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碳纤维加固技术及其适用性【绵阳】

利用高强非金属纤维类材料,如碳纤维布、玻璃纤维等对结构进行加固的方法,具有耐久性好,施工简便,不加大截面,不增加荷载,外形美观等优点,已成功用于多种结构的抗震、抗弯和抗剪加固。但是,碳纤维布加固方法也有其适用范围,本文通过几个工程实例,分析用碳纤维布加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。

1、碳纤维布用于抗震加固

2、试验研究表明,用碳纤维布材料包裹钢筋混凝土柱,使纤维方向与柱轴线相垂直,可以有效提高柱的延性和承载力,增加其抗震耗能能力。另外,剪力墙作为主要抗侧力构件,其破坏形态不外乎受弯延性破坏(中高剪力墙)或受剪脆性破坏(低剪力墙)。将碳纤维布用于加固剪力墙,只要方法适当,也可显著提高其延性和承载力。因此,钢筋混凝土结构的抗震加固是碳纤维布材料应用的一个有效领域。但应指出,用碳纤维布对柱或剪力墙进行加固时,由于碳纤维布本身属预柔性材料,通过结构胶与被加固结构粘结,这就要求被加固结构混凝土须满足一定的强度要求,才有可能发挥碳纤维布的加固效果。以下以实际工程为例说明碳纤维布加固钢筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。

1.1工程概况和加固方案

某多层钢筋混凝土框架结构,施工验收时发现有9根框架柱混凝土强度不能满足设计要求,致使轴压比过大,无法满足轴压比限值所需的延性要求,对此确定采用碳纤维布布对柱进行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纤维布的包裹对柱混凝土产生环箍作用,可在一定程度上提高混凝土的轴心抗压强度;另一方面,碳纤维布对柱的横向约束作用还可显著提高柱在水平荷载下的延性,满足轴压比的延性要求。加固材料采用力强牌单向碳纤维布布环氧复合材料。通过对承载力和延性的计算,对强度较低的3根柱采用沿整个柱高范围包裹3层碳纤维布布的方案,对其他6根柱采用沿整个柱高度范围内包裹2层碳纤维布布的方案。加固方案如图1所示。

1.2加固承载力和延性分析

经碳纤维布加固后,可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。

VCFS=νρCFSfCFSbho

VCFS=2νtfCFSho

式中n为轴压比,λ为剪跨比,λsv λCFS为总配箍特征值。

设计混凝土强度为C40,按此计算,单根柱的抗剪承载力应为1312KN。对强度较低的3根柱,最低混凝土强度为28.3Mpa,未加固时的抗剪承载力为1031KN。包裹3层碳纤维布,可算出承载力提高值为319KN,则加固后总承载力为1350KN,高于设计承载力。对另6根柱,最低混凝土强度为35Mpa,未加固时的抗剪承载力为1209KN。包裹2层碳纤维布,可算出承载力的提高值为246KN,加固后总承载力为1455KN,也高于设计承载力。

μ=-1.278 5.233Vs/VM

由上式可见,碳纤维布抗剪加固量越大,Vs/VM就越大,延性系数就越大。

上式表明,当轴压比增大时,为保持延性系数不变,应适当增加配箍率。

按保守估算,对本工程假设由于混凝土强度降低导致柱轴压比增大值为0.3,则对应所需的配箍特征系数增量为0.066,而本加固方案新增碳纤维布配箍特征系数为0.097,完全能满足要求。

由上述分析可见,当用碳纤维布加固钢筋混凝土柱以提高抗震能力时,应根据承载力和延性指标确定碳纤维布布的用量。