碳纤维材料在框架四层教学楼工程抗震加固中的应用

碳纤维材料在框架四层教学楼工程抗震加固中的应用
1、结构的鉴定分析
本公共建筑使用功能为教学楼，建于1978年，主体为4层双排柱内框架结构，内框柱采用独立基础，基础埋深-3.3m，建筑高度20.55m，局部区域为4层砖砌体结构，建筑面积8309㎡，平面布置如图1所示。

该建筑物由于建造时间较早，设计时未考虑抗震设防。

内框架节点区梁、柱端部箍筋未加密，为使建筑物具有足够的抗震能力，按照《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）对该楼进行抗震鉴定，结论表明，内框架梁柱节点区因箍筋直径及间距设置不满足要求必须进行抗震加固。

图1 结构平面示意图
2、抗震加固方案的确定
框架结构梁柱节点区由于受力复杂，规范中为保证“强节点、弱构件”的设计原则，通常采取在柱端和梁端一定区域箍筋加密的原则，防止节点区的脆性破坏，增强结构的抗震性能。

本工程由于工期、资金和建筑功能的要求，对加固方案提出了很多限制，传统的抗震加固方案难以实施。

在此基础上，我们通过制定各种合理方案，比较各方案的优缺点，从而确定最佳方案。

2.1方案1——粘钢加固法
粘钢加固法是目前国内应用较普遍的传统的加固方法，但由于在粘结胶和钢板的交接面处容易发生锈蚀，从而削弱粘结强度，因而影响加固效果。

2.2方案2——粘碳纤维加固法
碳纤维复合材料（CFRP）加固修复混凝土结构技术是20世纪80年代末90年代初在美、日等发达国家兴起的一项新型结构加固技术，与粘钢法相比，这种方法没有界面粘结强度的削弱问题，碳纤维加固法以其材料优越的力学性能（图2）、简便的施工工艺（图3）在土木工程加固改造中得到了越来越广泛的应用。

该项技术与传统的加固方法相比有许多明显的优点，如高强高效、施工便捷、适用面广、良好的材料耐久性等。

本工程由于对加固技术的要求较高，传统的加固方法难以奏效，而碳纤维加固由于具有需要的设备、机具较少，不会产
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生明火，不改变原有结构的尺寸，不增加原有结构的荷载，施工影响较小等特点，比较适合。

各方案比较见表1，可以看出，对本工程来说，方案2是一种较合适的加固方法。

表1 碳纤维加固方法与其他加固方法比较
图2 纤维复合材料与金属材料各项性能对比示意
1－钢，2－铝，3－复合材料
图3 碳纤维布加固的施工工艺
2 3、结构的加固设计及加固效果
3.1结构的加固设计
碳纤维材料为线弹性材料，其本构关系如图4所示。

图4 材料本构关系 图5 CFS 约束下混凝土柱的轴向应力－应变关系模型 混凝土柱采用碳纤维约束后的应力-应变的函数关系[1]模型，如图5所示，该模型应力-应变关系与试验值吻合较好，可以很好地反映CFS 的约束效果。

采用碳纤维布环向粘贴加固混凝土柱时，能提高柱子受剪承载力并增大延性系数，其延性加固效果非常明显；加固柱子时碳纤维的作用相当于箍筋，但由于有混凝土保护层的存在，其对内部混凝土的约束比箍筋更有效。

加固设计时在混凝土梁柱原有箍筋的基础上，沿垂直于构件轴向U 形或环向粘贴碳纤维，其总折算配箍特征率满足相应规范要求，节点区抗震性能显著增强。

加固设计及施工如图6所示。

图6 碳纤维加固示意
1－梁侧U 型粘贴碳纤维布宽200mm ，间隔200mm ；2－柱环形粘贴一层20型碳纤维布宽200mm ，间隔200mm
3.2结构的加固效果
节点区采用碳纤维材料加固处理后，梁柱断面尺寸和重量没有增加，构件外形没有改变，其加固效果如图7所示。

图7 节点加固详图
4、结论
本工程的主体结构加固改造已完工，碳纤维粘贴量为300㎡，整个工期为20d，保证了工期，加固质量也得到了很好的保征，收到了很好的综合效益。

在建（构）筑物的抗震加固中，有许多问题有待我们去研究解决，本项目作为高性能纤维材料应用于土木工程中的一个实例，可为其它同类工程借鉴。

参考文献
1 张柯，丘清瑞等，碳纤维布加固混凝土柱改善延性的试验研究.工业建筑，2000，30（2）：16～19
2 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心.北京大学200号数学力学楼抗震鉴定报告.1999
3 中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（报批稿）》2001
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