建筑工程師職稱范文纖維加固混凝土抗震性能

　　摘要：利用高強(qiáng)非金屬纖維類材料，如碳纖維、玻璃纖維等對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法，具有耐久性好、施工簡(jiǎn)便、不加大截面、不增加荷載、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，已成功運(yùn)用于多種結(jié)構(gòu)的抗震、抗彎和抗剪加固。本文提出碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)所用的碳纖維和粘結(jié)材料的性能及在抗震加固中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：混凝土,結(jié)構(gòu),加固,碳纖維,粘結(jié)材料,抗震加固

　　1 碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP) 加固補(bǔ)強(qiáng)的發(fā)展

　　混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)。由于施工質(zhì)量、地震、改變使用功能及劣化等多方面的原因，都迫切需要進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)。特別是近年來(lái)，對(duì)大量現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和翻新，最大程度地利用現(xiàn)有的建筑資源，保證其使用安全，延長(zhǎng)使用年限，是當(dāng)今國(guó)際工程界關(guān)注的一個(gè)重大課題。

　　現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加固和翻新改造技術(shù)，可分為四大類：(1)加大截面加固法(又稱增厚法，即在原結(jié)構(gòu)上再澆注一定厚度的鋼筋混凝土);(2)外包鋼加固法;(3)預(yù)應(yīng)力加固法;(4)改變結(jié)構(gòu)傳力途徑加固法。應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics，of Fiber Rein—forced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP)尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)、加固和釋新改造的新技術(shù)，近幾年在國(guó)際上深受重視并已經(jīng)獲得較大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其優(yōu)越性已在日本大坂和美國(guó)洛杉磯地震中對(duì)被損壞建筑結(jié)構(gòu)物的修復(fù)中得到很好的驗(yàn)證。

　　我國(guó)是世界上混凝土結(jié)構(gòu)使用最多的國(guó)家。資料表明我國(guó)有相當(dāng)多的混凝土結(jié)構(gòu)面臨劣化、強(qiáng)度不足、耐久性和安全性過(guò)低的問(wèn)題，急需對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，提高耐久性，保證安全使用。另一方面。許多新舊建筑由于增加或改變使用功能，更需要加固補(bǔ)強(qiáng)，翻新改造。因此，研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型碳纖維增強(qiáng)系列材料是建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　目前，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)成熟并在工程中使用的FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)主要有三種：CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)，AFRP(芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)和GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)。但實(shí)際證明CFRP具有其他纖維可無(wú)比擬的高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點(diǎn)。表2列出了各種加固方法的比較，充分說(shuō)明碳纖維的優(yōu)越性，因此，CFRP在國(guó)內(nèi)外用量最大。碳纖維的缺點(diǎn)是有導(dǎo)電性，因此不能應(yīng)用在要求絕緣的場(chǎng)合，同時(shí)要注意克服碳纖維的脆性破壞。

　　2用CFRP加固補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題

　　現(xiàn)有常見(jiàn)的FRP應(yīng)用中，從各方面性能來(lái)看大多優(yōu)先采用CFRP。不論是CFRP布或是CFRP索，在工程中的應(yīng)用都比較適合。另外CFRP布應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固是比較合適的途徑和方式。不僅可用于建筑結(jié)構(gòu)或是橋梁結(jié)構(gòu)的承載力加固，也可用于抗震加固，而且也可用于人防工程的結(jié)構(gòu)加固等。

　　碳纖維是化學(xué)纖維領(lǐng)域的一個(gè)很大的族系。雖然在建筑行業(yè)中使用碳纖維加固只有十年左右的時(shí)間，但是碳纖維材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)良的性能受到了人們的青睞。20世紀(jì)50年代后人們主要研究如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)碳纖維，如何提高碳纖維的強(qiáng)度和模量這個(gè)方向上。現(xiàn)在生產(chǎn)碳纖維已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)時(shí)提出的高強(qiáng)度、高模量、重量輕、耐高溫的要求，并不斷發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量對(duì)建筑行業(yè)是十分重要的，尤其是對(duì)已有橋梁，在使橋梁提高同樣承載力的情況下，采用鋼材加固和采用碳纖維加固比較，附加的重量可以減少到原來(lái)的1/30，僅從附加重量就可以凸現(xiàn)出碳纖維加固的效果。各種加固方法的比較(見(jiàn)表1)

　　目前，研究CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)很多，但大部分都是定性分析，缺少定量計(jì)算和研究，設(shè)計(jì)公式中含有很多經(jīng)驗(yàn)成分，對(duì)于各種破壞模式特別是抗震性能的探討還非常有限。另外我國(guó)還沒(méi)有FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究和技術(shù)儲(chǔ)備。我國(guó)是地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、成災(zāi)率較高。建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固研究一直是地震工程領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，由于柱的破壞或損傷會(huì)導(dǎo)致建筑物倒塌而產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，首先通過(guò)定量研究不同國(guó)家、地區(qū)CFRP加固混凝土柱的規(guī)范和規(guī)程，力求探索CFRP用量與提高混凝土柱抗震性能的定量關(guān)系，進(jìn)而定量研究碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)和參數(shù)等，為今后我國(guó)制定國(guó)家規(guī)范提供參考，具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

　　3 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。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(duì)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(guò)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(shuō)明碳纖維加固鋼筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。

　　3.1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(guò)大，無(wú)法滿足軸壓比限值所需的延性要求，對(duì)此決定采用碳纖維布對(duì)柱進(jìn)行包裹的加固方案。其理由一方面是因?yàn)樘祭w維的包裹對(duì)柱混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作用，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(duì)柱的橫向約束作用還可顯著提高柱在水平荷載下的延性。

　　通過(guò)對(duì)承載力和延性的計(jì)算，對(duì)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(duì)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。

　　3.2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800m╳800m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面公式計(jì)算：

　　VCFS=νρCFSfCFSbho

　　對(duì)本工程的全包裹加固方案，該公式可改寫為：

　　VCFS=2νtfCFSho

　　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：

　　式中n 為軸壓比，λ為剪跨比，λsv+λCFS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(duì)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1031KN。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1350KN，高于設(shè)計(jì)承載力。對(duì)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1209KN。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)μ隨強(qiáng)剪弱彎系數(shù)Vs/VM基本呈線性增長(zhǎng)。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)，當(dāng)延性系數(shù)保持不變時(shí)，配箍特征系數(shù)與軸壓比呈正相關(guān)的關(guān)系。即當(dāng)軸壓比增大時(shí)，為保持延性系數(shù)不變，應(yīng)適當(dāng)增加配箍率。

　　由上述分析可見(jiàn)，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。

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