CFRP加固技術在某工程中的應用

鄭文英，趙 慧，王建祥

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052;2.新疆建筑科學研究院，新疆烏魯木齊830054)

本工程位于新疆烏魯木齊市，建于2002年，原建筑按“89規范”設計為地下一層，地上四層的框架結構，平面形狀設防烈度為8°，設計基本地震加速度值為0.2g，框架抗震等級為二級，Ⅱ類場地類別，建筑場地屬于抗震有利地段，梁、柱混凝土等級均為C30。現由于新進設備，造成一層荷載增加，通過結構驗算，按現行規范進行整體復核驗算，框架梁不滿足現行設計要求，對原有建筑進行加固。

1 加固方案及施工工藝

目前加固的方式較多，碳纖維加固相比于其他加固方式，具有更突出的優點:高強高效、耐腐蝕、不增加結構自重和體積等，另外因其是一種柔性材料，可任意裁剪，適應結構形狀的變化，與結構構件緊密結合，在加固不規則結構和表面不平整的構件時，具有明顯優勢，所以適用面更廣。經多次現場勘查，反復計算并進行技術經濟綜合比較，本工程選擇粘貼碳纖維的加固方案。需加固工程的平面圖見圖1。

2 碳纖維布加固框架梁的設計

使用CFRP材料加固構件時，其受力方式設計成承受拉力的作用。受彎承載力提高和延性降低是采用CFRP加固混凝土梁的兩個主要特征。當CFRP的加固量較大時，梁的破壞由混凝土被壓碎控制，延性也會大為降低。如果混凝土壓碎和CFRP拉斷同時發生，則破壞模式處于界限狀態。即當混凝土壓應變達到極限壓應變0.0035［1]時，CFRP同時達到極限拉應變εcfrp。

式中fcfrp－CFRP的抗拉強度;γcfrp－CFRP的材料分項系數取1.25;Ecfrp－CFRP的彈性模量。

在實際工程應用中，加固前自重等初始荷載已經作用于梁上，且初始荷載在將要粘貼CFRP的混凝土受拉區邊緣產生初始拉應變εini［2]。因此，在加固設計時，考慮二次受力的影響可以按Saadatmanesh and Malek的建議，對CFRP的應變值加以修正，CFRP拉斷時的應變為

式中 εcfrp，rup－ CFRP 拉斷時的應變;εini－ 梁受拉面的初始應變。

本次加固設計中采用的CFRP進行加固時的抗拉強度為4000 MPa，彈性模量為2.3×105MPa，單層厚度為0.167 mm，伸長率為1.6。

通過《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》［2]，考慮上述二次受力影響，本工程采用碳纖維布加固主梁及次梁施工圖細部詳見圖2、圖3。

盡管附加錨固措施對于剝離荷載的提高似乎有限，但即使不能完全避免剝離破壞的發生，也可以延遲或防止剝離破壞的出現［3－6]，具體施工時在板底梁邊垂直U形箍方向粘貼碳纖維壓條。

3 有限元分析

本文使用有限元軟件ANSYS對加固梁進行模擬分析。在實際應用中確定三維條件下混凝土的力學性能是困難的，ANSYS軟件內部設定了專門針對混凝土材料的三維實體單元形式Solid65，并建立了三維情況下混凝土破壞準則。用有限元法分析碳纖維布加固混凝土結構的有限元與一般固體力學中的有限元分析，在基本原理與方法上是一樣的，但如何進行結構離散化時，又有其特殊性。因為一方面鋼筋混凝土結構是由鋼筋和混凝土兩種不同的材料所組成;另一方面還要考慮粘結層和碳纖維布兩種材料的特殊性質。實際工程中，CFRP一般大多采用現場粘貼方式，其膠層和纖維之間很難清晰地加以區分。因此，本文使用片材的實際厚度建立有限元模型，采用的有關本構關系如圖4。

混凝土開裂時，裂縫之間的距離是混凝土最大骨料尺寸的很多倍。因此，進行有限元分析時，當混凝土材料使用彌散式裂縫模型，混凝土單元的尺寸應當為最大骨料尺寸的2－3倍，才可以較為準確的模擬裂縫的開裂情況。從模擬計算結果看，應變值沿截面高度在各級荷載作用下，符合平截面假定，位移變形在控制范圍之內，能達到工程設計的需要。

4 結語

既有建筑的加固情況非常復雜，在對其進行抗震加固時，選擇適當的加固方案是關鍵問題，統籌兼顧，目的明確，措施得當，就能有效實現設計意圖。CFRP加固方法在滿足加固要求的同時，施工簡便，工期短，對周圍環境影響也較小。該工程加固后已正常使用，結構整體和加固部位均滿足預期要求。

［1] GB50010－2001，混凝土結構設計規范［S] .

［2] CECS 146:2003，碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程［S] .

［3] 滕錦光，陳建飛，S T史密斯，等.FRP加固混凝土結構［M] .北京:中國建筑工業出版社，2004.

［4] GB50367－2006，混凝土結構加固設計規范［S] .

［5] 石欠欠，姜新佩.基于Ansys碳纖維加固混凝土梁的裂縫模擬分析［J] .河北工程大學學報:自然科學版，2010，27(2):25 －29.

［6] 姜新佩，孫 燕，劉麗娜.預應力碳纖維加固RC梁撓度和裂縫計算［J] .河北工程大學學報:自然科學版，2008，25(4):10 －13.