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、外形美觀等優點，已成功運用于多種結構的抗震、抗彎和抗剪加固。本文提出碳纖維加固補強混凝土結構所用的碳纖維和粘結材料的性能及在抗震加固中的應用。

　　關鍵詞：混凝土,結構,加固,碳纖維,粘結材料,抗震加固

　　1 碳纖維增強材料(CFRP) 加固補強的發展

　　混凝土結構是土木工程中應用最多的一種結構。由于施工質量、地震、改變使用功能及劣化等多方面的原因，都迫切需要進行加固補強和修復。特別是近年來，對大量現有的建筑結構進行改造和翻新，最大程度地利用現有的建筑資源，保證其使用安全，延長使用年限，是當今國際工程界關注的一個重大課題。

　　現有結構加固和翻新改造技術，可分為四大類：(1)加大截面加固法(又稱增厚法，即在原結構上再澆注一定厚度的鋼筋混凝土);(2)外包鋼加固法;(3)預應力加固法;(4)改變結構傳力途徑加固法。應用纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastics，of Fiber Rein—forced Polymer，簡稱FRP)尤其是碳纖維增強復合材料(CFRP)對鋼筋混凝土結構進行修復、加固和釋新改造的新技術，近幾年在國際上深受重視并已經獲得較大發展和廣泛應用。其優越性已在日本大坂和美國洛杉磯地震中對被損壞建筑結構物的修復中得到很好的驗證。

　　我國是世界上混凝土結構使用最多的國家。資料表明我國有相當多的混凝土結構面臨劣化、強度不足、耐久性和安全性過低的問題，急需對這些結構進行加固補強，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，更需要加固補強，翻新改造。因此，研究、開發和應用新型碳纖維增強系列材料是建筑業可持續發展的必然趨勢。

　　目前，雖然已經開發成熟并在工程中使用的FRP(纖維增強復合材料)主要有三種：CFRP(碳纖維增強復合材料)，AFRP(芳綸纖維增強復合材料)和GFRP(玻璃纖維增強復合材料)。但實際證明CFRP具有其他纖維可無比擬的高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優點。表2列出了各種加固方法的比較，充分說明碳纖維的優越性，因此，CFRP在國內外用量最大。碳纖維的缺點是有導電性，因此不能應用在要求絕緣的場合，同時要注意克服碳纖維的脆性破壞。

　　2用CFRP加固補強的優點和需要進一步研究的問題

　　現有常見的FRP應用中，從各方面性能來看大多優先采用CFRP。不論是CFRP布或是CFRP索，在工程中的應用都比較適合。另外CFRP布應用于混凝土結構加固是比較合適的途徑和方式。不僅可用于建筑結構或是橋梁結構的承載力加固，也可用于抗震加固，而且也可用于人防工程的結構加固等。

　　碳纖維是化學纖維領域的一個很大的族系。雖然在建筑行業中使用碳纖維加固只有十年左右的時間，但是碳纖維材料以其輕質、高強、耐高溫等優良的性能受到了人們的青睞。20世紀50年代后人們主要研究如何進一步開發碳纖維，如何提高碳纖維的強度和模量這個方向上。現在生產碳纖維已經達到了當時提出的高強度、高模量、重量輕、耐高溫的要求，并不斷發展進步，已經在各領域得到廣泛應用。輕質、高強、高模量對建筑行業是十分重要的，尤其是對已有橋梁，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的1/30，僅從附加重量就可以凸現出碳纖維加固的效果。各種加固方法的比較(見表1)

　　目前，研究CFRP加固混凝土結構的文獻很多，但大部分都是定性分析，缺少定量計算和研究，設計公式中含有很多經驗成分，對于各種破壞模式特別是抗震性能的探討還非常有限。另外我國還沒有FRP加固混凝土結構的國家標準，需要進行大量的試驗研究和技術儲備。我國是地震災害最為嚴重的國家之一。地震活動頻度高、強度大、分布范圍廣、成災率較高。建筑結構的抗震加固研究一直是地震工程領域的一個重要方向。建筑結構在地震荷載作用下，由于柱的破壞或損傷會導致建筑物倒塌而產生嚴重的人員傷亡和經濟財產損失。因此，首先通過定量研究不同國家、地區CFRP加固混凝土柱的規范和規程，力求探索CFRP用量與提高混凝土柱抗震性能的定量關系，進而定量研究碳纖維加固混凝土結構抗震性能指標和參數等，為今后我國制定國家規范提供參考，具有理論和現實意義。

　　3 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。另外，剪力墻作為主要抗側力構件，其破壞形態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，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。

　　3.1工程概況和加固方案

　　某多層鋼筋混凝土框架結構，施工驗收時發現有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，對此決定采用碳纖維布對柱進行包裹的加固方案。其理由一方面是因為碳纖維的包裹對柱混凝土產生環箍作用，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。

　　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。

　　3.2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800m╳800m框架柱，層高3.6m 。根據有關研究結果，碳纖維加固后抗剪承載力的提高可按下面公式計算：

　　VCFS=νρCFSfCFSbho

　　對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度，ho為混凝土截面有效高度，V為碳纖維布受剪系數，按下式計算：

　　式中n 為軸壓比，λ為剪跨比，λsv+λCFS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，也高于設計承載力。

　　根據有關試驗結果，當軸壓比確定時，碳纖維加固柱延性系數μ隨強剪弱彎系數Vs/VM基本呈線性增長。碳纖維抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系數就越大。

　　另外，根據文獻，當延性系數保持不變時，配箍特征系數與軸壓比呈正相關的關系。即當軸壓比增大時，為保持延性系數不變，應適當增加配箍率。

　　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，應根據承載力和延性指標確定碳纖維布的用量。

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