建筑物震害分析及碳纤维布加固技术研究

耿慧玲

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

建筑物震害分析及碳纤维布加固技术研究

耿慧玲

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

介绍了钢筋混凝土柱的常见破坏形态，探讨了碳纤维布加固技术的优缺点，并分析了碳纤维布加固钢筋混凝土柱体的抗震性能，对提高碳纤维布加固柱的稳定性有一定的意义。

碳纤维布，建筑物，钢筋混凝土柱，抗震性能

1 研究背景及震害分析

我国建筑物在历史上经历过几次大的地震，实际地震烈度远高出规范指定建筑物70年寿命期内预计可能遭遇到的地震作用，对建筑物造成了不可逆转的严重损坏。在此背景下，大量建筑物由于地震导致原承载力下降以及实际使用需求增加，考虑到经济性等原因，急需进行加固处理，并对历年来大规模的基础建设进行未雨绸缪的维修，以此来贯彻国家建设与维修并重的方针。

1.1 结构抗震概念设计

为了保证结构满足抗震安全的要求，根据实际的情况，结构单元之间可采取适当的合理分离或牢固连接的方案。结构应尽可能布置多道抗震防线，作抗震安全储备，应当考虑某一防线在遇到震害被突破后，引起结构内力重分布的影响。结构应当具有较高的延性和合适的刚度，主要的耗能构件不宜选取承受竖向荷载的主要构件。平面布置时应当合理地布置抗侧力构件，以此减少地震作用下结构的扭转效应。结构的竖向刚度、承载力沿房屋高度宜连续、均匀地分布，避免形成结构局部的薄弱部位。同一楼层内，遇地震作用时，当主要耗能构件达到屈服后，应确保其他抗侧力构件仍处于弹性工作阶段，保证结构具有较长时间约束状态，以此来提高结构的延性和抗倒塌能力。合理地控制结构的非弹性部位(塑性铰区)，了解结构的屈服过程，明确最终的屈服机制。框架抗震设计还遵守以下原则:强柱、弱梁、更强节点核心区。设计过程中，还应当采取有效措施避免钢筋滑移、混凝土提早的剪切破坏和压碎等脆性破坏。

1.2 钢筋混凝土柱的常见破坏形态

1)柱子剪压破坏。

当柱子截面太小、箍筋约束强度不够、混凝土抗压强度不够时，在地震作用来临时，水平和竖向地震共同作用下，柱子就会产生剪压破坏。

2)柱子剪切破坏。

结构中，窗间墙对柱子存在约束作用，导致柱子的有效长度大幅度减小，形成短柱的形式。地震作用来临时，柱子会产生剪切破坏。

3)柱子塑性铰破坏。

在地震作用来临时，框架结构内钢筋混凝土柱的柱顶和柱脚大量吸收地震能量，出现塑性铰，导致结构产生较大变形，但整体结构并不会倒塌。

可见，工程建筑结构经常采用钢筋混凝土柱作为其重要承重构件，对于钢筋混凝土柱进行加固研究具有深远的现实工程意义。对混凝土柱的加固或补强，不仅要求提高原有结构竖向承载力，对于其延性和增强结构抗震承载力的抗弯性能也要进一步提高。所以，研究碳纤维布对混凝土柱子的加固技术具有很大的经济价值，可以很好地指导并规范实际工程。

2 碳纤维布加固钢筋混凝土柱的技术特点

2.1 碳纤维加固技术简介

碳纤维加固材质分为碳纤维布和碳纤维板两种。20世纪80年代美、日等发达国家开始了碳纤维材料应用于混凝土结构加固修补的研究。随着国内经济建设和交通基建工程的飞速发展，中国也迫切需要发展这项加固技术。现有的建筑物中，存在很多当时设计荷载要求的低标准不满足现在的使用要求，急需进行维修加固。目前工程中常用的加固方法有很多种，例如:外包钢加固法、加大截面法、碳纤维加固法、粘钢加固法等等。其中，碳纤维加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术措施，相比传统的加大截面法，有其明显的优势。

2.2 加固技术的优点

首先，在材料特性方面，碳纤维布的优点显而易见，厚度小、重量轻、柔韧性好、耐酸碱、耐高温、抗疲劳性及抗蠕变极高，材料可以满足抗压、抗弯和抗震的要求，同时可以防御加固柱体经常受到的各种酸、碱、盐腐蚀，加固后，碳纤维布在混凝土柱体表面形成了第二道保护层，增强了混凝土的耐久性，对于增加柱子的自重和截面尺寸等影响非常小，很容易满足加固物的外观和使用要求。

其次，在受力特点方面，碳纤维布的抗拉强度极高、易于在混凝土表面形成良好粘结，经过横向环绕柱体，使得混凝土受力状态由二向变为三向，形成了约束混凝土，在承载能力和延性方面获得了较大提升和改善。

最后，在工程应用性上，可以实现原结构无损加固、施工简便以及保证施工质量的优势。与其他加固方法不同，碳纤维布加固整个施工过程中，不需配备大型机具和湿作业环境，不需要实施大量的固定保障措施，施工场地占用率很小、功效很高。在加固质量方面，即使原有的加固构件表面不平整，由于碳纤维布材料具有优良的柔韧性，粘贴效率可以得到很好的保证，后期投入的维修费用也比较低，使用寿命相对较长。

2.3 加固技术的缺点

近年来，随着对碳纤维布加固方法的科研深入以及大量的工程应用实践后，科研人员和工程技术人员也发现了碳纤维布加固存在的一些不足。

1)材料的拉伸弹性模量相对于其强度值显得过低。

2)破坏容易发生在CFRP与混凝土之间的环氧树脂粘结层。

3)脆性破坏尤其明显。

相比较于钢筋材料具有明显的屈服点，能够实现弹性破坏。碳纤维布材质为线弹性材料，破坏前几乎没有明显的征兆，属于脆性破坏。

3 碳纤维加固布加固钢筋混凝土柱的抗震性研究

现行的大多数研究方法，主要是在模型地震荷载作用下，通过研究分析一些重要的力学性能指标的变化规律，以此来揭示碳纤维加固布加固钢筋混凝土柱的抗震性能机理，一般主要有强度、刚度和延性三个力学性能指标。当前，通过国内外一系列的静力和动力荷载作用下力学性能的指标研究，表明碳纤维布加固法对于钢筋混凝土柱的抗震性能的确能进行有效的提升，CFRP加固钢筋混凝土柱的方式，在结构承载力以及延性、动力反应性能和耗能力方面，均具有良好的表现，实现了有效的提高。

研究过程通过对FRP约束的钢筋混凝土柱构件在循环侧压和轴压下的抗震性能模拟，选取了3个试验试件，对1个构件进行了连续作用轴力，来模拟处于使用正常状态时的混凝土柱的补强，对2个试件施加荷载到钢筋屈服强度程度，来模拟破坏的混凝土柱的补强。通过研究两种不同形态下，CFRP加固柱中的应变发展和分布，来分析CFRP对于混凝土柱的延性改善情况。

另外，分别选择方形和圆形截面的试件进行加载，试验类型取压弯和纯弯往复加载试验。试验结果表明，截面对于试验结果存在较大的影响，圆形截面的试验结果明显优于方形截面;圆形截面在粘贴加固量合适的情况下，可以改变柱体的破坏形式，将加固柱的剪切破坏变为弯曲破坏。

其次，考虑轴压比、碳纤维加固量和剪跨比3个因素分别对CFRP加固柱的影响。研究结果表明:

1)强剪弱弯系数和总配箍值两者与位移延性系数成正比，随前者增大而增大。其中，强减弱弯系数根据结构的抗震需求，可以直接取值于混凝土规范，亦可以参照混凝土规范进行取值。鉴于碳纤维破坏时呈现的脆性特性，可适当提高其数值，但亦不可取值过大，导致新的破坏。

2)为了防止混凝土柱出现裂缝和限制斜裂缝的发展，可以通过碳纤维布来进行加固，混凝土柱的受剪承载力得到了明显的提高，从而使强剪弱弯的抗震需求得到实现。

3)碳纤维加固量可以直接影响到混凝土柱的截面破坏形态，当增大碳纤维加固布的用量时，斜截面抗剪破坏形态可转化为正截面的压弯破坏，并且极大地提高了柱体的延性。

文献［1］［2］认为，含FRP率、钢筋屈服强度、纵向配筋率、混凝土抗压强度、轴压比等性能指标均是影响FRP约束混凝土柱P—Δ和M—ψ滞回性能的重要参数;P—Δ滞回曲线方面，相比于钢筋混凝土试件出现的严重缩颈现象，FRP约束混凝土柱在轴压比增大时，P—Δ的滞回曲线表现良好，且柱体延性较好;刚度变化方面，相对于钢筋混凝土构件，FRP约束混凝土构件在承受往复荷载作用以及轴压比增大的情况下，刚度退化较之稍慢。

4 结语

我国“十三五”期间大量的基建修复工程，为碳纤维布加固技术提供了更加明朗的应用前景和广阔的市场。随着相关科研工作的不断深入研究以及工程实践经验的不断积累和总结，上述存在的加固布工艺的缺点以及抗震性能理论系统成果的不完善，将会得到很好的改善，碳纤维布加固技术及应用将日臻完善和成熟。

［1］于 清，陶 忠，高 献.REP约束混凝土柱抗震性能若干问题的研讨［J］.地震工程与工程振动，2006，26(4):75-82.

［2］于 清，陶 忠，高 献.REP约束圆钢筋混凝土柱滞回性能的理论分析［J］.工业建筑，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，工程师