對于碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)地震動動力反應(yīng)分析

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摘要：本文從碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)地震動動力反應(yīng)角度出發(fā)，先從“施工方便、高強高效、耐腐蝕性強、適用面廣”四個方面分析了碳纖維加固技術(shù)的特點，然后從梁柱節(jié)點處鋼筋應(yīng)力、結(jié)構(gòu)位移時程、碳纖維布應(yīng)力變化三個方面重點探討了碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)地震動動力反應(yīng)，結(jié)果表明：將碳纖維用于加固柱端框架結(jié)構(gòu)中，可以有效提高建筑架構(gòu)的抗震性能，滿足“強柱弱梁”的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，值得建筑設(shè)計推廣。

關(guān)鍵詞：碳纖維；動力反應(yīng)；柱端框架結(jié)構(gòu)

我國是一個地震多發(fā)國家，地震災(zāi)害給人類造成了巨大的損失。在我國地震區(qū)建筑中，應(yīng)用最廣泛的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。雖然我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中明確指出，在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時，需滿足“強柱弱梁”的要求，但柱端部位還是出現(xiàn)塑形鉸，從而大大降低了建筑的抗震性能。針對這種情況，必須要采取相應(yīng)的加固措施，進一步提高建筑的抗震性能。碳纖維由于其自身獨特的優(yōu)勢，比如模量高、強度高、與混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同性好等，將其用于柱端框架結(jié)構(gòu)的加固，具有良好的效果。

一、碳纖維加固技術(shù)的特點

根據(jù)生產(chǎn)材料的不同，碳纖維可以分為多種類型。在土木工程領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛的是聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。與傳統(tǒng)的混凝土加固補強方法相比，碳纖維加固技術(shù)具有以下幾個方面的特點。

（一）施工方便

在碳纖維加固施工中，操作性非常強，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，現(xiàn)場不存在濕作業(yè)，大大減低施工難度。第二，機械設(shè)備要求低。在碳纖維加固施工中，不需要固定設(shè)施和大型的施工機械，有效提高施工效率。第三，施工占用場地少。

（二）高強高效

碳纖維材料由于自身良好的物理化學性能，使其在加固中的強度和效率均比較高。在加固補強施工中，其拉伸強度非常之高，是一般建筑鋼材的十幾倍。此外，從其彈性模量來看，與建筑鋼材非常接近。因此，將其用于建筑架構(gòu)加固施工中，可以有效發(fā)揮其特性，進一步提高建筑結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪、抗壓等性能。

（三）耐腐蝕性強

由于碳纖維材料具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，將其用于結(jié)構(gòu)加固施工中，可以有效防止建筑物遇到的堿、酸、鹽等物質(zhì)的腐蝕，提高建筑架構(gòu)的耐腐蝕性。

（四）適用面廣

碳纖維材料質(zhì)地柔軟，在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)加固結(jié)構(gòu)實際情況（比如類型、部位、形狀等），對碳纖維結(jié)構(gòu)進行隨意剪裁。因此，碳纖維結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)中，比如隧道、橋梁、大型筒體等。

二、碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)地震動動力反應(yīng)分析

在建筑結(jié)構(gòu)加固中，最終的目的使建筑結(jié)構(gòu)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的要求，即“強柱弱梁”從而大大提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。下文就分析碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)地震動動力反應(yīng)。

（一）梁柱節(jié)點處鋼筋應(yīng)力分析

為了有效模擬碳纖維加固的效果，采用相應(yīng)的模型進行計算。本文選擇EL Centro波來計算模型地震波，以0.01s的間隔時間來計算，持續(xù)記錄40s的時間，波峰的出現(xiàn)時間在2.17s。在符合《抗震規(guī)范》的前提下，將該地震波的加速度峰值進行相應(yīng)的調(diào)整，將最大加速度峰值調(diào)整到400cm/s2（參照圖1），然后導入ANSYS參數(shù)表中，并且輸入計算模型（沿著X方向），分析模型設(shè)置為transient，最后進行求解。

圖1 EL Centro 地震波加速度時程曲線

根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果顯示，框架梁和柱的鋼筋應(yīng)力值在地震作用下，隨著地震加速度的大小與方向波動下，出現(xiàn)上下波動且逐漸提高。當?shù)卣鹱饔贸掷m(xù)時間到達2.46s時，普通框架結(jié)構(gòu)節(jié)點柱端的鋼筋應(yīng)力比較大；當達到2.50s時，梁端鋼筋出現(xiàn)屈服，且時間比柱端鋼筋晚。因此，柱鉸機制不能滿足建筑結(jié)構(gòu)的“強柱弱梁”的要求。

經(jīng)過碳纖維加固框架結(jié)構(gòu)計算模型的計算分析，結(jié)果表明：從承載地震作用方面來看，碳纖維加固結(jié)構(gòu)效果明顯優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)。當?shù)卣鹱饔贸掷m(xù)到2.63s時，首層中的節(jié)點柱端鋼筋出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，梁端出現(xiàn)塑形鉸的時間先于柱端。在地震作用下，柱端加固節(jié)點柱子的承載力、剛度以及強度均有了較大的提高，且有效消耗地震能量。因此，采用碳纖維加固柱端，可以有效滿足“強柱弱梁”的要求。

（二）結(jié)構(gòu)位移時程分析

這里采用時程分析法，分析對比柱端碳纖維加固后，最終對框架結(jié)構(gòu)的延性方面所產(chǎn)生的影響。這里選取邊柱頂點X，計算普通結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)方向位移時程曲線、最大層間位移以及樓層的最大位移三個方面的結(jié)果。

根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果顯示，邊柱頂點的位移會隨著地震加速度數(shù)值都是波動而波動，具體可以參照圖2-4。當波峰未達到峰值（2.17s）時，由于在地震作用初期，加速度較小，對結(jié)構(gòu)的影響比較小，所以加固結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)頂點位移的幅度、方向均沒有太大的差異。

圖2 首層節(jié)點X方向水平位移曲線

圖3 二層節(jié)點X方向水平位移曲線

圖4 三層節(jié)點X方向水平位移曲線

當?shù)卣鹱饔眠_到波峰之后，普通結(jié)構(gòu)的頂點（X）位移的波動幅度、結(jié)構(gòu)破壞均明顯大于加固結(jié)構(gòu)。究其原因，主要是加固結(jié)構(gòu)的柱端部位，采用碳纖維加固之后，柱子的側(cè)向剛度得以有效提高。當普通結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)處于相同水平地震作用時，一方面，有效降低了加固結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移；另一方面，加固結(jié)構(gòu)的柱端被橫向包裹，促使混凝土極限壓應(yīng)變值得以大大提高。這樣一來，加固結(jié)構(gòu)可以有效消耗地震能量，降低和延遲了結(jié)構(gòu)破壞，使其抗震性能得以有效提升。

此外，在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，要想考察梁柱在地震作用下的破壞程度，可以參看層間位移角。經(jīng)過本文的相關(guān)計算結(jié)果顯示，普通結(jié)構(gòu)頂點位移的最大值為35.43mm（時間在2.49s），而加固結(jié)構(gòu)則為47.88mm（時間在2.60s）。由此可見，加固結(jié)構(gòu)的柱子可以經(jīng)受住較大的變形，從而大大提高建筑結(jié)構(gòu)的巖性。

（三）碳纖維布應(yīng)力變化分析

圖5 2.60s碳纖維應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果顯示，在地震波的初始階段，當柱端鋼筋還未出現(xiàn)屈服情況之前，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的塑形變形較小。在加固結(jié)構(gòu)中，還不能顯著看到碳纖維布的效果，此時的應(yīng)力僅為200MPa左右。圖5是2.60s碳纖維應(yīng)力云圖。

結(jié)構(gòu)處于地震的持續(xù)作用下，當結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到承載力的極限之后，結(jié)構(gòu)的柱端部位出現(xiàn)屈服現(xiàn)象之后，就可以明顯看到碳纖維布的效果。此時，由于結(jié)構(gòu)受到橫線包裹的碳纖維布作用，其應(yīng)力快速增長。在加固結(jié)構(gòu)中，由于混凝土的變形受到碳纖維的約束，混凝土極限壓應(yīng)變值得以大大提升，促使結(jié)構(gòu)的縱向鋼筋的塑形變形能力得以充分發(fā)揮。在建筑結(jié)構(gòu)中，箍筋屬于間隔性布置，而在碳纖維中約束范圍中，其作用呈現(xiàn)連續(xù)性特點，從而大大提升了加固效果。

當結(jié)構(gòu)遭到破壞后，碳纖維的應(yīng)力值最大可以達到1200MPa上下，與此極限值（2000MPa）存在一定的差距。因此，在結(jié)構(gòu)加固中，為了有效節(jié)約成本，普通強度的CFRP（碳纖維增強復合材料）即可滿足工程要求，不需要采用高強度的碳纖維布。

結(jié)束語

綜上所述，地震是一種破壞力極強的自然災(zāi)害，給人類的生命和財產(chǎn)均造成巨大的損失。為了有效降低地震災(zāi)害，在建筑房屋設(shè)計過程中，就要采取有效的措施加以解決。采用碳纖維加固柱端框架結(jié)構(gòu)，可以有效滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求，提高建筑架構(gòu)的抗震性能，將地震損失降到最小。

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