CFRP加固技术在某工程中的应用

2012-10-16郑文英王建祥

河北工程大学学报(自然科学版) 2012年1期

郑文英，赵慧，王建祥

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052;2.新疆建筑科学研究院，新疆乌鲁木齐830054)

本工程位于新疆乌鲁木齐市，建于2002年，原建筑按“89规范”设计为地下一层，地上四层的框架结构，平面形状设防烈度为8°，设计基本地震加速度值为0.2g，框架抗震等级为二级，Ⅱ类场地类别，建筑场地属于抗震有利地段，梁、柱混凝土等级均为C30。现由于新进设备，造成一层荷载增加，通过结构验算，按现行规范进行整体复核验算，框架梁不满足现行设计要求，对原有建筑进行加固。

1 加固方案及施工工艺

目前加固的方式较多，碳纤维加固相比于其他加固方式，具有更突出的优点:高强高效、耐腐蚀、不增加结构自重和体积等，另外因其是一种柔性材料，可任意裁剪，适应结构形状的变化，与结构构件紧密结合，在加固不规则结构和表面不平整的构件时，具有明显优势，所以适用面更广。经多次现场勘查，反复计算并进行技术经济综合比较，本工程选择粘贴碳纤维的加固方案。需加固工程的平面图见图1。

2 碳纤维布加固框架梁的设计

使用CFRP材料加固构件时，其受力方式设计成承受拉力的作用。受弯承载力提高和延性降低是采用CFRP加固混凝土梁的两个主要特征。当CFRP的加固量较大时，梁的破坏由混凝土被压碎控制，延性也会大为降低。如果混凝土压碎和CFRP拉断同时发生，则破坏模式处于界限状态。即当混凝土压应变达到极限压应变0.0035［1]时，CFRP同时达到极限拉应变εcfrp。

式中fcfrp－CFRP的抗拉强度;γcfrp－CFRP的材料分项系数取1.25;Ecfrp－CFRP的弹性模量。

在实际工程应用中，加固前自重等初始荷载已经作用于梁上，且初始荷载在将要粘贴CFRP的混凝土受拉区边缘产生初始拉应变εini［2]。因此，在加固设计时，考虑二次受力的影响可以按Saadatmanesh and Malek的建议，对CFRP的应变值加以修正，CFRP拉断时的应变为

式中 εcfrp，rup－ CFRP 拉断时的应变;εini－梁受拉面的初始应变。

本次加固设计中采用的CFRP进行加固时的抗拉强度为4000 MPa，弹性模量为2.3×105MPa，单层厚度为0.167 mm，伸长率为1.6。

通过《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》［2]，考虑上述二次受力影响，本工程采用碳纤维布加固主梁及次梁施工图细部详见图2、图3。

尽管附加锚固措施对于剥离荷载的提高似乎有限，但即使不能完全避免剥离破坏的发生，也可以延迟或防止剥离破坏的出现［3－6]，具体施工时在板底梁边垂直U形箍方向粘贴碳纤维压条。

3 有限元分析

本文使用有限元软件ANSYS对加固梁进行模拟分析。在实际应用中确定三维条件下混凝土的力学性能是困难的，ANSYS软件内部设定了专门针对混凝土材料的三维实体单元形式Solid65，并建立了三维情况下混凝土破坏准则。用有限元法分析碳纤维布加固混凝土结构的有限元与一般固体力学中的有限元分析，在基本原理与方法上是一样的，但如何进行结构离散化时，又有其特殊性。因为一方面钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种不同的材料所组成;另一方面还要考虑粘结层和碳纤维布两种材料的特殊性质。实际工程中，CFRP一般大多采用现场粘贴方式，其胶层和纤维之间很难清晰地加以区分。因此，本文使用片材的实际厚度建立有限元模型，采用的有关本构关系如图4。

混凝土开裂时，裂缝之间的距离是混凝土最大骨料尺寸的很多倍。因此，进行有限元分析时，当混凝土材料使用弥散式裂缝模型，混凝土单元的尺寸应当为最大骨料尺寸的2－3倍，才可以较为准确的模拟裂缝的开裂情况。从模拟计算结果看，应变值沿截面高度在各级荷载作用下，符合平截面假定，位移变形在控制范围之内，能达到工程设计的需要。