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)，已成功用于多種結(jié)構(gòu)的抗震、抗彎和抗剪加固。但是，碳纖維加固方法也有其適用范圍，本文通過(guò)幾個(gè)工程實(shí)例，分析用碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其適用性。
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[1]。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。
1.1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)此確定采用碳纖維布對(duì)柱進(jìn)行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纖維的包裹對(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，滿足軸壓比的延性要求。
加固材料采用美國(guó)赫氏單向碳纖維布環(huán)氧復(fù)合材料。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。
1.2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800㎜×800㎜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式計(jì)算[2]：
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，ν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)。當(dāng)軸壓比為0.48時(shí)，有如下擬合公式[3]：
μ=-1.278+5.233Vs/VM
由上式可見(jiàn)，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)[4]，當(dāng)延性系數(shù)保持不變時(shí)，配箍特征系數(shù)與軸壓比有如下關(guān)系：
上式表明，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。
按保守估算，對(duì)本工程假設(shè)由于混凝土強(qiáng)度降低導(dǎo)致柱軸壓比增大值為0.3，則對(duì)應(yīng)所需的配箍特征系數(shù)增量為0.066，而本加固方案新增碳纖維配箍特征系數(shù)為0.097，完全能滿足要求。
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。
2、碳纖維用于樓板抗彎加固
碳纖維材料由于具有很高的抗拉強(qiáng)度，可以用于混凝土構(gòu)件的抗彎加固。碳纖維用于抗彎加固時(shí)，纖維粘貼方向應(yīng)平行于構(gòu)件的主受力方向，另外，計(jì)算加固結(jié)構(gòu)的抗彎承載力時(shí)，也應(yīng)考慮對(duì)碳纖維極限強(qiáng)度的折減。下面以工程實(shí)例說(shuō)明碳纖維抗彎加固方法。
2.1工程概況
某現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，原樓板厚120㎜，現(xiàn)擬在其上增加一大型魚缸。
重3.6t，魚缸底座尺寸4.6m×1.2m（圖2）。由于新增荷載較大，須對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。
2.2內(nèi)力分析
魚缸合力作用點(diǎn)離剪力墻軸線1.4m。內(nèi)力計(jì)算采用有限元法，將樓板按1m寬板帶劃分為若干單元。原結(jié)構(gòu)荷載中，恒載考慮板的自重，裝修層按水磨石地面考慮，活載標(biāo)準(zhǔn)值取2.5KN/㎡。剪力墻部位對(duì)板帶的約束按固定支座考慮，柱對(duì)梁的約束亦按固定支座考慮，梁板節(jié)點(diǎn)按剛接計(jì)算。主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果說(shuō)明如下。
⑴在魚缸作用下，板的彈性撓度為0.9㎝左右，滿足正常使用要求，但前提是板的抗彎能力能夠抵抗新增的荷載。
⑵放置魚缸部位的樓板在剪力墻部位新增的負(fù)彎矩為4.6KN·m，在板跨中部位新增的正彎矩為1.8KN·m，而原結(jié)構(gòu)所能抵抗的彎矩基本與原荷載持平。板的抗剪能力也足以承擔(dān)新增荷載。
⑶梁L10在與梁ZL3相交的部位，其負(fù)彎矩也超出抗彎能力5.2KN·m，梁L10的跨中正彎矩超出4.5KN·m。
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在魚缸作用下抗彎能力不足，可采用碳纖維結(jié)合粘鋼加固。
2.3加固方案
首先，樓板負(fù)彎矩區(qū)在剪力墻部位需要加固，由于碳纖維不易錨固，故采用粘鋼板加固法，本文不予詳述。對(duì)于樓板正彎矩區(qū)，可采用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，一方面，當(dāng)加固碳纖維布用量較大時(shí)，在樓板承載力極限狀態(tài)所能達(dá)到的強(qiáng)度較低，無(wú)法充分發(fā)揮其強(qiáng)度；另一方面，若減少碳纖維材料用量，其在承載力極限狀態(tài)可達(dá)到較高的應(yīng)力，但由于碳纖維彈性模量與鋼材接近，在正常使用極限狀態(tài)下板就可能由于撓度過(guò)大而破壞。另外，碳纖維材料易發(fā)生脆性破壞，強(qiáng)度也應(yīng)按保守取值。加固板的抗彎承載力按平衡條件計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，碳纖維材料的極限拉應(yīng)力取為極限強(qiáng)度的一半。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，擬沿短跨方向粘貼雙層200㎜寬纖維布，每?jī)蓧K纖維布間凈距也為200㎜，加固方案.
3、碳纖維加固方法的適用性
如上所述，碳纖維可成功地用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪和抗彎加固。但應(yīng)該指出，由于碳纖維加固結(jié)構(gòu)固有的一些受力特點(diǎn)，許多混凝土結(jié)構(gòu)問(wèn)題不適于用碳纖維進(jìn)行加固，因此有必要對(duì)其適用性作出分析。
3.1剛度問(wèn)題
當(dāng)混凝土樓、屋蓋結(jié)構(gòu)由于剛度不足，導(dǎo)致變形過(guò)大、開(kāi)裂嚴(yán)重而影響使用時(shí)，不適合用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對(duì)于梁、板等橫向受力構(gòu)件，當(dāng)用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的提高作用小于10%，或基本沒(méi)有提高。
3.2碳纖維抗彎加固的適用范圍
當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進(jìn)行加固時(shí)，加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)一方面取決于原結(jié)構(gòu)的配筋情況，另一方面取決于碳纖維的用量。現(xiàn)假設(shè)原結(jié)構(gòu)為適筋構(gòu)件，則加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可分為如下三種情況。
⑴碳纖維用量較少。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可以達(dá)到較高的拉應(yīng)變。
⑵碳纖維用量適中。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達(dá)到某一中等拉應(yīng)變。
⑶碳纖維用量較多。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維應(yīng)變很低。
上述三種情況，第三種情況由于碳纖維用量大且強(qiáng)度利用率低，不宜采用。第一種加固方法適用于截面高度較大的梁，第二種加固方法適用于截面高度較小的板或扁梁。這主要是由于對(duì)板或扁梁而言，在碳纖維未達(dá)到很高的拉應(yīng)變時(shí)，結(jié)構(gòu)就可能由于變形過(guò)大而破壞。具體界限取決于碳纖維極限拉應(yīng)變和加載方式。
3.3抗扭問(wèn)題
關(guān)于用碳纖維材料進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的抗扭加固，目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行的研究很少。從混凝土結(jié)構(gòu)的受扭破壞機(jī)理上看，不論使碳纖維的纖維方向垂直于軸線，還是平行于軸線，均可以約束扭轉(zhuǎn)斜裂縫的發(fā)展，起到一定的加固效果。
但是，由于用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，一方面構(gòu)件裂縫已經(jīng)形成，裂縫分布已經(jīng)確定；另一方面由于碳纖維的極限應(yīng)變可高達(dá)10000με以上，而普通鋼筋應(yīng)變不到2000με即已屈服，若應(yīng)變加到4000με以上時(shí)混凝土裂縫寬度已開(kāi)展很大，必然開(kāi)始向其他表面發(fā)展，結(jié)構(gòu)即已接近破壞，而此時(shí)碳纖維所能達(dá)到的應(yīng)力可能還很低，因此碳纖維加固受扭構(gòu)件的效果有必要通過(guò)進(jìn)一步研究確定。
4、結(jié)論
?、盘祭w維加固法可用于對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪和抗震加固，但各有適用范圍。計(jì)算承載力時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果考慮碳纖維強(qiáng)度的折減。
⑵碳纖維加固法不適于混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度不足，變形過(guò)大，在正常使用極限狀態(tài)的加固。當(dāng)用于抗扭加固時(shí)，雖能起一定的作用，但并不經(jīng)濟(jì)，需通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)研究確定。
