利用高強非金屬纖維類材料，如碳纖維、玻璃纖維等對結(jié)構(gòu)進行加固的方法，具有耐久性好，施工簡便，不加大截面，不增加荷載，外形美觀等優(yōu)點，已成功用于多種結(jié)構(gòu)的抗震、抗彎和抗剪加固。但是，碳纖維加固方法也有其適用范圍，本文通過幾個工程實例，分析用碳纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點及其適用性。
試驗研究表明，用碳纖維材料包裹鋼筋混凝土柱，使纖維方向與柱軸線相垂直，可以有效提高柱的延性和承載力，增加其抗震耗能能力[1]。另外，剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，其破壞形態(tài)不外乎受彎延性破壞（中高剪力墻）或受剪脆性破壞（低剪力墻）。將碳纖維用于加固剪力墻，只要方法適當，也可顯著提高其延性和承載力。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固是碳纖維材料應用的一個有效領域。但應指出，用碳纖維對柱或剪力墻進行加固時，由于碳纖維本身屬預柔性材料，通過結(jié)構(gòu)膠與被加固結(jié)構(gòu)粘結(jié)，這就要求被加固結(jié)構(gòu)混凝土須滿足一定的強度要求，才有可能發(fā)揮碳纖維的加固效果。以下以實際工程為例說明碳纖維加固鋼筋混凝土柱并改善抗震性能的方法。
1.1工程概況和加固方案
某多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，施工驗收時發(fā)現(xiàn)有9根框架柱混凝土強度不能滿足設計要求，致使軸壓比過大，無法滿足軸壓比限值所需的延性要求，對此確定采用碳纖維布對柱進行包裹的加固方案。其理由一方面是碳纖維的包裹對柱混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作用，可在一定程度上提高混凝土的軸心抗壓強度；另一方面，碳纖維對柱的橫向約束作用還可顯著提高柱在水平荷載下的延性，滿足軸壓比的延性要求。
加固材料采用美國赫氏單向碳纖維布環(huán)氧復合材料。通過對承載力和延性的計算，對強度較低的3根柱采用沿整個柱高范圍包裹3層碳纖維布的方案，對其他6根柱采用沿整個柱高度范圍內(nèi)包裹2層碳纖維布的方案。
1.2加固承載力和延性分析
經(jīng)碳纖維加固后，可以顯著提高框架柱的抗剪承載力和延性。
原結(jié)構(gòu)為800㎜×800㎜框架柱，層高3.6m。根據(jù)有關研究結(jié)果，碳纖維加固后抗剪承載力的提高可按下式計算[2]：
VCFS=νρCFSfCFSbho
對本工程的全包裹加固方案，該公式可改寫為：
VCFS=2νtfCFSho
式中，t為包裹的碳纖維厚度，fCFS為碳纖維的極限抗拉強度，ho為混凝土截面有效高度，ν為碳纖維布受剪系數(shù)，按下式計算：
式中n為軸壓比，λ為剪跨比，λsv+λCFS為總配箍特征值。
設計混凝土強度為C40，按此計算，單根柱的抗剪承載力應為1312KN。對強度較低的3根柱，最低混凝土強度為28.3Mpa，未加固時的抗剪承載力為1031KN。包裹3層碳纖維，可算出承載力提高值為319KN，則加固后總承載力為1350KN，高于設計承載力。對另6根柱，最低混凝土強度為35Mpa，未加固時的抗剪承載力為1209KN。包裹2層碳纖維，可算出承載力的提高值為246KN，加固后總承載力為1455KN，也高于設計承載力。
根據(jù)有關試驗結(jié)果，當軸壓比確定時，碳纖維加固柱延性系數(shù)μ隨強剪弱彎系數(shù)Vs/VM基本呈線性增長。當軸壓比為0.48時，有如下擬合公式[3]：
μ=-1.278+5.233Vs/VM
由上式可見，碳纖維抗剪加固量越大，Vs/VM就越大，延性系數(shù)就越大。
另外，根據(jù)文獻[4]，當延性系數(shù)保持不變時，配箍特征系數(shù)與軸壓比有如下關系：
上式表明，當軸壓比增大時，為保持延性系數(shù)不變，應適當增加配箍率。
按保守估算，對本工程假設由于混凝土強度降低導致柱軸壓比增大值為0.3，則對應所需的配箍特征系數(shù)增量為0.066，而本加固方案新增碳纖維配箍特征系數(shù)為0.097，完全能滿足要求。
由上述分析可見，當用碳纖維加固鋼筋混凝土柱以提高抗震能力時，應根據(jù)承載力和延性指標確定碳纖維布的用量。
2、碳纖維用于樓板抗彎加固
碳纖維材料由于具有很高的抗拉強度，可以用于混凝土構(gòu)件的抗彎加固。碳纖維用于抗彎加固時，纖維粘貼方向應平行于構(gòu)件的主受力方向，另外，計算加固結(jié)構(gòu)的抗彎承載力時，也應考慮對碳纖維極限強度的折減。下面以工程實例說明碳纖維抗彎加固方法。
2.1工程概況
某現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，原樓板厚120㎜，現(xiàn)擬在其上增加一大型魚缸。
重3.6t，魚缸底座尺寸4.6m×1.2m（圖2）。由于新增荷載較大，須對原結(jié)構(gòu)進行加固。
2.2內(nèi)力分析
魚缸合力作用點離剪力墻軸線1.4m。內(nèi)力計算采用有限元法，將樓板按1m寬板帶劃分為若干單元。原結(jié)構(gòu)荷載中，恒載考慮板的自重，裝修層按水磨石地面考慮，活載標準值取2.5KN/㎡。剪力墻部位對板帶的約束按固定支座考慮，柱對梁的約束亦按固定支座考慮，梁板節(jié)點按剛接計算。主要內(nèi)力計算結(jié)果說明如下。
⑴在魚缸作用下，板的彈性撓度為0.9㎝左右，滿足正常使用要求，但前提是板的抗彎能力能夠抵抗新增的荷載。
⑵放置魚缸部位的樓板在剪力墻部位新增的負彎矩為4.6KN·m，在板跨中部位新增的正彎矩為1.8KN·m，而原結(jié)構(gòu)所能抵抗的彎矩基本與原荷載持平。板的抗剪能力也足以承擔新增荷載。
⑶梁L10在與梁ZL3相交的部位，其負彎矩也超出抗彎能力5.2KN·m，梁L10的跨中正彎矩超出4.5KN·m。
根據(jù)上述計算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在魚缸作用下抗彎能力不足，可采用碳纖維結(jié)合粘鋼加固。
2.3加固方案
首先，樓板負彎矩區(qū)在剪力墻部位需要加固，由于碳纖維不易錨固，故采用粘鋼板加固法，本文不予詳述。對于樓板正彎矩區(qū)，可采用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，一方面，當加固碳纖維布用量較大時，在樓板承載力極限狀態(tài)所能達到的強度較低，無法充分發(fā)揮其強度；另一方面，若減少碳纖維材料用量，其在承載力極限狀態(tài)可達到較高的應力，但由于碳纖維彈性模量與鋼材接近，在正常使用極限狀態(tài)下板就可能由于撓度過大而破壞。另外，碳纖維材料易發(fā)生脆性破壞，強度也應按保守取值。加固板的抗彎承載力按平衡條件計算，根據(jù)文獻[5]，碳纖維材料的極限拉應力取為極限強度的一半。
根據(jù)計算結(jié)果，擬沿短跨方向粘貼雙層200㎜寬纖維布，每兩塊纖維布間凈距也為200㎜，加固方案.
3、碳纖維加固方法的適用性
如上所述，碳纖維可成功地用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗震、抗剪和抗彎加固。但應該指出，由于碳纖維加固結(jié)構(gòu)固有的一些受力特點，許多混凝土結(jié)構(gòu)問題不適于用碳纖維進行加固，因此有必要對其適用性作出分析。
3.1剛度問題
當混凝土樓、屋蓋結(jié)構(gòu)由于剛度不足，導致變形過大、開裂嚴重而影響使用時，不適合用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對于梁、板等橫向受力構(gòu)件，當用碳纖維進行加固時，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對結(jié)構(gòu)剛度的提高作用小于10%，或基本沒有提高。
3.2碳纖維抗彎加固的適用范圍
當混凝土結(jié)構(gòu)由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進行加固時，加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)一方面取決于原結(jié)構(gòu)的配筋情況，另一方面取決于碳纖維的用量?，F(xiàn)假設原結(jié)構(gòu)為適筋構(gòu)件，則加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)可分為如下三種情況。
⑴碳纖維用量較少。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可以達到較高的拉應變。
⑵碳纖維用量適中。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達到某一中等拉應變。
⑶碳纖維用量較多。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維應變很低。
上述三種情況，第三種情況由于碳纖維用量大且強度利用率低，不宜采用。第一種加固方法適用于截面高度較大的梁，第二種加固方法適用于截面高度較小的板或扁梁。這主要是由于對板或扁梁而言，在碳纖維未達到很高的拉應變時，結(jié)構(gòu)就可能由于變形過大而破壞。具體界限取決于碳纖維極限拉應變和加載方式。
3.3抗扭問題
關于用碳纖維材料進行混凝土結(jié)構(gòu)的抗扭加固，目前國內(nèi)外進行的研究很少。從混凝土結(jié)構(gòu)的受扭破壞機理上看，不論使碳纖維的纖維方向垂直于軸線，還是平行于軸線，均可以約束扭轉(zhuǎn)斜裂縫的發(fā)展，起到一定的加固效果。
但是，由于用碳纖維進行加固時，一方面構(gòu)件裂縫已經(jīng)形成，裂縫分布已經(jīng)確定；另一方面由于碳纖維的極限應變可高達10000με以上，而普通鋼筋應變不到2000με即已屈服，若應變加到4000με以上時混凝土裂縫寬度已開展很大，必然開始向其他表面發(fā)展，結(jié)構(gòu)即已接近破壞，而此時碳纖維所能達到的應力可能還很低，因此碳纖維加固受扭構(gòu)件的效果有必要通過進一步研究確定。
4、結(jié)論
?、盘祭w維加固法可用于對混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪和抗震加固，但各有適用范圍。計算承載力時，應根據(jù)試驗結(jié)果考慮碳纖維強度的折減。
⑵碳纖維加固法不適于混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度不足，變形過大，在正常使用極限狀態(tài)的加固。當用于抗扭加固時，雖能起一定的作用，但并不經(jīng)濟，需通過進一步試驗研究確定。
