混凝土结构碳纤维加固规范

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1、混凝土结构碳纤维加固规范（本文由：上海鼎峰加固工程整理）　　　利用高强非金属纤维类材料，如碳纤维、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，分析用碳纤维加固钢筋混凝土结构的特点及其适用性。　　　1、碳纤维用于抗震加固　　　试验研究表明，用碳纤维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[1]。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

2、）或受剪脆性破坏（低剪力墙）。将碳纤维用于加固剪力墙，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材料应用的一个有效领域。但应指出，用碳纤维对柱或剪力墙进行加固时，由于碳纤维本身属预柔性材料，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的加固效果。以下以实际工程为例说明碳纤维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

3、用碳纤维布对柱进行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纤维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。加固材料采用美国赫氏单向碳纤维布环氧复合材料。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层碳纤维布的方案。　　　1.2加固承载力和延性分析　　　经碳纤维加固后，可以显著提高框架柱的抗剪承载力和延性。　　　原结构为800㎜×800㎜框架柱，层高3.6m。根据有关研究结果，碳纤维

4、加固后抗剪承载力的提高可按下式计算[2]：　　　VCFS=νρCFSfCFSbho　　　对本工程的全包裹加固方案，该公式可改写为：　　　VCFS=2νtfCFSho　　　式中，t为包裹的碳纤维厚度，fCFS为碳纤维的极限抗拉强度，ho为混凝土截面有效高度，ν为碳纤维布受剪系数，按下式计算：　　　　　　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，可算出承载力提高值为319KN，

5、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，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。　　　根据有关试验结果，当轴压比确定时，碳纤维加固柱延性系数μ随强剪弱弯系数Vs/VM基本呈线性增长。当轴压比为0.48时，有如下拟合公式[3]：　　　μ=-1.278+5.233Vs/VM　　　由上式可见，碳纤维抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系数就越大。　　　另外，根据文献[4]，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比有如下关系：　　　

6、　　　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的用量。　　　2、碳纤维用于楼板抗弯加固　　　碳纤维材料由于具有很高的抗拉强度，可以用于混凝土构件的抗弯加固。碳纤维用于抗弯加固时，纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向，另外，计算加固结构的抗弯承载力时，也应考虑对碳纤维极

7、限强度的折减。下面以工程实例说明碳纤维抗弯加固方法。　　　2.1工程概况某现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，原楼板厚120㎜，现拟在其上增加一大型鱼缸。　　重3.6t，鱼缸底座尺寸4.6m×1.2m（图2）。由于新增荷载较大，须对原结构进行加固。　　　2.2内力分析　　　鱼缸合力作用点离剪力墙轴线1.4m。内力计算采用有限元法，将楼板按1m宽板带划分为若干单元。原结构荷载中，恒载考虑板的自重，装修层按水磨石地面考虑，活载标准值取2.5KN/㎡。剪力墙部位对板带的约束按固定支座考虑，柱对梁的约束亦按固定支座考虑，梁板节点按刚接计算。主要内力计算结果说明如