談碳纖維布加固鋼筋混凝土柱

李大彬 翟浩博

(內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

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談碳纖維布加固鋼筋混凝土柱

李大彬 翟浩博

(內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

介紹了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的優(yōu)缺點，主要從強(qiáng)度、剛度和延性三個角度，分析了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的抗震性能，對提高碳纖維布加固技術(shù)的水平有一定的意義。

碳纖維布，鋼筋混凝土柱，抗震性，加固技術(shù)

近些年來，我國在經(jīng)歷了大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)期后，已經(jīng)進(jìn)入到了“建設(shè)與維修”并重的時期，在此工程背景下，大量既有建筑物由于原承載力下降以及使用需求增加并考慮經(jīng)濟(jì)性等方面的原因，急需進(jìn)行加固處理。

由于工程建筑結(jié)構(gòu)大多采用鋼筋混凝土柱作為其首要承重形式，對于其進(jìn)行加固研究具有現(xiàn)實工程意義。例如，建筑結(jié)構(gòu)物由于本身存在缺陷或者受到外部損傷導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)承載力降低，又或因使用需求的改變而增加支撐結(jié)構(gòu)承載力，這類加固或補(bǔ)強(qiáng)，要求在提高原有結(jié)構(gòu)豎向承載力基礎(chǔ)上，對于其延性和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震承載力的抗彎性能也要進(jìn)一步提高。綜合以上所述內(nèi)容可以看出，研究碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)不僅具有很大的經(jīng)濟(jì)價值，同時還可以指導(dǎo)并規(guī)范實際工程。

1 碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)特點

1.1 加固技術(shù)的優(yōu)點

首先，材料特性方面，碳纖維布厚度小、重量輕、柔韌性好、耐酸堿、耐高溫、抗疲勞性及抗蠕變極高?？梢詽M足抗彎、抗壓和抗震的要求，同時可以抗拒加固柱體經(jīng)常受到的各種酸、堿、鹽腐蝕，碳纖維布在混凝土柱體表面形成第二道保護(hù)層，增強(qiáng)了混凝土的耐久性，對于增加柱體的自重和截面尺寸影響較小，滿足加固物的外觀使用要求。

其次，受力特點方面，碳纖維布抗拉強(qiáng)度高、易與混凝土表面良好粘結(jié)，經(jīng)過橫向環(huán)繞柱體，使混凝土受力狀態(tài)由二向變?yōu)槿?，成為約束混凝土，在承載能力和延性兩個方面獲得了較大提升。

最后，工程應(yīng)用性上，具有原結(jié)構(gòu)無損加固、施工簡便以及施工質(zhì)量容易保證的特性。不同于其他加固方法，碳纖維布加固全施工過程中，無大型機(jī)具和濕作業(yè)，不需要大量的固定保障措施，施工場地占用率小、工效高。加固質(zhì)量上，即使加固構(gòu)件表面不平整，由于碳纖維布材料的柔韌性，粘貼效率也可以得到保證，后期投入的維修費(fèi)用較低，使用壽命較長。

1.2 加固技術(shù)的缺點

近年來，隨著碳纖維布加固方法的科研深入以及大量的工程應(yīng)用后，科研人員和工程技術(shù)人員也發(fā)現(xiàn)了一些不足。

1)材料的拉伸彈性模量與其強(qiáng)度相比過低。

2)破壞易發(fā)生于混凝土與CFRP之間的環(huán)氧樹脂粘結(jié)層。

3)脆性破壞明顯。相較于鋼筋材料具有明顯的屈服點，碳纖維布作為一種線彈性材料，破壞前沒有明顯征兆，屬脆性破壞。

2 碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的抗震性研究

現(xiàn)行大多數(shù)研究方法，主要以模擬地震荷載作用下，通過分析一些重要的力學(xué)性能指標(biāo)的變化規(guī)律來揭示碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的抗震性能機(jī)理，主要有強(qiáng)度、剛度和延性三個力學(xué)指標(biāo)[3]。當(dāng)前，通過國內(nèi)外大量的靜力和動力荷載作用下力學(xué)性能指標(biāo)研究，表明碳纖維布加固法對于鋼筋混凝土柱的抗震性能方面能進(jìn)行有效提升，CFRP加固鋼筋混凝土柱在動力反應(yīng)性能、承載力以及延性和耗能力方面，具有良好的表現(xiàn)，均能進(jìn)行有效的提高。

文獻(xiàn)[5]通過對FRP約束的鋼筋混凝土柱構(gòu)件在循環(huán)側(cè)壓和軸壓下的抗震性能模擬，8個試驗試件中，1個試件進(jìn)行連續(xù)作用軸力來模擬處于使用正常狀態(tài)下的混凝土柱的補(bǔ)強(qiáng)，2個試件加載到鋼筋屈服強(qiáng)度下來模擬破壞的混凝土柱的補(bǔ)強(qiáng)。通過研究CFRP加固柱中的應(yīng)變發(fā)展和分布，分析CFRP對于混凝土柱的延性改善。

文獻(xiàn)[6]選擇試件加載截面為方形和圓形，試驗類型取壓彎、純彎往復(fù)加載試驗。試驗表明，截面對于試驗結(jié)果有較大影響，圓形截面的試驗結(jié)果優(yōu)于方形截面；粘貼加固量合適的話，可以改變柱體的破壞形式，變加固柱的剪切破壞為彎曲破壞。

文獻(xiàn)[7]為了模擬出在實際狀況下橋墩的構(gòu)造，有必要做大尺寸圓形截面的往復(fù)荷載試驗，搭接形式被運(yùn)用到了試件制作時底部塑性鉸區(qū)的鋼筋上。從試驗結(jié)果來看，混凝土柱均在FRP加固后的往復(fù)荷載試驗上呈現(xiàn)良好抗震性能。這是因為基于FRP的約束，鋼筋的搭接接頭受到了保護(hù)，混凝土柱的抵抗剪切能力提高、延性增大，破壞形式從之前的剪切變化為現(xiàn)在的彎曲破壞。

文獻(xiàn)[8]～[13]考慮軸壓比、碳纖維加固量和剪跨比3個因素對CFRP加固柱的后期影響。結(jié)果表明:

1)強(qiáng)剪弱彎系數(shù)和總配箍值兩者與位移延性系數(shù)呈正相關(guān)性，隨前者增大而增大。其中，強(qiáng)剪弱彎系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震需求可以參照混凝土規(guī)范進(jìn)行取值，也可以直接取值于混凝土規(guī)范，鑒于碳纖維破壞時的脆性特性，可適當(dāng)提高其數(shù)值，但切忌不可取值過大。

2)防止混凝土柱出現(xiàn)裂縫和限制斜裂縫的發(fā)展可通過碳纖維布進(jìn)行加固，混凝土柱的受剪承載力得到明顯的提高，從而使強(qiáng)剪弱彎的抗震需求得以實現(xiàn)。

3)碳纖維加固量可影響混凝土柱的截面破壞形態(tài)，當(dāng)增大加固布用量時，斜截面剪切破壞可轉(zhuǎn)化為正截面的壓彎破壞并提高柱體的延性。

文獻(xiàn)[14][15]認(rèn)為，含F(xiàn)RP率、鋼筋屈服強(qiáng)度、縱向配筋率、混凝土抗壓強(qiáng)度、軸壓比是影響FRP約束混凝土柱P—Δ和M—φ滯回性能的重要參數(shù)；P—Δ滯回曲線上，相比于鋼筋混凝土試件出現(xiàn)的嚴(yán)重捏縮現(xiàn)象，F(xiàn)RP約束混凝土柱在軸壓比增大的情況下，P—Δ滯回曲線表現(xiàn)良好，且柱體較之延性較好；剛度變化上，相對于鋼筋混凝土構(gòu)件，F(xiàn)RP約束混凝土構(gòu)件在往復(fù)荷載作用以及軸壓比增大的情況下，剛度退化略慢。

截至目前，由于在加固機(jī)理上存在著認(rèn)識不足，抗震性方面的理論系統(tǒng)不完善，如二次受力荷載下，對于粘貼碳纖維布加固貢獻(xiàn)值，不同的學(xué)者都試圖從力學(xué)的角度進(jìn)行分析，但并未形成共識，其計算值只能通過試驗角度來進(jìn)行解釋。不同于大量的試驗研究，抗震性方面的理論研究很少，大多數(shù)學(xué)者主要是通過試驗以及有限元模擬來進(jìn)行研究，利用試驗得到的P—Δ滯回曲線，再借助于鋼筋混凝土的基本力學(xué)原理，提出符合試驗結(jié)果的位移延性系數(shù)和剪切強(qiáng)度計算公式，這就相對造成了加固抗震性理論系統(tǒng)性不足。

3 結(jié)語

“十三五”期間大量的基建修復(fù)工程，為碳纖維布加固技術(shù)提供了更加廣闊的應(yīng)用前景。相信隨著相關(guān)科研工作的不斷展開以及工程實踐經(jīng)驗的不斷積累，前述遇到的加固工程缺點以及抗震性理論系統(tǒng)不完善的情況都會得到改善，這項加固技術(shù)將會更加成熟，更加完善。

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Discussion on carbon fiber cloth reinforcement of reinforced concrete column

Li Dabin Zhai Haobo

(OrdosCollege,InnerMongoliaUniversity,Ordos017000,China)

This paper introduced the advantages and disadvantages of carbon fiber cloth reinforcement of reinforced concrete column, mainly from the strength, stiffness and ductility three aspects, analyzed the seismic performance of carbon fiber cloth reinforcement of reinforced concrete column, had certain significance to improve the level of carbon fiber cloth reinforcement technology.

carbon fiber cloth, reinforced concrete column, seismic performance, reinforcement technology

1009-6825(2016)27-0038-03

2016-07-13

李大彬(1992- )，男，在讀本科生； 翟浩博(1995- )，男，在讀本科生

TU375.3

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