建筑物震害分析及碳纖維布加固技術(shù)研究

耿慧玲

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

建筑物震害分析及碳纖維布加固技術(shù)研究

耿慧玲

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

介紹了鋼筋混凝土柱的常見(jiàn)破壞形態(tài)，探討了碳纖維布加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱體的抗震性能，對(duì)提高碳纖維布加固柱的穩(wěn)定性有一定的意義。

碳纖維布，建筑物，鋼筋混凝土柱，抗震性能

1 研究背景及震害分析

我國(guó)建筑物在歷史上經(jīng)歷過(guò)幾次大的地震，實(shí)際地震烈度遠(yuǎn)高出規(guī)范指定建筑物70年壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)可能遭遇到的地震作用，對(duì)建筑物造成了不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重?fù)p壞。在此背景下，大量建筑物由于地震導(dǎo)致原承載力下降以及實(shí)際使用需求增加，考慮到經(jīng)濟(jì)性等原因，急需進(jìn)行加固處理，并對(duì)歷年來(lái)大規(guī)模的基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)行未雨綢繆的維修，以此來(lái)貫徹國(guó)家建設(shè)與維修并重的方針。

1.1 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

為了保證結(jié)構(gòu)滿足抗震安全的要求，根據(jù)實(shí)際的情況，結(jié)構(gòu)單元之間可采取適當(dāng)?shù)暮侠矸蛛x或牢固連接的方案。結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能布置多道抗震防線，作抗震安全儲(chǔ)備，應(yīng)當(dāng)考慮某一防線在遇到震害被突破后，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響。結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有較高的延性和合適的剛度，主要的耗能構(gòu)件不宜選取承受豎向荷載的主要構(gòu)件。平面布置時(shí)應(yīng)當(dāng)合理地布置抗側(cè)力構(gòu)件，以此減少地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)的豎向剛度、承載力沿房屋高度宜連續(xù)、均勻地分布，避免形成結(jié)構(gòu)局部的薄弱部位。同一樓層內(nèi)，遇地震作用時(shí)，當(dāng)主要耗能構(gòu)件達(dá)到屈服后，應(yīng)確保其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性工作階段，保證結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)時(shí)間約束狀態(tài)，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。合理地控制結(jié)構(gòu)的非彈性部位(塑性鉸區(qū))，了解結(jié)構(gòu)的屈服過(guò)程，明確最終的屈服機(jī)制?？蚣芸拐鹪O(shè)計(jì)還遵守以下原則:強(qiáng)柱、弱梁、更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)采取有效措施避免鋼筋滑移、混凝土提早的剪切破壞和壓碎等脆性破壞。

1.2 鋼筋混凝土柱的常見(jiàn)破壞形態(tài)

1)柱子剪壓破壞。

當(dāng)柱子截面太小、箍筋約束強(qiáng)度不夠、混凝土抗壓強(qiáng)度不夠時(shí)，在地震作用來(lái)臨時(shí)，水平和豎向地震共同作用下，柱子就會(huì)產(chǎn)生剪壓破壞。

2)柱子剪切破壞。

結(jié)構(gòu)中，窗間墻對(duì)柱子存在約束作用，導(dǎo)致柱子的有效長(zhǎng)度大幅度減小，形成短柱的形式。地震作用來(lái)臨時(shí)，柱子會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。

3)柱子塑性鉸破壞。

在地震作用來(lái)臨時(shí)，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋混凝土柱的柱頂和柱腳大量吸收地震能量，出現(xiàn)塑性鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，但整體結(jié)構(gòu)并不會(huì)倒塌。

可見(jiàn)，工程建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用鋼筋混凝土柱作為其重要承重構(gòu)件，對(duì)于鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固研究具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)工程意義。對(duì)混凝土柱的加固或補(bǔ)強(qiáng)，不僅要求提高原有結(jié)構(gòu)豎向承載力，對(duì)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。所以，研究碳纖維布對(duì)混凝土柱子的加固技術(shù)具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以很好地指導(dǎo)并規(guī)范實(shí)際工程。

2 碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 碳纖維加固技術(shù)簡(jiǎn)介

碳纖維加固材質(zhì)分為碳纖維布和碳纖維板兩種。20世紀(jì)80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了碳纖維材料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通基建工程的飛速發(fā)展，中國(guó)也迫切需要發(fā)展這項(xiàng)加固技術(shù)?，F(xiàn)有的建筑物中，存在很多當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載要求的低標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)在的使用要求，急需進(jìn)行維修加固。目前工程中常用的加固方法有很多種，例如:外包鋼加固法、加大截面法、碳纖維加固法、粘鋼加固法等等。其中，碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)措施，相比傳統(tǒng)的加大截面法，有其明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

首先，在材料特性方面，碳纖維布的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，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，材料可以滿足抗壓、抗彎和抗震的要求，同時(shí)可以防御加固柱體經(jīng)常受到的各種酸、堿、鹽腐蝕，加固后，碳纖維布在混凝土柱體表面形成了第二道保護(hù)層，增強(qiáng)了混凝土的耐久性，對(duì)于增加柱子的自重和截面尺寸等影響非常小，很容易滿足加固物的外觀和使用要求。

其次，在受力特點(diǎn)方面，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度極高、易于在混凝土表面形成良好粘結(jié)，經(jīng)過(guò)橫向環(huán)繞柱體，使得混凝土受力狀態(tài)由二向變?yōu)槿?，形成了約束混凝土，在承載能力和延性方面獲得了較大提升和改善。

最后，在工程應(yīng)用性上，可以實(shí)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)無(wú)損加固、施工簡(jiǎn)便以及保證施工質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。與其他加固方法不同，碳纖維布加固整個(gè)施工過(guò)程中，不需配備大型機(jī)具和濕作業(yè)環(huán)境，不需要實(shí)施大量的固定保障措施，施工場(chǎng)地占用率很小、功效很高。在加固質(zhì)量方面，即使原有的加固構(gòu)件表面不平整，由于碳纖維布材料具有優(yōu)良的柔韌性，粘貼效率可以得到很好的保證，后期投入的維修費(fèi)用也比較低，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

2.3 加固技術(shù)的缺點(diǎn)

近年來(lái)，隨著對(duì)碳纖維布加固方法的科研深入以及大量的工程應(yīng)用實(shí)踐后，科研人員和工程技術(shù)人員也發(fā)現(xiàn)了碳纖維布加固存在的一些不足。

1)材料的拉伸彈性模量相對(duì)于其強(qiáng)度值顯得過(guò)低。

2)破壞容易發(fā)生在CFRP與混凝土之間的環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)層。

3)脆性破壞尤其明顯。

相比較于鋼筋材料具有明顯的屈服點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)彈性破壞。碳纖維布材質(zhì)為線彈性材料，破壞前幾乎沒(méi)有明顯的征兆，屬于脆性破壞。

3 碳纖維加固布加固鋼筋混凝土柱的抗震性研究

現(xiàn)行的大多數(shù)研究方法，主要是在模型地震荷載作用下，通過(guò)研究分析一些重要的力學(xué)性能指標(biāo)的變化規(guī)律，以此來(lái)揭示碳纖維加固布加固鋼筋混凝土柱的抗震性能機(jī)理，一般主要有強(qiáng)度、剛度和延性三個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)。當(dāng)前，通過(guò)國(guó)內(nèi)外一系列的靜力和動(dòng)力荷載作用下力學(xué)性能的指標(biāo)研究，表明碳纖維布加固法對(duì)于鋼筋混凝土柱的抗震性能的確能進(jìn)行有效的提升，CFRP加固鋼筋混凝土柱的方式，在結(jié)構(gòu)承載力以及延性、動(dòng)力反應(yīng)性能和耗能力方面，均具有良好的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了有效的提高。

研究過(guò)程通過(guò)對(duì)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，選取了3個(gè)試驗(yàn)試件，對(duì)1個(gè)構(gòu)件進(jìn)行了連續(xù)作用軸力，來(lái)模擬處于使用正常狀態(tài)時(shí)的混凝土柱的補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)2個(gè)試件施加荷載到鋼筋屈服強(qiáng)度程度，來(lái)模擬破壞的混凝土柱的補(bǔ)強(qiáng)。通過(guò)研究?jī)煞N不同形態(tài)下，CFRP加固柱中的應(yīng)變發(fā)展和分布，來(lái)分析CFRP對(duì)于混凝土柱的延性改善情況。

另外，分別選擇方形和圓形截面的試件進(jìn)行加載，試驗(yàn)類(lèi)型取壓彎和純彎往復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，截面對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果存在較大的影響，圓形截面的試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于方形截面;圓形截面在粘貼加固量合適的情況下，可以改變柱體的破壞形式，將加固柱的剪切破壞變?yōu)閺澢茐摹?/p>

其次，考慮軸壓比、碳纖維加固量和剪跨比3個(gè)因素分別對(duì)CFRP加固柱的影響。研究結(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)成正比，隨前者增大而增大。其中，強(qiáng)減弱彎系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震需求，可以直接取值于混凝土規(guī)范，亦可以參照混凝土規(guī)范進(jìn)行取值。鑒于碳纖維破壞時(shí)呈現(xiàn)的脆性特性，可適當(dāng)提高其數(shù)值，但亦不可取值過(guò)大，導(dǎo)致新的破壞。

2)為了防止混凝土柱出現(xiàn)裂縫和限制斜裂縫的發(fā)展，可以通過(guò)碳纖維布來(lái)進(jìn)行加固，混凝土柱的受剪承載力得到了明顯的提高，從而使強(qiáng)剪弱彎的抗震需求得到實(shí)現(xiàn)。

3)碳纖維加固量可以直接影響到混凝土柱的截面破壞形態(tài)，當(dāng)增大碳纖維加固布的用量時(shí)，斜截面抗剪破壞形態(tài)可轉(zhuǎn)化為正截面的壓彎破壞，并且極大地提高了柱體的延性。

文獻(xiàn)［1］［2］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、軸壓比等性能指標(biāo)均是影響FRP約束混凝土柱P—Δ和M—ψ滯回性能的重要參數(shù);P—Δ滯回曲線方面，相比于鋼筋混凝土試件出現(xiàn)的嚴(yán)重縮頸現(xiàn)象，F(xiàn)RP約束混凝土柱在軸壓比增大時(shí)，P—Δ的滯回曲線表現(xiàn)良好，且柱體延性較好;剛度變化方面，相對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，F(xiàn)RP約束混凝土構(gòu)件在承受往復(fù)荷載作用以及軸壓比增大的情況下，剛度退化較之稍慢。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)“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)提供了更加明朗的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)。隨著相關(guān)科研工作的不斷深入研究以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和總結(jié)，上述存在的加固布工藝的缺點(diǎn)以及抗震性能理論系統(tǒng)成果的不完善，將會(huì)得到很好的改善，碳纖維布加固技術(shù)及應(yīng)用將日臻完善和成熟。

［1］于 清，陶 忠，高 獻(xiàn).REP約束混凝土柱抗震性能若干問(wèn)題的研討［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2006，26(4):75-82.

［2］于 清，陶 忠，高 獻(xiàn).REP約束圓鋼筋混凝土柱滯回性能的理論分析［J］.工業(yè)建筑，2005，35(9):15-19.

On seismic analysis of buildings and carbon fiber consolidation techniques

Geng Huiling
(Shanxi Architectural Design and Research Institute，Taiyuan 030013，China)

The paper introduces the common damages of the reinforced concrete columns，explores the advantages and disadvantages of the carbon fiber cloth consolidation technique，analyzes the seismic performance of the reinforced concrete columns，so it is meaningful for improving the stability of the carbon fiber consolidation columns.

carbon fiber cloth，building，reinforced concrete column，seismic performance

TU352.11

:A

1009-6825(2016)36-0040-03

2016-10-19

耿慧玲(1984-)，女，工程師