碳纤维布约束混凝土柱加固设计理论的工程应用研究.doc

碳纤维布约束混凝土柱加固设计理论的工程应用研究摘 要： 本文主要通过采用碳纤维布约束混凝土的方法提高混凝土框架柱轴压比的工程实践，来探讨实际工程中钢筋混凝土柱在轴压比满足不了抗震设计要求的情况下，如何选用合适的加固设计理论及方法对碳纤维布约束混凝土柱进行加固设计，并简要地介绍了碳纤维布约束混凝土加固柱的关键施工技术。关键词： 碳纤维布； 加固设计；混凝土柱； 轴压比 The application research of theory of R.C. columns strengthened by CFRP sheetsAbstract: This paper mainly through a project example of application of carbon fiber sheets to improve the carrying capacity of reinforced concrete columns, introduce the method of reinforce design and construction of using the carbon fiber sheets for strengthening the reinforced concrete columns in the case of axial compression ratio failed to meet earthquake design requirements.Key Words: carbon fiber reinforced plastic; reinforce design; concrete columns; axial compression ratio1 工程概况某商办综合楼1位于徐州市市中心，该楼原设计为地下二层、地上十五层，框架结构嵌岩桩基础，抗震等级为2级，柱网尺寸为6m7.5m及7.8m7.5m；2005年8月初该楼按原设计主体施工完成，但根据徐州市规划局2005年8月15日规划定点图意见，要求该建筑由原地上十五层变为十六层，增加一层；加层后经验算该楼的基础、剪重比、位移等均能较好地满足加层后的设计要求，但地上一层、二层及四层共有12根框架柱的轴压比超过规范轴压比限值0.8的要求,最大轴压比达到0.83，为满足框架柱的抗震设计要求，需要对轴压比超过规范要求的柱进行加固处理。2 加固方案的选取及加固材料的确定2.1加固方案的选取目前，在已建工程中，通过提高混凝土柱的竖向抗压承载力来降低其轴压比的加固方法主要有加大截面法、外包钢加固法及碳纤维（CFRP）布约束混凝土等方法2。（1）增大截面法：增大截面法是通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧重新浇注混凝土增大构件截面，来达到提高承载力的一种方法。该方法可以同时增加构件的刚度和变形能力，但该方法湿作业工作量大，养护期较长，且对构件尺寸和自重增加较大。（2）外包钢法：外包钢加固法是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固。主要是在结构构件四角(或两角)包以型钢约束原构件来提高其承载能力和变形能力。但该方法用钢量较大，加固费用较高，外界环境对其耐久性影响较大，且对混凝土横向约束力较低。（3）CFRP约束混凝土法：采用CFRP布及环氧树脂胶组成的复合材料横向包裹混凝土柱体来提高其竖向承载能力的一种方法。碳纤维是有机纤维在惰性气体中经高炭化而成的纤维状炭化合物，它具有优异的物理力学性能, 其抗拉强度可以达到3.0GPa4.0GPa，弹性模量可高达500GPa，密度比铝小，柔韧性极好。建筑工程加固所用CFRP布是一种PAN基碳纤维织物，它不但具有优异的物理力学性能，还具有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性。该加固方法施工十分方便，工效很高，加固完成后，基本上不改变构件的自重及体积,并且结构在以后的使用过程中无需再投入维护费用，使用寿命长。上述三种方法均能较好地提高混凝土柱的竖向承载能力，但加大截面法施工工期相对较长，且对构件尺寸和自重增加较大，外包钢法造价高，易受外界环境的影响，且对混凝土横向约束力较低。综合考虑该商办楼的安全性、加固施工工期、使用空间及耐久性的要求，最终选用横向粘贴CFRP布约束混凝土的方法来对其进行加固设计及施工。2.2 加固材料的确定 碳纤维加固混凝土的材料主要是指碳纤维片材（主材）及配套的树脂类材料，本工程采用的是德国进口的UDCS300CFRP布，所配套的树脂胶采用的是武汉大筑生产的碳纤维专用胶（底胶、修平胶、粘浸胶）。CFRP布和树脂胶的具体性能参数如下表1、表2所示。表1 碳纤维布（UDCS300）的性能指标CFRP计算厚度（）抗拉强度（MPa）弹性模量（MPa）伸长率(%)0.16737492.51051.5注：表中CFRP的抗拉性能及弹性模量均为单丝力学性能指标。表2 树脂胶的性能指标抗拉强度（MPa）抗压强度（MPa）剪切强度 弹性模量（MPa）4283.424.317053 加固设计该钢筋混凝土框架结构的抗震等级为2级，框架柱的轴压比限值为0.8，本次加固的柱的实际轴压比最大为0.83，混凝土强度等级为C30，加固柱的截面尺寸bh500mm500mm，柱净高2.7m。所需加固柱中绝大部分为小偏心受压柱，仅有四层的两根柱为大偏心受压柱。3.1碳纤维布的粘贴方案根据现有的大量相关研究可知34：对小偏心受压柱采用CFRP约束的的方法提高其承载能力是有效的，但大偏心条件下采用CFRP约束的方法对柱的承载能力提高量非常小，采用纵横向联合粘贴碳纤维对提高柱的承载能力效果较好。由于该建筑需处理的框架柱的轴压比超过规范要求的限值不是很大，综合考虑其安全性及经济性的要求，对需加固的小偏心受压柱（地上一层、二层需加固柱均为偏心距很小的小偏心受压柱，最大偏心距小于0.1h）采用间隔横向包裹CFRP布的方法进行加固设计。每道布宽200mm，包裹间距为50mm，错开搭接，搭接长度为150mm，沿柱高均匀粘贴；对四层的需加固的大偏心受压柱除了按照小偏心受压柱的加固方式横向包裹CFRP布外，再在柱的四角沿柱高纵向粘贴一道300mm宽的碳纤维布包角（见下图1）。本文仅对碳纤维约束小偏心受压柱的承载能力进行设计验算，对于大偏心柱的设计验算读者可参考文献5中的计算方法自行验算。3.2 碳纤维约束混凝土柱的机理及设计计算方法的选取3.2.1碳纤维约束混凝土柱的机理CFRP约束混凝土是一种被动约束，随着混凝土轴向压力的增大，横向膨胀促使外包复合材料环向伸长，产生侧向约束力，使混凝土处于三轴受压的应力状态，限制了混凝土的横向变形，使核心混凝土变为约束混凝土，这样不但提高了混凝土的承载能力，而且提高了它的变形能力。CFRP约束混凝土的受力过程一般表现出两个阶段：第一阶段，竖向荷载在未加固柱的极限荷载附近，混凝土处于线弹性阶段，CFRP环向应变很小；第二阶段，柱刚度降低，CFRP环向应变显著增长，环向约束力线性增加，该约束力限制了柱刚度的降低，使混凝土强度得到了较大的提高，延性显著增强。因此，CFRP布约束混凝土总体应力一应变性能成近似双折线关系2。3.2.2碳纤维约束混凝土柱的设计验算方法的选择由文献4的试验数据可知，采用相同的CFRP约束的方法加固的小偏心与轴心受压柱的承载能力相对同条件下非加固柱提高幅度(百分数)较大，且在偏心距很小的小偏心受压状态下的承载能力提高幅度较轴心受压状态下提高幅度相当，即采用轴心受压条件下CFRP约束混凝土柱的计算模型计算出的承载能力提高幅度百分数在偏心距很小的小偏心受压状态下也是完全适用的。由于本加固工程中需加固的偏压柱均位于该楼的底部，其偏心距均很小，因此，本文直接采用轴心受压条件下CFRP约束混凝土柱的计算模型来对CFRP布加固后的小偏心柱的允许轴压比进行计算。目前，轴心受压条件下碳纤维约束混凝土方形柱后的峰值应力的计算方法主要可分为两大类：（1）采用类似于箍筋约束混凝土模型的方法，将混凝土柱截面核心按约束强度大小分为强约束区和弱约束区（见下图2）。在强约束区(有效约束区)的两个方向的约束应力相等或相近，使混凝土处于实际的三轴受压状态，是约束混凝土的强度和变形性能提高的主要因素。在弱约束区中，垂直于表面方向的约束应力很小，顺碳纤维方向的约束应力和纵向应力使混凝土处于二轴受压应力状态，混凝土强度提高有限。根据碳纤维有效约束面积和所约束混凝土总面积之比来确定有效约束系数，进而来求峰值应力。该方法计算较为复杂，且较多是基于沿混凝土棱柱体通常粘贴碳纤维布试验研究的基础之上的，如国内卢亦焱等提出的计算方法6。（2）引入一个类似于配筋特征值的无量纲“含纤维维特征值”来计算碳纤维约束后的峰值应力，该方法是基于碳纤维约束混凝土全截面的平均应力来归纳的。该方法计算较为简便，具有代表的有赵彤、吴刚等提出的计算方法，其中赵彤的计算方法在较小时，适用性较好。根据以上分析，本加固工程采用的是间隔粘贴碳纤维布，且含纤维维特征值相对较小，采用方法2对该工程进行加固设计验算较为合适。 图1 框架柱加固示意图 图2 计算模型图3.3碳纤维加固柱的承载力设计验算及分析根据3.2中的分析，现分别采用赵彤7及吴刚8提出采用“含纤维维特征值”的计算方法来对碳纤维约束混凝土峰值应力进行计算，并进行设计验算。（1）赵彤等人根据大量的实验室试验得出碳纤维布约束混凝土的峰值应力及应变的关系和箍筋约束混凝土很相似。因此，他提出碳纤维布约束混凝土的峰值应力可以选用邢秋顺等人的箍筋约束混凝土的公式。在他提出的碳纤维布约束混凝土的峰值应力、峰值应变与非约束混凝土的峰值应力、峰值应变关系时，引入了一个与配箍特征值相类似的无量纲量含纤维特征值，用来表明碳纤维布的相对用量。其中：为碳纤维布与约束混凝土的体积比；为混凝土的实测强度值；为碳纤维的折减抗拉强度，其大小为碳纤维布实验室实测极限抗拉强度（并非单丝抗拉强度）的2/3。碳纤维布约束混凝土的峰值应力与非约束混凝土的峰值应力关系如下： 式中为碳纤维布约束混凝土的峰值应力，为非约束混凝土的峰值应力。根据上述关系对该设计方案进行设计验算： 则：允许轴压比可有提高到 满足抗震设计要求。在使用该计算方法时，由于碳纤维布是弹性材料，当混凝土达到其极限抗拉强度时，碳纤维布未必刚好达到其最大拉应力，因此，计算的值可能偏大。此外，在该计算方法中采用的碳纤维布抗拉强度并非单丝抗拉强度，而是实验室按照一定方法7检测所得的实际抗拉强度，该值远低于单丝抗拉强度，而在实际工程中，厂家所提供的碳纤维布检测报告仅有单丝抗拉强度值。因此，该方法在实际工程中的应用仍存在着一些不足。（2）吴刚认为碳纤维布约束混凝土的峰值应力与峰值应变主要和侧向约束刚度与混凝土的弹性模量的比值有关，他也引入了一个与配箍特征值相类型的无量纲量含纤维特征值：式中为碳纤维布与约束混凝土的体积比；为CFRP的弹性模量；为混凝土的弹性模量。将混凝土弹性模量与联系起来得到：式中为混凝土立方体抗压强度。峰值应力计算公式为： 式中为CFRP约束后的峰值应力提高系数，与分别为约束前后的混凝土强度。对于的取值可按以下方法确定：C30混凝土： 其他混凝土： 式中是对不同强度混凝土的调整系数，根据上述计算方法对该设计方案进行设计验算 则：允许轴压比可有提高到 满足抗震设计要求。该计算方法中提出了明确物理意义的含纤维特征值，但该计算方法是根据圆柱体的极限应力来求受约束棱柱体的极限应力的方法，是否准确仍有待进一步研究。4 加固施工中注意的关键技术本加固工程施工流程严格按照碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程（CECS146：2003）中的施工规定执行，并重点注意了以下几个方面19：(1)在粘贴碳纤维布前，必须先对加固柱的柱体表面打磨平整，除去表面杂质，柱的四角打磨成半径不小于20mm的光滑圆弧状，并将柱表面清理干净保持干燥，以保证其粘结效果；(2)合理地使用修平胶进行找平填补，底胶及浸胶必须涂刷均匀，以免造成界面的剥离破坏；(3)碳纤维布的横向搭结长度必须完全满足设计要求，以保证其粘结强度得到完全的发挥；(4)底胶及修平胶表面指触干燥后应立即进行下道工序；碳纤维布粘贴完后，应在碳纤维布外表面再涂刷一层粘浸胶；(5)由于本工程是冬季施工，环境温度小于5，胶的干燥速度较慢，在施工过程中采取一些特殊措施以满足施工环境的要求，具体措施如下：）将结构胶置于热水中加温，并在结构胶的配胶过程中在允许范围内适当提高其乙组分用量，以缩短胶的初凝时间；）使用彩条布将柱体及其四周作业空间封闭形成一封闭小空间，在其内加热，直至温湿度达到施工规定要求时再进行施工。 5 主要结论及建议（1）从碳纤维约束混凝土的机理来分析,由于碳纤维布约束混凝土柱的影响因素很多，目前的碳纤维约束混凝土方形柱的应力应变关系模型及约束后的混凝土峰值应力应变计算公式在实用性上或多或少均存在着一些不足。故在本设计验算过程中,采用了两种对该工程较为适用的计算方法对粘贴碳纤维布的方案进行了验算，确保了该加固工程的可靠性和经济性。（2）从CFRP约束混凝土柱结构的设计理论来分析，目前的CFRP约束混凝土的本构关系模型及峰值应力应变计算方法大多是建立在轴心受压状态下试验研究的基础之上的，对于偏心受