混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性..pdf

混凝土结构碳纤维加固技术及其适用性 刘航 李晨光 利用高强非金属纤维类材料，如碳纤维、玻璃纤维等对结构进行加固的方法，具有耐 久性好，施工简便，不加大截面，不增加荷载，外形美观等优点，已成功用于多种结构的抗 震、抗弯和抗剪加固。但是，碳纤维加固方法也有其适用范围，本文通过几个工程实例，分 析用碳纤维加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。 1、碳纤维用于抗震加固 试验研究表明，用碳纤维材料包裹钢筋混凝土柱，使纤维方向与柱轴线相垂直，可以 有效提高柱的延性和承载力，增加其抗震耗能能力 [1] 。另外，剪力墙作为主要抗侧力构件， 其破坏形态不外乎受弯延性破坏（中高剪力墙）或受剪脆性破坏（低剪力墙） 。将碳纤维用 于加固剪力墙， 只要方法适当， 也可显著提高其延性和承载力。因此， 钢筋混凝土结构的抗 震加固是碳纤维材料应用的一个有效领域。但应指出，用碳纤维对柱或剪力墙进行加固时， 由于碳纤维本身属预柔性材料， 通过结构胶与被加固结构粘结， 这就要求被加固结构混凝土 须满足一定的强度要求， 才有可能发挥碳纤维的加固效果。 以下以实际工程为例说明碳纤维 加固钢筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。 1.1 工程概况和加固方案 某多层钢筋混凝土框架结构，施工验收时发现有 9 根框架柱混凝土强度不能满足设计 要求， 致使轴压比过大， 无法满足轴压比限值所需的延性要求， 对此确定采用碳纤维布对柱 进行包裹的加固方案。 其理由一方面是碳纤维的包裹对柱混凝土产生环箍作用， 可在一定程 度上提高混凝土的轴心抗压强度； 另一方面， 碳纤维对柱的横向约束作用还可显著提高柱在 水平荷载下的延性，满足轴压比的延性要求。 加固材料采用美国赫氏单向碳纤维布环氧复合材料。通过对承载力和延性的计算，对 强度较低的 3 根柱采用沿整个柱高范围包裹 3 层碳纤维布的方案， 对其他 6 根柱采用沿整个 柱高度范围内包裹 2 层碳纤维布的方案。加固方案如图 1 所示。 1.2 加固承载力和延性分析 经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。 原结构为 800 ㎜× 800 ㎜框架柱，层高 3.6m。根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪 承载力的提高可按下式计算 [2] ： VCFS= νρCFSf CFSbho 对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为： VCFS=2 νtf CFSho 式中， t 为包裹的碳纤维厚度， f CFS为碳纤维的极限抗拉强度， ho 为混凝土截面有效高 度， ν为碳纤维布受剪系数，按下式计算： 1.6(0.4 0.6n 0.15 ) sv CFS 1.2 式中 n 为轴压比， λ为剪跨比， λsv + λCFS为总配箍特征值。 设计混凝土强度为 C40，按此计算，单根柱的抗剪承载力应为 1312KN。对强度较低的 3 根柱，最低混凝土强度为 28.3Mpa ，未加固时的抗剪承载力为 1031KN。包裹 3 层碳纤维， 可算出承载力提高值为 319KN，则加固后总承载力为 1350KN，高于设计承载力。 对另 6 根柱， 最低混凝土强度为 35Mpa，未加固时的抗剪承载力为 1209KN。包裹 2 层碳纤维， 可算出承载 力的提高值为 246KN，加固后总承载力为 1455KN，也高于设计承载力。