摘要：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，已成功运用于多种结构的抗震、抗弯和抗剪加固。本文提出碳纤维加固补强混凝土结构所用的碳纤维和粘结材料的性能及在抗震加固中的应用。
关键词：混凝土,结构,加固,碳纤维,粘结材料,抗震加固
1 碳纤维增强材料(CFRP) 加固补强的发展
混凝土结构是土木工程中应用最多的一种结构。由于施工质量、地震、改变使用功能及劣化等多方面的原因，都迫切需要进行加固补强和修复。特别是近年来，对大量现有的建筑结构进行改造和翻新，最大程度地利用现有的建筑资源，保证其使用安全，延长使用年限，是当今国际工程界关注的一个重大课题。
现有结构加固和翻新改造技术，可分为四大类：(1)加大截面加固法(又称增厚法，即在原结构上再浇注一定厚度的钢筋混凝土);(2)外包钢加固法;(3)预应力加固法;(4)改变结构传力途径加固法。应用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics，of Fiber Rein—forced Polymer，简称FRP)尤其是碳纤维增强复合材料(CFRP)对钢筋混凝土结构进行修复、加固和释新改造的新技术，近几年在国际上深受重视并已经获得较大发展和广泛应用。其优越性已在日本大坂和美国洛杉矶地震中对被损坏建筑结构物的修复中得到很好的验证。
我国是世界上混凝土结构使用最多的国家。资料表明我国有相当多的混凝土结构面临劣化、强度不足、耐久性和安全性过低的问题，急需对这些结构进行加固补强，提高耐久性，保证安全使用。另一方面。许多新旧建筑由于增加或改变使用功能，更需要加固补强，翻新改造。因此，研究、开发和应用新型碳纤维增强系列材料是建筑业可持续发展的必然趋势。
目前，虽然已经开发成熟并在工程中使用的FRP(纤维增强复合材料)主要有三种：CFRP(碳纤维增强复合材料)，AFRP(芳纶纤维增强复合材料)和GFRP(玻璃纤维增强复合材料)。但实际证明CFRP具有其他纤维可无比拟的高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点。表2列出了各种加固方法的比较，充分说明碳纤维的优越性，因此，CFRP在国内外用量最大。碳纤维的缺点是有导电性，因此不能应用在要求绝缘的场合，同时要注意克服碳纤维的脆性破坏。
2用CFRP加固补强的优点和需要进一步研究的问题
现有常见的FRP应用中，从各方面性能来看大多优先采用CFRP。不论是CFRP布或是CFRP索，在工程中的应用都比较适合。另外CFRP布应用于混凝土结构加固是比较合适的途径和方式。不仅可用于建筑结构或是桥梁结构的承载力加固，也可用于抗震加固，而且也可用于人防工程的结构加固等。
碳纤维是化学纤维领域的一个很大的族系。虽然在建筑行业中使用碳纤维加固只有十年左右的时间，但是碳纤维材料以其轻质、高强、耐高温等优良的性能受到了人们的青睐。20世纪50年代后人们主要研究如何进一步开发碳纤维，如何提高碳纤维的强度和模量这个方向上。现在生产碳纤维已经达到了当时提出的高强度、高模量、重量轻、耐高温的要求，并不断发展进步，已经在各领域得到广泛应用。轻质、高强、高模量对建筑行业是十分重要的，尤其是对已有桥梁，在使桥梁提高同样承载力的情况下，采用钢材加固和采用碳纤维加固比较，附加的重量可以减少到原来的1/30，仅从附加重量就可以凸现出碳纤维加固的效果。各种加固方法的比较(见表1)
目前，研究CFRP加固混凝土结构的文献很多，但大部分都是定性分析，缺少定量计算和研究，设计公式中含有很多经验成分，对于各种破坏模式特别是抗震性能的探讨还非常有限。另外我国还没有FRP加固混凝土结构的国家标准，需要进行大量的试验研究和技术储备。我国是地震灾害最为严重的国家之一。地震活动频度高、强度大、分布范围广、成灾率较高。建筑结构的抗震加固研究一直是地震工程领域的一个重要方向。建筑结构在地震荷载作用下，由于柱的破坏或损伤会导致建筑物倒塌而产生严重的人员伤亡和经济财产损失。因此，首先通过定量研究不同国家、地区CFRP加固混凝土柱的规范和规程，力求探索CFRP用量与提高混凝土柱抗震性能的定量关系，进而定量研究碳纤维加固混凝土结构抗震性能指标和参数等，为今后我国制定国家规范提供参考，具有理论和现实意义。
3 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。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)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。
3.1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，对此决定采用碳纤维布对柱进行包裹的加固方案。其理由一方面是因为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。
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，加固方案如图1 所示。
3.2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800m╳800m框架柱，层高3.6m 。根据有关研究结果，碳纤维加固后抗剪承载力的提高可按下面公式计算：
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，V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，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。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，当延性系数保持不变时，配箍特征系数与轴压比呈正相关的关系。即当轴压比增大时，为保持延性系数不变，应适当增加配箍率。
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。
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