對于碳纖維加固柱端框架結構地震動動力反應分析

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摘要：本文從碳纖維加固柱端框架結構地震動動力反應角度出發，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的特點，然后從梁柱節點處鋼筋應力、結構位移時程、碳纖維布應力變化三個方面重點探討了碳纖維加固柱端框架結構地震動動力反應，結果表明：將碳纖維用于加固柱端框架結構中，可以有效提高建筑架構的抗震性能，滿足“強柱弱梁”的結構設計要求，值得建筑設計推廣。

關鍵詞：碳纖維；動力反應；柱端框架結構

我國是一個地震多發國家，地震災害給人類造成了巨大的損失。在我國地震區建筑中，應用最廣泛的是鋼筋混凝土框架結構。雖然我國《建筑抗震設計規范》中明確指出，在設計建筑結構時，需滿足“強柱弱梁”的要求，但柱端部位還是出現塑形鉸，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勢，比如模量高、強度高、與混凝土結構的協同性好等，將其用于柱端框架結構的加固，具有良好的效果。

一、碳纖維加固技術的特點

根據生產材料的不同，碳纖維可以分為多種類型。在土木工程領域中，應用最廣泛的是聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。與傳統的混凝土加固補強方法相比，碳纖維加固技術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，具體表現在以下幾個方面。第一，現場不存在濕作業，大大減低施工難度。第二，機械設備要求低。在碳纖維加固施工中，不需要固定設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，將其用于建筑架構加固施工中，可以有效發揮其特性，進一步提高建筑結構的抗拉、抗剪、抗壓等性能。

（三）耐腐蝕性強

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

（四）適用面廣

碳纖維材料質地柔軟，在實際應用中，可以根據加固結構實際情況（比如類型、部位、形狀等），對碳纖維結構進行隨意剪裁。因此，碳纖維結構可以廣泛應用于不同結構中，比如隧道、橋梁、大型筒體等。

二、碳纖維加固柱端框架結構地震動動力反應分析

在建筑結構加固中，最終的目的使建筑結構滿足《建筑抗震設計規范》中的要求，即“強柱弱梁”從而大大提高建筑結構的抗震性能。下文就分析碳纖維加固柱端框架結構地震動動力反應。

（一）梁柱節點處鋼筋應力分析

為了有效模擬碳纖維加固的效果，采用相應的模型進行計算。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，持續記錄40s的時間，波峰的出現時間在2.17s。在符合《抗震規范》的前提下，將該地震波的加速度峰值進行相應的調整，將最大加速度峰值調整到400cm/s2（參照圖1），然后導入ANSYS參數表中，并且輸入計算模型（沿著X方向），分析模型設置為transient，最后進行求解。

圖1 EL Centro 地震波加速度時程曲線

根據相關分析結果顯示，框架梁和柱的鋼筋應力值在地震作用下，隨著地震加速度的大小與方向波動下，出現上下波動且逐漸提高。當地震作用持續時間到達2.46s時，普通框架結構節點柱端的鋼筋應力比較大；當達到2.50s時，梁端鋼筋出現屈服，且時間比柱端鋼筋晚。因此，柱鉸機制不能滿足建筑結構的“強柱弱梁”的要求。

經過碳纖維加固框架結構計算模型的計算分析，結果表明：從承載地震作用方面來看，碳纖維加固結構效果明顯優于普通結構。當地震作用持續到2.63s時，首層中的節點柱端鋼筋出現屈服現象，梁端出現塑形鉸的時間先于柱端。在地震作用下，柱端加固節點柱子的承載力、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）結構位移時程分析

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

根據相關計算結果顯示，邊柱頂點的位移會隨著地震加速度數值都是波動而波動，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，對結構的影響比較小，所以加固結構和普通結構頂點位移的幅度、方向均沒有太大的差異。

圖2 首層節點X方向水平位移曲線

圖3 二層節點X方向水平位移曲線

圖4 三層節點X方向水平位移曲線

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

此外，在混凝土框架結構中，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。經過本文的相關計算結果顯示，普通結構頂點位移的最大值為35.43mm（時間在2.49s），而加固結構則為47.88mm（時間在2.60s）。由此可見，加固結構的柱子可以經受住較大的變形，從而大大提高建筑結構的巖性。

（三）碳纖維布應力變化分析

圖5 2.60s碳纖維應力云圖

根據計算結果顯示，在地震波的初始階段，當柱端鋼筋還未出現屈服情況之前，結構出現的塑形變形較小。在加固結構中，還不能顯著看到碳纖維布的效果，此時的應力僅為200MPa左右。圖5是2.60s碳纖維應力云圖。

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

當結構遭到破壞后，碳纖維的應力值最大可以達到1200MPa上下，與此極限值（2000MPa）存在一定的差距。因此，在結構加固中，為了有效節約成本，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。

結束語

綜上所述，地震是一種破壞力極強的自然災害，給人類的生命和財產均造成巨大的損失。為了有效降低地震災害，在建筑房屋設計過程中，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構，可以有效滿足“強柱弱梁”的設計要求，提高建筑架構的抗震性能，將地震損失降到最小。

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