混凝土結構碳纖維加固技術及其適用性

1、混凝土結構碳纖維加固技術及其適用性利用高強非金屬纖維類材料，如碳纖維、玻璃纖維等對結構進行加固的方法，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，已成功用于多種結構的抗震、 抗彎和抗剪加固。但是，碳纖維加固方法也有其適用范圍，本文通過幾個工程實例，分析用 碳纖維加固鋼筋混凝土結構的特點及其適用性。1、碳纖維用于抗震加固試驗研究表明，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力構件，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，也可顯著提高其延性和承載力。因此，鋼筋混凝土結構的抗震加 固是碳纖維材料應用的一個有效領域。但應指出，用碳纖維對柱或剪力墻進行加固時，由于 碳纖維本身屬預柔性材料，通過結構膠與被加固結構粘結，這就要求被加固結構混凝土須滿 足一定的強度要求，才有可能發(fā)揮碳纖維的加固效果。以下以實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構，施工驗收時發(fā)現(xiàn)有 9根框架柱混凝土強度不能滿足設計要 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 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)氧復合材料。通過對承載力和延性的計算，對強 度較低的3根柱采用沿整個柱高范圍包裹 3層碳纖維布的方案，對其他6根柱采用沿整個柱 高度范圍內包裹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。原結構為800 nlm X 800 mm框架柱，層高3.6m。根據(jù)有關研究結果，碳纖維加固后抗剪承載力的提高可按下式計算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。設計混凝土強度為 C40,按此計算，單根柱的抗剪承載力應為1312KN對強度較低的 3根柱，最低混凝土強度為28.3Mpa,未加固時的抗剪承載力為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,高于設計承載力。對另 6根柱，最低混凝土強度為35Mpa,未加固時的抗剪承載力為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,也高于設計承載力。根據(jù)有關試驗結果，當軸壓比確定時，碳纖維加固柱延性系數(shù)科隨強剪弱彎系數(shù) Vs/Vm基本呈線性增長。當軸壓比為 0.48時，有如下擬合公式 網：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4,當延性系數(shù)保持不變時，配箍特征系數(shù)與軸壓比有如下關系：Asv f yvfcbs=0.03 0.12上式表明，當軸壓比增大時，為保持延性系數(shù)

6、不變，應適當增加配箍率。按保守估算，對本工程假設由于混凝土強度降低導致柱軸壓比增大值為0.3 ,則對應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，當用碳纖維加固鋼筋混凝土柱以提高抗震能力時，應根據(jù)承載力和延性指標確定 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度，可以用于混凝土構件的抗彎加固。碳纖維用于抗彎加固時， 纖維粘貼方向應平行于構件的主受力方向，另外，計算加固結構的抗彎承載力時，也應考慮對碳纖維極限 強度的折減。下面以工程實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-剪力墻結構，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 黏乎轉黜底座尺寸4.6mX1.2m （圖2）。由于新增荷載較大，須對原結構進行加固。2.2 內力分析如圖2所示，魚缸合力作用點離剪力墻軸線1.4m。內力計算采用有限元法，將樓板按1m 寬板帶劃分為若干單元。原結構荷載中，包載考慮板的自重，裝修層按水磨石地面考慮，活 載標準值取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)點按剛接計算。主要內力計算結果說明如下。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,而原結構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新 增荷載。梁L10在與梁ZL3相交的部位，其負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)上述計算結果，原結構在魚缸作用下抗彎能力不足，可采用碳纖維結合粘鋼加固。2.3 加固方案首先，樓板負彎矩區(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，當加固碳纖維布用量較大時，在樓板承載力極限

9、狀態(tài)所能達到的強度較低，無法充分發(fā)揮其強度；另一方面，若減少碳纖維材料用量，其在承載力極限狀態(tài)可達到較高的應力，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，強度也應按保守取值。加固板的抗彎承載力按平衡條件計 算，根據(jù)文獻5,碳纖維材料的極限拉應力取為極限強度的一半。200根據(jù)計算結果，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構的抗震、抗剪和抗彎加固。但應該指出，由 于碳纖維加固結構固有的一些受力特點，許多混凝土結構

10、問題不適于用碳纖維進行加固，因 此有必要對其適用性作出分析。3.1 剛度問題當混凝土樓、屋蓋結構由于剛度不足，導致變形過大、開裂嚴重而影響使用時，不適合 用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對于梁、板等橫向受力構件，當用碳纖維進行加固 時，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對結構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混凝土結構由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進行加固時，加固結構的破壞形態(tài)一 方面取決于原結構的配筋情況，另一方面取決于碳纖維的用量。現(xiàn)假設原結構為適筋構件， 則加固結構的破壞形態(tài)可分為如下三種情況。碳纖維用量較少。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈

11、服，碳纖維可以達到較 高的拉應變。碳纖維用量適中。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達到某一 中等拉應變。碳纖維用量較多。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維應變很低。上述三種情況，第三種情況由于碳纖維用量大且強度利用率低，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，在碳纖維未達到很高的拉應變時，結構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變和加載方式。3.3 抗扭問題關于用碳纖維材料進行混凝土結構的抗扭加固，目前國內外進行的研究很少。從混凝土 結構的受扭破壞機理上看，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，由于用碳纖維進行加固時，一方面構件裂縫已經形成，裂縫分布已經確定；另一 方面由于碳纖維的極限應變可高達 10000 H £以上，而普通鋼筋應變不到2000小£即已屈服, 若應變加到4000小£以上時混凝土裂縫寬度已開展很大，必然開始向其他表面發(fā)展，結構即 已接近破壞，而此時碳纖維所能達到的應力可能還很低，因此碳纖維加固受扭構件的效果有 必要通過進一步研究確定。4、結論碳纖維加固法可用于對混凝土結構抗彎、抗剪和抗震加固，但各有適用范圍。計算承 載力時，應根據(jù)試驗結果考慮碳纖維強度的折減。碳纖維加固法不適于混凝土結構由于剛度不足，變形過大，在正常使用極限狀態(tài)的加 周。當用于抗扭加固時，雖能起一定的作用，但并不經濟，需通過進一步試驗研究確定。參考文獻1張柯，丘清瑞等.碳纖維布加固混凝土柱改善延性試驗研究 .中國首屆纖維增強塑料（FRPP混凝土結構學術交流會論文 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算 .中國首屆纖維增強塑料 （FRP）混凝土結構學術交流 會論