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1、碳纖維材料在某公共建筑抗震加固中的應用張軻 肖國平 于虹1、結構的鑒定分析某公共建筑使用功能為教學樓，建于1960年，主體為4層雙排柱內框架結構，內框柱采用獨立基礎，基礎埋深-3.2m，建筑高度20.4m，局部區域為4層磚砌體結構，建筑面積8267，平面布置如圖1所示。該建筑物由于建造時間較早，設計時未考慮抗震設防。內框架節點區梁、柱端部箍筋未加密，為使建筑物具有足夠的抗震能力，按照建筑抗震鑒定標準（GB0023-95）對該樓進行抗震鑒定，結論表明，內框架梁柱節點區因箍筋直徑及間距設置不滿足要求必須進行抗震加固。圖1 結構平面示意圖2、抗震加固方案的確定框架結構梁柱節點區由于受力復雜，規范中為2、保證“強節點、弱構件”的設計原則，通常采取在柱端和梁端一定區域箍筋加密的原則，防止節點區的脆性破壞，增強結構的抗震性能。本工程由于工期、資金和建筑功能的要求，對加固方案提出了很多限制，傳統的抗震加固方案難以實施。在此基礎上，我們通過制定各種合理方案，比較各方案的優缺點，從而確定最佳方案。2.1方案1粘鋼加固法粘鋼加固法是目前國內應用較普遍的傳統的加固方法，但由于在粘結膠和鋼板的交接面處容易發生銹蝕，從而削弱粘結強度，因而影響加固效果。2.2方案2粘碳纖維加固法碳纖維復合材料（CFRP）加固修復混凝土結構技術是20世紀80年代末90年代初在美、日等發達國家興起的一項新型結構加固技術，與粘鋼法相比3、，這種方法沒有界面粘結強度的削弱問題，碳纖維加固法以其材料優越的力學性能（圖2）、簡便的施工工藝（圖3）在土木工程加固改造中得到了越來越廣泛的應用。該項技術與傳統的加固方法相比有許多明顯的優點，如高強高效、施工便捷、適用面廣、良好的材料耐久性等。本工程由于對加固技術的要求較高，傳統的加固方法難以奏效，而碳纖維加固由于具有需要的設備、機具較少，不會產生明火，不改變原有結構的尺寸，不增加原有結構的荷載，施工影響較小等特點，比較適合。各方案比較見表1，可以看出，對本工程來說，方案2是一種較合適的加固方法。表1 碳纖維加固方法與其他加固方法比較影響因素加大截面法、粘鋼加固法等傳統加固方法粘貼碳纖維加固4、方法對原結構自重斷面等的影響影響較大，結構自重增大，截面尺寸增大，凈空減小基本不增加結構自重和截面尺寸，為布狀片材，每平方米重量約2N，每層厚度僅0.111，而且強度為鋼的10倍以上施工工藝施工工序較繁瑣，有濕作業，需要相關的機械設備，需占用較大場地、空間施工便捷，手工操作，無需大型機具，沒有濕作業，施工工效高耐久性外加鋼結構易發生銹蝕，需定期維護耐酸堿鹽及大氣環境的腐蝕，基本不需后期維護工期較長較短工程造價較低長期經濟效益佳圖2 纖維復合材料與金屬材料各項性能對比示意1鋼，2鋁，3復合材料（準備工作）臨時設施工程（腳手架）（基層處理工作）修補裂縫，去除損傷劣化的混凝土并進行修補，混凝土表面打5、磨平整，將轉角打磨成圓弧形（涂敷基底樹脂工作）確認混凝土表面狀態，攪拌、涂敷基底樹脂并用膩子找平結構表面（鋪貼碳纖維布工作）繪制碳纖維布的設計圖裁剪碳纖維布鋪貼基準放線確認基底樹脂面狀態（多層鋪貼時）攪拌樹脂涂樹脂鋪貼碳纖維布表面涂粘貼樹脂涂裝、攪砂漿、耐火噴涂圖3 碳纖維布加固的施工工藝3、結構的加固設計及加固效果3.1結構的加固設計碳纖維材料為線彈性材料，其本構關系如圖4所示。 圖4 材料本構關系 圖5 CFS約束下混凝土柱的軸向應力應變關系模型混凝土柱采用碳纖維約束后的應力-應變的函數關系1模型，如圖5所示，該模型應力-應變關系與試驗值吻合較好，可以很好地反映CFS的約束效果。采用碳纖維6、布環向粘貼加固混凝土柱時，能提高柱子受剪承載力并增大延性系數，其延性加固效果非常明顯；加固柱子時碳纖維的作用相當于箍筋，但由于有混凝土保護層的存在，其對內部混凝土的約束比箍筋更有效。加固設計時在混凝土梁柱原有箍筋的基礎上，沿垂直于構件軸向U形或環向粘貼碳纖維，其總折算配箍特征率滿足相應規范要求，節點區抗震性能顯著增強。加固設計及施工如圖6所示。圖6 碳纖維加固示意1梁側U型粘貼碳纖維布寬200mm，間隔200mm；2柱環形粘貼一層20型碳纖維布寬200mm，間隔200mm3.2結構的加固效果節點區采用碳纖維材料加固處理后，梁柱斷面尺寸和重量沒有增加，構件外形沒有改變，其加固效果如圖7所示。圖7 節點加固詳圖4、結論本工程的主體結構加固改造已完工，碳纖維粘貼量為300，整個工期為20d，保證了工期，加固質量也得到了很好的保征，收到了很好的綜合效益。在建（構）筑物的抗震加固中，有許多問題有待我們去研究解決，本項目作為高性能纖維材料應用于土木工程中的一個實例，可為其它同類工程借鑒。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的試驗研究.工業建筑，2000，30（2）：16192 國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心.北京大學200號數學力學樓抗震鑒定報告.19993 中國工程建設標準化協會標準碳纖維片材加固混凝土結構技術規程（報批稿）2001