建筑物震害分析及碳纖維布加固技術研究

耿慧玲

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

建筑物震害分析及碳纖維布加固技術研究

耿慧玲

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

介紹了鋼筋混凝土柱的常見破壞形態，探討了碳纖維布加固技術的優缺點，并分析了碳纖維布加固鋼筋混凝土柱體的抗震性能，對提高碳纖維布加固柱的穩定性有一定的意義。

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

我國建筑物在歷史上經歷過幾次大的地震，實際地震烈度遠高出規范指定建筑物70年壽命期內預計可能遭遇到的地震作用，對建筑物造成了不可逆轉的嚴重損壞。在此背景下，大量建筑物由于地震導致原承載力下降以及實際使用需求增加，考慮到經濟性等原因，急需進行加固處理，并對歷年來大規模的基礎建設進行未雨綢繆的維修，以此來貫徹國家建設與維修并重的方針。

1.1 結構抗震概念設計

為了保證結構滿足抗震安全的要求，根據實際的情況，結構單元之間可采取適當的合理分離或牢固連接的方案。結構應盡可能布置多道抗震防線，作抗震安全儲備，應當考慮某一防線在遇到震害被突破后，引起結構內力重分布的影響。結構應當具有較高的延性和合適的剛度，主要的耗能構件不宜選取承受豎向荷載的主要構件。平面布置時應當合理地布置抗側力構件，以此減少地震作用下結構的扭轉效應。結構的豎向剛度、承載力沿房屋高度宜連續、均勻地分布，避免形成結構局部的薄弱部位。同一樓層內，遇地震作用時，當主要耗能構件達到屈服后，應確保其他抗側力構件仍處于彈性工作階段，保證結構具有較長時間約束狀態，以此來提高結構的延性和抗倒塌能力。合理地控制結構的非彈性部位(塑性鉸區)，了解結構的屈服過程，明確最終的屈服機制。框架抗震設計還遵守以下原則:強柱、弱梁、更強節點核心區。設計過程中，還應當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破壞形態

1)柱子剪壓破壞。

當柱子截面太小、箍筋約束強度不夠、混凝土抗壓強度不夠時，在地震作用來臨時，水平和豎向地震共同作用下，柱子就會產生剪壓破壞。

2)柱子剪切破壞。

結構中，窗間墻對柱子存在約束作用，導致柱子的有效長度大幅度減小，形成短柱的形式。地震作用來臨時，柱子會產生剪切破壞。

3)柱子塑性鉸破壞。

在地震作用來臨時，框架結構內鋼筋混凝土柱的柱頂和柱腳大量吸收地震能量，出現塑性鉸，導致結構產生較大變形，但整體結構并不會倒塌。

可見，工程建筑結構經常采用鋼筋混凝土柱作為其重要承重構件，對于鋼筋混凝土柱進行加固研究具有深遠的現實工程意義。對混凝土柱的加固或補強，不僅要求提高原有結構豎向承載力，對于其延性和增強結構抗震承載力的抗彎性能也要進一步提高。所以，研究碳纖維布對混凝土柱子的加固技術具有很大的經濟價值，可以很好地指導并規范實際工程。

2 碳纖維布加固鋼筋混凝土柱的技術特點

2.1 碳纖維加固技術簡介

碳纖維加固材質分為碳纖維布和碳纖維板兩種。20世紀80年代美、日等發達國家開始了碳纖維材料應用于混凝土結構加固修補的研究。隨著國內經濟建設和交通基建工程的飛速發展，中國也迫切需要發展這項加固技術。現有的建筑物中，存在很多當時設計荷載要求的低標準不滿足現在的使用要求，急需進行維修加固。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，碳纖維加固修補結構技術是一種新型的結構加固技術措施，相比傳統的加大截面法，有其明顯的優勢。

2.2 加固技術的優點

首先，在材料特性方面，碳纖維布的優點顯而易見，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，同時可以防御加固柱體經常受到的各種酸、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層，增強了混凝土的耐久性，對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，在受力特點方面，碳纖維布的抗拉強度極高、易于在混凝土表面形成良好粘結，經過橫向環繞柱體，使得混凝土受力狀態由二向變為三向，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，在工程應用性上，可以實現原結構無損加固、施工簡便以及保證施工質量的優勢。與其他加固方法不同，碳纖維布加固整個施工過程中，不需配備大型機具和濕作業環境，不需要實施大量的固定保障措施，施工場地占用率很小、功效很高。在加固質量方面，即使原有的加固構件表面不平整，由于碳纖維布材料具有優良的柔韌性，粘貼效率可以得到很好的保證，后期投入的維修費用也比較低，使用壽命相對較長。

2.3 加固技術的缺點

近年來，隨著對碳纖維布加固方法的科研深入以及大量的工程應用實踐后，科研人員和工程技術人員也發現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于其強度值顯得過低。

2)破壞容易發生在CFRP與混凝土之間的環氧樹脂粘結層。

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，能夠實現彈性破壞。碳纖維布材質為線彈性材料，破壞前幾乎沒有明顯的征兆，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

現行的大多數研究方法，主要是在模型地震荷載作用下，通過研究分析一些重要的力學性能指標的變化規律，以此來揭示碳纖維加固布加固鋼筋混凝土柱的抗震性能機理，一般主要有強度、剛度和延性三個力學性能指標。當前，通過國內外一系列的靜力和動力荷載作用下力學性能的指標研究，表明碳纖維布加固法對于鋼筋混凝土柱的抗震性能的確能進行有效的提升，CFRP加固鋼筋混凝土柱的方式，在結構承載力以及延性、動力反應性能和耗能力方面，均具有良好的表現，實現了有效的提高。

研究過程通過對FRP約束的鋼筋混凝土柱構件在循環側壓和軸壓下的抗震性能模擬，選取了3個試驗試件，對1個構件進行了連續作用軸力，來模擬處于使用正常狀態時的混凝土柱的補強，對2個試件施加荷載到鋼筋屈服強度程度，來模擬破壞的混凝土柱的補強。通過研究兩種不同形態下，CFRP加固柱中的應變發展和分布，來分析CFRP對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行加載，試驗類型取壓彎和純彎往復加載試驗。試驗結果表明，截面對于試驗結果存在較大的影響，圓形截面的試驗結果明顯優于方形截面;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為彎曲破壞。

其次，考慮軸壓比、碳纖維加固量和剪跨比3個因素分別對CFRP加固柱的影響。研究結果表明:

1)強剪弱彎系數和總配箍值兩者與位移延性系數成正比，隨前者增大而增大。其中，強減弱彎系數根據結構的抗震需求，可以直接取值于混凝土規范，亦可以參照混凝土規范進行取值。鑒于碳纖維破壞時呈現的脆性特性，可適當提高其數值，但亦不可取值過大，導致新的破壞。

2)為了防止混凝土柱出現裂縫和限制斜裂縫的發展，可以通過碳纖維布來進行加固，混凝土柱的受剪承載力得到了明顯的提高，從而使強剪弱彎的抗震需求得到實現。

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，當增大碳纖維加固布的用量時，斜截面抗剪破壞形態可轉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［1］［2］認為，含FRP率、鋼筋屈服強度、縱向配筋率、混凝土抗壓強度、軸壓比等性能指標均是影響FRP約束混凝土柱P—Δ和M—ψ滯回性能的重要參數;P—Δ滯回曲線方面，相比于鋼筋混凝土試件出現的嚴重縮頸現象，FRP約束混凝土柱在軸壓比增大時，P—Δ的滯回曲線表現良好，且柱體延性較好;剛度變化方面，相對于鋼筋混凝土構件，FRP約束混凝土構件在承受往復荷載作用以及軸壓比增大的情況下，剛度退化較之稍慢。

4 結語

我國“十三五”期間大量的基建修復工程，為碳纖維布加固技術提供了更加明朗的應用前景和廣闊的市場。隨著相關科研工作的不斷深入研究以及工程實踐經驗的不斷積累和總結，上述存在的加固布工藝的缺點以及抗震性能理論系統成果的不完善，將會得到很好的改善，碳纖維布加固技術及應用將日臻完善和成熟。

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

［2］于 清，陶 忠，高 獻.REP約束圓鋼筋混凝土柱滯回性能的理論分析［J］.工業建筑，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