 法，本文不予詳述。對于樓板正彎矩區(qū)，可采用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，一方 面，當(dāng)加固碳纖維布用量較大時(shí)，在樓板承載力極限

9、狀態(tài)所能達(dá)到的強(qiáng)度較低，無法充分發(fā)揮其強(qiáng)度；另一方面，若減少碳纖維材料用量，其在承載力極限狀態(tài)可達(dá)到較高的應(yīng)力，但 由于碳纖維彈性模量與鋼材接近，在正常使用極限狀態(tài)下板就可能由于撓度過大而破壞。另 外，碳纖維材料易發(fā)生脆性破壞，強(qiáng)度也應(yīng)按保守取值。加固板的抗彎承載力按平衡條件計(jì) 算，根據(jù)文獻(xiàn)5,碳纖維材料的極限拉應(yīng)力取為極限強(qiáng)度的一半。200根據(jù)計(jì)算結(jié)果，擬沿短跨方向粘貼雙層200 nlm寬纖維布，每兩塊纖維布問凈距也為mm,加固方案見圖3。3、碳纖維加固方法的適用性如上所述，碳纖維可成功地用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪和抗彎加固。但應(yīng)該指出，由 于碳纖維加固結(jié)構(gòu)固有的一些受力特點(diǎn)，許多混凝土結(jié)構(gòu)

10、問題不適于用碳纖維進(jìn)行加固，因 此有必要對其適用性作出分析。3.1 剛度問題當(dāng)混凝土樓、屋蓋結(jié)構(gòu)由于剛度不足，導(dǎo)致變形過大、開裂嚴(yán)重而影響使用時(shí)，不適合 用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對于梁、板等橫向受力構(gòu)件，當(dāng)用碳纖維進(jìn)行加固 時(shí)，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對結(jié)構(gòu)剛度的提高作用小于 10%或基本沒有提高。3.2 碳纖維抗彎加固的適用范圍當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進(jìn)行加固時(shí)，加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)一 方面取決于原結(jié)構(gòu)的配筋情況，另一方面取決于碳纖維的用量。現(xiàn)假設(shè)原結(jié)構(gòu)為適筋構(gòu)件， 則加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可分為如下三種情況。碳纖維用量較少。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈

11、服，碳纖維可以達(dá)到較 高的拉應(yīng)變。碳纖維用量適中。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達(dá)到某一 中等拉應(yīng)變。碳纖維用量較多。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維應(yīng)變很低。上述三種情況，第三種情況由于碳纖維用量大且強(qiáng)度利用率低，不宜采用。第一種加固 方法適用于截面高度較大的梁，第二種加固方法適用于截面高度較小的板或扁梁。這主要是 由于對板或扁梁而言，在碳纖維未達(dá)到很高的拉應(yīng)變時(shí)，結(jié)構(gòu)就可能由于變形過大而破壞。 具體界限取決于碳纖維極限拉應(yīng)變和加載方式。3.3 抗扭問題關(guān)于用碳纖維材料進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的抗扭加固，目前國內(nèi)外進(jìn)行的研究很少。從混凝土 結(jié)構(gòu)的受扭破壞機(jī)理上看，不

12、論使碳纖維的纖維方向垂直于軸線，還是平行于軸線，均可以 約束扭轉(zhuǎn)斜裂縫的發(fā)展，起到一定的加固效果。但是，由于用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，一方面構(gòu)件裂縫已經(jīng)形成，裂縫分布已經(jīng)確定；另一 方面由于碳纖維的極限應(yīng)變可高達(dá) 10000 H £以上，而普通鋼筋應(yīng)變不到2000小£即已屈服, 若應(yīng)變加到4000小£以上時(shí)混凝土裂縫寬度已開展很大，必然開始向其他表面發(fā)展，結(jié)構(gòu)即 已接近破壞，而此時(shí)碳纖維所能達(dá)到的應(yīng)力可能還很低，因此碳纖維加固受扭構(gòu)件的效果有 必要通過進(jìn)一步研究確定。4、結(jié)論碳纖維加固法可用于對混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪和抗震加固，但各有適用范圍。計(jì)算承 載力時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果考慮碳纖維強(qiáng)度的折減。碳纖維加固法不適于混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度不足，變形過大，在正常使用極限狀態(tài)的加 周。當(dāng)用于抗扭加固時(shí)，雖能起一定的作用，但并不經(jīng)濟(jì)，需通過進(jìn)一步試驗(yàn)研究確定。參考文獻(xiàn)1張柯，丘清瑞等.碳纖維布加固混凝土柱改善延性試驗(yàn)研究 .中國首屆纖維增強(qiáng)塑料（FRPP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會論文 集.2000.62葉列平，趙樹紅等.碳纖維布加固混凝土柱的斜截面受剪承載力計(jì)算 .中國首屆纖維增強(qiáng)塑料 （FRP）混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流 會論