浅谈建筑结构加固工程中连续纤维的运用

刘利锋

摘要:随着国民经济以及科学技术不断发展，各类建筑技术也层出无穷。本文通过实践经验并结合相关资料，就当前研究的混凝土结构梁、板、柱、节点及墙体等采用FRP进行加固的补强方式进行了回顾,介绍了其应用状况,与其他加固技术相比,是一项有广阔市场前景的技术。

关键词:混凝土结构,砌体结构,FRP,补强加固

Abstract: with the national economic and scientific and technological development, all kinds of architectural technology also are endless. This article through the practical experience and combining with relevant data, as the current research of the concrete structure beam, plate, column, node and wall body adopts FRP reinforce the reinforcement way are reviewed, introduces the application situation, compared with other reinforcement technique, a broad market prospect of the technology.

Keywords: concrete structure, masonry structure, FRP, reinforcing reinforcement

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号

引言

近几年，随着国家基本建设的大力加强，越来越多的建筑结构物竣工投入使用，投入使用的同时，养护工作也就应随之而启动，由于材料老化、环境侵蚀等自然因素,设计失误、施工出错或偷工减料等人为过失,负荷加重、功能改变等使用要求,火灾、撞击、地震、战争等灾害作用,以及设计规范的改进,安全储备的提高等原因,大量房屋、混凝土筒仓、桥梁等土木工程结构需要加固和修复。

文献[1]列出了几种过去常用的对结构构件进行加固的方法,而粘贴FRP加固法[2]是针对粘钢加固易被腐蚀和工作效率不高等缺点,发展而起的一种新兴的加固方法。粘贴FRP加固法较粘钢加固法有以下优点:1)它有更好的抗腐蚀性能;2)质量较轻,使用较少的劳动力,便于施工安装,工作效率较高;3)FRP有较高的比强度;4)较好的抗疲劳性能等。因此,粘贴FRP加固混凝土结构技术正被土木工程领域的设计人员、施工人员所认可接受、并应用于工程实践中。下面拟对粘贴FRP加固房屋结构方面的研究工作做一简要回顾。

1FRP材料性能

FRP复合材料由连续纤维和树脂基体组成。目前加固混凝土结构常用的纤维主要有:玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP),这三种纤维制成的复合材料在土木工程中的应用也是始于工程结构加固,现在已被广泛应用。如图1所示为FRP和低碳钢的应力—应变关系图。

2混凝土梁的加固

2.1梁的抗弯加固

FRP加固混凝土梁的试验研究一般是在试验梁的受拉面外贴或内嵌FRP。连续梁承载力加固时,还需在负弯矩区进行外贴或内嵌FRP进行加固。粘贴FRP加固混凝土梁的受力机理和粘钢加固相似,也是通过胶粘剂使FRP和混凝土梁共同作用,试验结果显示FRP可以和混凝土梁协调工作。

加固梁破坏有很多模式[3],如图2所示。当加固梁端部锚固可靠时(螺栓锚固或U型FRP条带锚固),图2中的破坏会变成FRP断裂或受压破坏或受拉破坏;当加固梁为强弯弱剪时就会发生剪切破坏,图2)所示,在结构加固设计时应当避免这种情况的发生。

图2 加固梁破坏模式

2.2梁的剪切补强

大量的试验结果显示[4],将FRP条带粘贴在试验梁的侧面可起到箍筋的作用,提高试验梁的抗剪能力。加固方式主要有:缠绕加固、U型箍、双L型FRP板加固、仅在梁侧面贴FRP加固等,每种加固方式沿梁纵向有FRP条带间隔布置和FRP整截面布置加固两种形式。当然还有在U箍或侧面FRP的端部加压条等锚固措施的加固形式,见图3。

图3加固梁截面的剪切加固示意图

由于试验中由跨高比变化而破坏的占绝大多数,文献[5]将FRP补强混凝土梁剪切加固破坏分为两类:FRP断裂和FRP剥离。

3混凝土板的补强加固

混凝土单向板的抗弯加固和梁抗弯加固类似,将FRP贴于混凝土板的受拉区。混凝土双向板加固方面研究和工程实例比较少,就目前的资料分析来看,加固破坏类型一般有:FRP剥离、FRP断裂和混凝土压碎。

4柱的加固

约束混凝土是采用复合材料加固土建结构的一种主要形式。外缠FRP加固可显著提高柱的轴心抗压强度及其延性,尤其是圆柱。在抗震加固中,柱的耗能性能是首要考虑因素,而外粘FRP加固混凝土柱的耗能性能比未加固柱的要好,故FRP也广泛应用于结构柱的抗震加固。对于矩形或方柱加固应注意表面的处理,特别是在柱转角处构件外表面的曲率半径不应小于20mm;柱抗震加固时FRP应封闭缠绕。FRP约束混凝土柱的破坏一般是FRP断裂。

5节点加固

现有的试验资料不很多,但结果显示:节点的FRP抗震加固可显著提高其极限承载力和延性;节点的静态FRP加固可使混凝土框架的刚度和承载力显著提高,同时也延缓了节点处裂纹的出现。加固形式如图4所示。

图4节点加固示意图

6墙体加固

加固墙体主要用于砌体墙及剪力墙。砌体墙的抗拉、抗剪、抗弯强度都较低且自重较大,砌体结构建筑物比较早,许多砌体结构在最初设计时,只考虑了重力荷载和风荷载,没有考虑地震荷载,从总体上看,砌体房屋抗震性能较差。用FRP防止及修补裂缝墙体,来提高砌体结构的抗震能力,是如今应用较好的一种方法[6]。由于墙体既受弯又受剪,在考虑地震作用的情况下,须对墙体同时进行抗弯、抗剪加固和抗震加固,一般的加固方法为沿墙体斜向交错的粘纤维材料,以同时起到抗弯抗剪的作用。

7工程应用

FRP在混凝土结构的加固修复在欧美发达国家及日、韩等已十分普遍,并编制了相应规程和规范。在美国,主要应用于桥墩和柱的抗震加固;在日本,特别是阪神大地震后,该技术广泛用于修复和加固大量的桥梁、高速公路、地下停车场、筒仓等建筑物和构筑物。在我国,也编制了建设部和交通部的相应规程,并已经广泛应用于房屋、桥梁、筒仓等的承载力和抗震加固,如北京民族文化宫的抗震加固等。

参考文献:

[1]CECS25∶90,碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].

[2]周朝阳,贺学军,王兴国.连续纤维加固结构技术及其发展中的若干问题[J].施工技术,2003,32(6):4-6.

[3]吴刚,安琳,吕志涛.碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究[J].建筑结构,2000,30(7):3-6.

[4]欧阳煜,黄奕辉,钱在兹.玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗剪试验研究[J].建筑结构,2002,30(10):46-49.

[5]CHENJ.F.andTengJ.G.ShearcapacityofFRP-strengthenedRCbeams:FRPdebonding[J].ConstructionandBuildingMateri-als,2003,17(1):27-41.

[6]张祥顺,谷倩,管克俭.碳纤维布加固砌体结构试验研究[J].武汉理工大学学报,2002,24(11):29-33.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。