CFRP加固大厦框架柱抗震性能的设计与施工

CFRP 加固大厦框架柱抗震性能的设计与施工
1 工程概况
大厦框架柱原设计混凝土强度等级八层以下（包括八层）为C50，八层以上为C40，但经现场取样检测，八层柱和九层柱混凝土未达到设计强度，立方体抗压强度实测值分别为30.44MpaT 和29.1MPa 。

经验算，这两层中大部分柱（图1）的轴压比不符合设计规范要求，柱的抗震性能得不到保证，必须进行加固，加固后柱的轴压比应小于0.9。

图1 大厦主楼加固范围内柱网
为降低加固费用，设计院在征得甲方同意后选用了新型轻质的墙体材料和楼面装修材料，以最大限度地减少荷载，重新计算后，提出只需将八层柱混凝土强度等级加固到C45即可，九层柱仍加固到C40。

经多方案比较后决定采用施工方便、不改变结构构件建筑尺寸的体外粘贴包裹CFRP 布补强新技术[2]
对混凝土柱进行加固。

2 加固机理
混凝土在侧向约束的作用下，轴向抗压强度和延性均可得到提高。

CFRP 布由于在树脂凝固前十分柔软，可紧密包裹于混凝土柱的周边，并由于其具有较高的强度和优越的变形能力，可在固化后对柱形成有效的约束机制，使混凝土的抗压强度得到提高从而降低柱的轴压比，使原轴压比超限的柱满足规范所规定的要求。

CFRP 约束混凝土矩形截面柱由于在国内尚处于研究阶段，碳纤维加固规范中还没有相应的设计条文。

本工程在参照了国内外研究成果的基础上，采用了Mander [1]公式进行设计。

设计中，考虑到所加固的柱大部分为边柱，是偏压构件，且柱截面尺寸较大，对CFRP 布极限抗拉强度引入折减系数0.6。

根据Mander 公式，经CFRP 布条带环向约束后柱混凝土抗压强度ƒ′co 为
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡-++-='''
'''
294.71254.2254.1co co co
cc
f f f f f f ιι （1） 其中，对于矩形截面柱cc
st
us b s h s hs A f f ρι---⋅=
1)
21)(21(2'
'' 式中：
'co
f 、'
cc f ——CFRP 约束前后混凝土圆柱体抗压强度； 'ιf ——侧向约束强度；
1
ƒus 、A st ——CFRP 抗拉强度和每道CFRP 条带受拉截面积； s 、s ′——CFRP 条带的中心间距和净间距； b 、h ——被加固混凝土柱的截面宽度和高度； ρcc ——纵向钢筋配筋率。

3 加固设计
本工程采用日产FTS-C1-20型碳纤维布进行加固，抗拉强度为3550MPa ，弹性模量2.35×105MPa ，厚度0.11㎜。

由于净间距对加固效果的影响较大，为了尽量减小净间距，从而减少混凝土柱的薄弱段，将大部分柱的第1层CFRP 全截面包裹，不留间隙。

设计时尽可能将第1层用CFRP 全截面包裹，以后各层为间隔条带加固，然后运用叠加原理，分层按公式（1）进行计算，将各部分加固后强度提高系数进行叠加，从而得出总的提高系数。

加固柱位置详见图2和图3，加固方案详见表1和表2。

表1 九层柱粘贴CFRP 加固方案和混凝土强度提高比例
注：柱位置编号“9-7G”表示第九层上轴线7和G相交点处的柱，表中其他柱子表示方法均与此同。

表2 八层柱粘贴CFRP加固方案和混凝土强度提高比例
注：柱位置编号“8-4D”表示第八层上轴线4和D相交点处的柱，表中其他柱子表示方法均与此同。

从国内大量柱抗震性能试验的试验现象中观察可知，在地震作用下柱端最容易发生破坏，因而除按计算进行条带层数、宽度和间距设计外，还需加强构造措施，在所有需加固的柱中柱端0.5m范围内均无间隙包裹CFRP，以增强约束效果。

柱的角部一定要倒角处理，否则CFRP会因应力集中而提前破坏[3]，高强度的优点得不到发挥。

倒角时要严格把关，保证角部圆弧半径不小于50㎜。

4 加固施工
4.1 加固材料
本工程采用日产FTS-C1-20型高性能碳纤维布，碳纤维搭接部分采用配套粘结树脂共三种，包括：⑴FP-NS底涂树脂，主要作用是增强混凝土粘结面的强度，同时提高碳纤维布与混凝土之间的粘结强度；⑵FE-Z整平树脂，作用是找平并修补混凝土表面的缺陷；⑶FR-E3P浸润树脂，作用是粘贴碳纤维布，并做表面涂覆。

为降低工程造价，非搭接部位采用国产专用CFRP树脂，其组分及性能与进口胶相近，也有三种，包括：⑴底涂树脂CFP；⑵整平树脂CFE；⑶浸润树脂CFR。

4.2粘贴CFRP施工流程
⑴准备工作
2
搭设临时支架，并做好防护工作，必要时搭设防护栏和操作平台。

⑵基面打磨清洗
去除混凝土表面的粉刷层，把混凝土表面打平，将转角打磨成规定的圆弧状，要保证转角处曲率半径不小于50㎜。

用丙酮擦洗混凝土表面，去除表面浮灰。

⑶基面修补
补平混凝土基面上的蜂窝、空隙、凹陷与缺失处，面积较小处可直接用整平树脂填补，面积较大处可用树脂砂浆填补。

⑷涂敷底涂树脂
确认混凝土表面满足要求后，涂敷底涂树脂。

⑸涂敷找平树脂
底涂树脂面干后，涂敷找平树脂。

⑹铺贴碳纤维布
首先按照施工图裁剪碳纤维布，然后在混凝土柱表面放样，搅拌并涂刷粘结树脂，将碳纤维布铺贴于适当位置，并继续涂刷粘结树脂，使布充分浸润。

待树脂面干后，在其表面再涂敷一层粘结树脂。

⑺整饰工作
在加固后的柱表面涂抹防护砂浆，加固完成后将搭设的临时设施去除。

5 结语
对不满足抗震延性要求的混凝土柱可在其周边粘贴包裹CFRP条带进行加固，该方法施工方便，工期短且不影响建筑使用功能。

目前该大厦经加固后已全面交付使用，CFRP加固新技术的运用获得了良好的社会效益，得到了业主和当地建设主管部门的好评与肯定。

参考文献
1 H.Saadatmanesh，M.R.Ehsani，M.W.Li.“Strength and Ductility of Confumns Externally Reinforced with Fiber Composite Straps”，ACI Structural Journal，V ol.91，No.4，July-August，1994
2 吴刚，郭正兴，张继文.碳纤维复合材料加固混凝土结构技术及施工要点.《建筑技术》，V ol.31，No.6，2000.6
3 潘景龙，王雨光，来文汇.混凝土柱截面形状对纤维包裹加固效果的影响.《工业建筑》，V ol.31，No.6，2000.6
3。