碳纤维材料在某公共建筑抗震加固中的应用

碳纤维材料在某公共建筑抗震加固中的应用张轲肖国平于虹1、结构的鉴定分析某公共建筑使用功能为教学楼，建于1960年，主体为4层双排柱内框架结构，内框柱采用独立基础，基础埋深-3.2m，建筑高度20.4m，局部区域为4层砖砌体结构，建筑面积8267㎡，平面布置如图1所示。该建筑物由于建造时间较早，设计时未考虑抗震设防。内框架节点区梁、柱端部箍筋未加密，为使建筑物具有足够的抗震能力，按照《建筑抗震鉴定标准》（GB0023-95）对该楼进行抗震鉴定，结论表明，内框架梁柱节点区因箍筋直径及间距设置不满足要求必须进行抗震加固。图1结构平面示意图2、抗震加固方案的确定框架结构梁柱节点区由于受力复杂，规范中为保证“强节点、弱构件”的设计原则，通常采取在柱端和梁端一定区域箍筋加密的原则，防止节点区的脆性破坏，增强结构的抗震性能。本工程由于工期、资金和建筑功能的要求，对加固方案提出了很多限制，传统的抗震加固方案难以实施。在此基础上，我们通过制定各种合理方案，比较各方案的优缺点，从而确定最佳方案。2.1方案1——粘钢加固法粘钢加固法是目前国内应用较普遍的传统的加固方法，但由于在粘结胶和钢板的交接面处容易发生锈蚀，从而削弱粘结强度，因而影响加固效果。2.2方案2——粘碳纤维加固法碳纤维复合材料（CFRP）加固修复混凝土结构技术是20世纪80年代末90年代初在美、日等发达国家兴起的一项新型结构加固技术，与粘钢法相比，这种方法没有界面粘结强度的削弱问题，碳纤维加固法以其材料优越的力学性能（图2）、简便的施工工艺（图3）在土木工程加固改造中得到了越来越广泛的应用。该项技术与传统的加固方法相比有许多明显的优点，如高强高效、施工便捷、适用面广、良好的材料耐久性等。本工程由于对加固技术的要求较高，传统的加固方法难以奏效，而碳纤维加固由于具有需要的设备、机具较少，不会产生明火，不改变原有结构的尺寸，不增加原有结构的荷载，施工影响较小等特点，比较适合。各方案比较见表1，可以看出，对本工程来说，方案2是一种较合适的加固方法。表1碳纤维加固方法与其他加固方法比较影响因素加大截面法、粘钢加固法等传统加固方法粘贴碳纤维加固方法①对原结构自重断面等的影响影响较大，结构自重增大，截面尺寸增大，净空减小基本不增加结构自重和截面尺寸，为布状片材，每平方米重量约2N，每层厚度仅0.111㎜，而且强度为钢的10倍以上②施工工艺施工工序较繁琐，有湿作业，需要相关的机械设备，需占用较大场地、空间施工便捷，手工操作，无需大型机具，没有湿作业，施工工效高③耐久性外加钢结构易发生锈蚀，需定期维护耐酸碱盐及大气环境的腐蚀，基本不需后期维护④工期较长较短⑤工程造价较低长期经济效益佳图2纤维复合材料与金属材料各项性能对比示意1－钢，2－铝，3－复合材料图3碳纤维布加固的施工工艺3、结构的加固设计及加固效果3.1结构的加固设计碳纤维材料为线弹性材料，其本构关系如图4所示。图4材料本构关系图5CFS约束下混凝土柱的轴向应力－应变关（准备工作）临时设施工程（脚手架）（基层处理工作）修补裂缝，去除损伤劣化的混凝土并进行修补，混凝土表面打磨平整，将转角打磨成圆弧形（涂敷基底树脂工作）确认混凝土表面状态，搅拌、涂敷基底树脂并用腻子找平结构表面（铺贴碳纤维布工作）绘制碳纤维布的设计图→裁剪碳纤维布→铺贴基准放线→确认基底树脂面状态（多层铺贴时）→搅拌树脂→涂树脂→铺贴碳纤维布→表面涂粘贴树脂→涂装、搅砂浆、耐火喷涂系模型混凝土柱采用碳纤维约束后的应力-应变的函数关系[1]模型，如图5所示，该模型应力-应变关系与试验值吻合较好，可以很好地反映CFS的约束效果。采用碳纤维布环向粘贴加固混凝土柱时，能提高柱子受剪承载力并增大延性系数，其延性加固效果非常明显；加固柱子时碳纤维的作用相当于箍筋，但由于有混凝土保护层的存在，其对内部混凝土的约束比箍筋更有效。加固设计时在混凝土梁柱原有箍筋的基础上，沿垂直于构件轴向U形或环向粘贴碳纤维，其总折算配箍特征率满足相应规范要求，节点区抗震性能显著增强。加固设计及施工如图6所示。图6碳纤维加固示意1－梁侧U型粘贴碳纤维布宽200mm，间隔200mm；2－柱环形粘贴一层20型碳纤维布宽200mm，间隔200mm3.2结构的加固效果节点区采用碳纤维材料加固处理后，梁柱断面尺寸和重量没有增加，构件外形没有改变，其加固效果如图7所示。图7节点加固详图4、结论本工程的主体结构加固改造已完工，碳纤维粘贴量为300㎡，整个工期为20d，保证了工期，加固质量也得到了很好的保征，收到了很好的综合效益。在建（构）筑物的抗震加固中，有许多问题有待我们去研究解决，本项目作为高性能纤维材料应用于土木工程中的一个实例，可为其它同类工程借鉴。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的试验研究.工业建筑，2000，30（2）：16～192国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心.北京大学200号数学力学楼抗震鉴定报告.19993中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（报批稿）》2001