碳纤维复合材料(CFRP)加固技术在民族文化宫大修工程中的应用 ………………………………颜子涵等 1 前言 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固修复混凝土结构技术是近年来在发达国家兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树指类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体CFRP，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。 加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为二种：碳纤维与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十几倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料。配套树指则包括底层树脂、整平材料及粘贴树指，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作。 针对民族文化宫Ⅳ段屋架所暴露出的结构问题，在所提出的众多加固方案中，考虑到碳纤维复合材料(CFRP)加固技术具有的诸多优点，经多方比较，确定采用CFRP对屋架进行抗震加固。 2 加固设计依据及原则 碳纤维材料加固混凝土结构构件，通常有以下几种方式：(1)沿构件的主轴方向粘贴碳纤维，以提高构件的抗弯能力；(2)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力；(3)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维布以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在国外应用最多的是碳纤维用于结构抗震补强加固，即采用第三种方式的加固，利用碳纤维材料优异的力学性能，通过约束混凝土的形式，改变原结构在地震反复荷载作用下的变形能力，达到补强加固的目的，具体而言，其对于提高结构的抗震性能主要体现在以下两方面： (1)提高了压区混凝土的变形能力 日本细谷学等在混凝土柱试验研究的基础上所提出的碳纤维约束下混凝土σc～εc关系曲线见下图。 在区域1，轴向应力随轴向应变量呈指数关系上升；在区域2，轴向应力是轴向应变的一次函数，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心与清华大学合作的试验表明该关系曲线与试验吻合较好，同时也对σc～εc表达式进行了修正，对于常见的方形截面，碳纤维约束下混凝土σc～εc结构关系可按下式表示： Eg≥0时 σc=Ecεc(n=(Ec－Eg)εp/Ecεp－σp,0≤εc≤εp)， σc=σp＋Eg(εc－εp)(εp<εc≤εu) Eg<0时 σc=Ecεc(n=Ecεp/Ecεp－σp,0≤εc≤εp) σc=σp＋Eg(εc－εp)(εp<εc≤εu) εp=0.0033＋0.00995 εcu=0.0034＋0.0802 各参数的含义如下： Ec，Ecfs：分别为混凝土、碳纤维的弹性模量 Eg：区域2直线的斜率，Eg=－1.198Ecfs (与碳纤维加固量有关，ρcfs较大时，Eg≥0 ρcfs较小时，Eg<0) 、fyv、fcfs：分别为圆柱体抗压强度、箍筋屈服强度及碳纤维级限强度。 ρsv·ρcfs：钢筋与碳纤维的体积配箍率。 εcfs：碳纤维极限拉应变，通常取15000με。通过与相同强度下混凝土轴心受压σc～εc本构关系对比可以发现，在碳纤维约束下的混凝土变形能力得到了很大的改善，尤其是碳纤维加固量较大时下降段还改变为上升段，并且混凝土的极限压应变有明显提高，这样就能推迟压区混凝土的脆性破碎，从而充分发挥钢筋的塑性变形性能，改善结构延性。 (2)提高结构在地震作用下的耗能能力 对于抗震结构的要求除了要有足够的强度，不发生强度破坏外还必须有一定的延性，保证结构具有良好的塑性变形能力，能够耗散更多的地震能量，大量试验结果表明：碳纤维约束下的混凝土构件可以较为充分地发挥碳纤维的抗拉强度，因而在地震反复荷载作用下表现出良好的延性性能，这一点在近期完成的由国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心与清华大学合作的一组碳纤维加固对比试验中可以得到验证，图2为两个高轴压比(λ=0.48)柱在低周反复荷载下的V_D滞回曲线。 (a)(b)柱截面尺寸，混凝土强度配筋完全相同，但(b)柱用碳纤维材料沿与主轴垂直方向全包一层碳纤维，从滞回曲线上看，加固后的(b)柱滞回环丰满，滞回环包线平稳，表明加固后柱的延性及耗能能力均很好，同时，柱的破坏形态也由脆性的压剪破坏变为延性较好的弯剪破 图2 (a)(b)柱对比滞回曲线 坏，同期进行的试验还表明，对于配筋量相对少的构件，即ρsv/ρcfs越低的情况下采用碳纤维材料加固的效果就越明显。这样由以上分析可见碳纤维材料对于工程上常见的混凝土结构抗震加固是完全可行的。 3 屋架加固方案民族文化宫Ⅳ段屋架根据抗震加固设计要求(设防烈度8度)进行了检测与可靠性评估，结果表明屋架多根杆件的承载力不满足抗震要求，屋架端部第一节间的斜压杆及下弦拉杆均被评为C级，其承载力不满足现行规范要求。此外，在屋架端部下弦节点处也普遍存在许多因节点处缺少垂直端腹杆方向的箍筋以及次应力所产生的裂缝。因此，从安全性、适用性、耐久性三个方面考虑，需要对屋架进行加固，并采用以下加固方案： (1)屋面卸荷。将原漏水严重的混凝土屋面板全部更换为轻钢屋面，使得屋面荷载大大减轻，通过卸荷来提高屋架使用的安全性。 (2)粘贴碳纤维加固。包括端腹杆、端节点、柱头及下弦杆四个部位。 ①屋架端腹杆。考虑用四面缠绕碳纤维的方式进行加固，利用前文所提的碳纤维约束轴心受压混凝土的本构关系，先考虑缠绕一层的情况，用加固量ρcfs代入本构关系，求出峰值应力σp，最后经复核在这种加固方式下R/γoS满足要求。 ②屋架端节点及柱头。这些区域都是应力较为复杂、在地震中反应比较强烈容易产生震害的部位，考虑在端部下弦节点处沿水平和竖直两个方向各缠绕两层碳纤维，这样封闭式的缠绕可以形成更加有效的三向约束混凝土形式，显著提高其抗压强度，同时弥补此处配箍量的不足，改善混凝土的延性，在端部上弦节点处以及柱头箍筋应加密的区段内均缠绕一层碳纤维，使得这些部位的抗震性能得以提高。 ③屋架下弦杆件。在设计计算上按轴心受拉杆杆件考虑下弦杆的加固，但由于纵向支撑的存在，不可能在杆件四面都粘贴碳纤维，设计上只能按单面粘贴碳纤维来考虑，并且还应考虑二次受力问题。经计算，在下弦底面通长粘贴一层碳纤维即可满足承载力要求，由于在两端节点处四面缠绕了碳纤维，因此，这对于下弦通长的碳纤维在端部就形成了很好的锚固，使得碳纤维能发挥其抗拉强度高的特点，增加下弦杆的抗拉承载能力。而且粘贴碳纤维对于下弦底面普遍存在的裂缝也起到良好的封闭及抑制作用，提高了下弦杆件的耐久性，达到了双重补强加固的目的。设计方案见图3。 4 施工要点粘贴碳纤维施工尽管工效高，操作便捷，但由于许多具体条件所限，在施工时除应遵循工艺要求外，还应注意以下要点： ①设计上考虑了屋面卸荷，因此，粘贴碳纤维必须在更换屋面后再进行； ②混凝土基面处理的程度将直接影响到加固效果，因屋架的使用年限较长，所以混凝土基面必须仔细打磨，去除其表面的劣化部位，直到露出完整的混凝土结构层； ③由于三面及四面缠绕的部位较多，因而在屋架杆件的转角处必须打磨成R≥150 mm的圆弧，并且用整平材料处理平滑，防止碳纤维在折角处产生的应力集中； ④施工时正值冬季，气温较低，为保证粘贴碳纤维所需要的温度条件，在施工时应配备足够的加热设备，先对混凝土表面进行预热再粘贴碳纤维，施工过程中要确保粘贴部位的温度在5℃以上； ⑤对于长度大于3 m的碳纤维要采用分段粘贴的形式，并做好搭接标志，保证碳纤维之间的搭接长度>150 mm，在粘贴时要用辊子沿纤维方向反复滚压捋出气泡，使粘贴树脂充分浸渍碳纤维。 5 结论对于民族文化宫这种重要大型建筑屋架采用碳纤维加固在国内尚属首次，具有相当的难度。碳纤维集中了许多优良的材料性能，在本次工程应用过程中更是体现了如下特点：①适用面广。既可用于提高结构的承载力，又能适用于抗震加固，改善结构的延性。而且加固手段多，可以根据需要采用不同的加固方法来达到最终的目的。②施工便捷，工效高。整个施工过程无须用任何大型机具，也没有湿作业。成品的碳纤维为卷材织物的形式，可以根据需要任意裁剪，施工占用场地少，方便灵活，全部施工面积近200 m2，仅用21个工日完成。③施工性能好，粘贴碳纤维的许多部位如上、下弦节点等处尺寸比较复杂，形状也不规则，而碳纤维材料轻质细薄，易于操作，正好解决了这些难题，并且与粘钢相比，其施工质量更易于保证。碳纤维材料(CFRP)加固技术在此次屋架加固上的成功运用，为今后的结构抗震加固提供了一条新的思路和方法，也为该项技术在国内工程领域内的应用打下了良好的基础。
碳纤维复合材料(CFRP)加固技术在民族文化宫大修工程中的应用 ………………………………颜子涵等 1 前言 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic)加固修复混凝土结构技术是近年来在发达国家兴起的一项新型加固技术，该项技术是将碳素纤维这种高性能纤维应用于土木工程，利用树指类材料把碳纤维粘贴于结构或构件表面，形成复合材料体CFRP，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。 加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要为二种：碳纤维与配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十几倍，而弹性模量与钢材相当，某些种类(如高弹性)碳纤维的弹性模量甚至在钢材的两倍以上，且施工性能与耐久性良好，是一种很好的加固修复材料。配套树指则包括底层树脂、整平材料及粘贴树指，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体，并且共同工作。 针对民族文化宫Ⅳ段屋架所暴露出的结构问题，在所提出的众多加固方案中，考虑到碳纤维复合材料(CFRP)加固技术具有的诸多优点，经多方比较，确定采用CFRP对屋架进行抗震加固。 2 加固设计依据及原则 碳纤维材料加固混凝土结构构件，通常有以下几种方式：(1)沿构件的主轴方向粘贴碳纤维，以提高构件的抗弯能力；(2)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力；(3)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维布以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在国外应用最多的是碳纤维用于结构抗震补强加固，即采用第三种方式的加固，利用碳纤维材料优异的力学性能，通过约束混凝土的形式，改变原结构在地震反复荷载作用下的变形能力，达到补强加固的目的，具体而言，其对于提高结构的抗震性能主要体现在以下两方面： (1)提高了压区混凝土的变形能力 日本细谷学等在混凝土柱试验研究的基础上所提出的碳纤维约束下混凝土σc～εc关系曲线见下图。 在区域1，轴向应力随轴向应变量呈指数关系上升；在区域2，轴向应力是轴向应变的一次函数，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心与清华大学合作的试验表明该关系曲线与试验吻合较好，同时也对σc～εc表达式进行了修正，对于常见的方形截面，碳纤维约束下混凝土σc～εc结构关系可按下式表示： Eg≥0时 σc=Ecεc(n=(Ec－Eg)εp/Ecεp－σp,0≤εc≤εp)， σc=σp＋Eg(εc－εp)(εp<εc≤εu) Eg<0时 σc=Ecεc(n=Ecεp/Ecεp－σp,0≤εc≤εp) σc=σp＋Eg(εc－εp)(εp<εc≤εu) εp=0.0033＋0.00995 εcu=0.0034＋0.0802 各参数的含义如下： Ec，Ecfs：分别为混凝土、碳纤维的弹性模量 Eg：区域2直线的斜率，Eg=－1.198Ecfs (与碳纤维加固量有关，ρcfs较大时，Eg≥0 ρcfs较小时，Eg<0) 、fyv、fcfs：分别为圆柱体抗压强度、箍筋屈服强度及碳纤维级限强度。 ρsv·ρcfs：钢筋与碳纤维的体积配箍率。 εcfs：碳纤维极限拉应变，通常取15000με。通过与相同强度下混凝土轴心受压σc～εc本构关系对比可以发现，在碳纤维约束下的混凝土变形能力得到了很大的改善，尤其是碳纤维加固量较大时下降段还改变为上升段，并且混凝土的极限压应变有明显提高，这样就能推迟压区混凝土的脆性破碎，从而充分发挥钢筋的塑性变形性能，改善结构延性。 (2)提高结构在地震作用下的耗能能力 对于抗震结构的要求除了要有足够的强度，不发生强度破坏外还必须有一定的延性，保证结构具有良好的塑性变形能力，能够耗散更多的地震能量，大量试验结果表明：碳纤维约束下的混凝土构件可以较为充分地发挥碳纤维的抗拉强度，因而在地震反复荷载作用下表现出良好的延性性能，这一点在近期完成的由国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心与清华大学合作的一组碳纤维加固对比试验中可以得到验证，图2为两个高轴压比(λ=0.48)柱在低周反复荷载下的V_D滞回曲线。 (a)(b)柱截面尺寸，混凝土强度配筋完全相同，但(b)柱用碳纤维材料沿与主轴垂直方向全包一层碳纤维，从滞回曲线上看，加固后的(b)柱滞回环丰满，滞回环包线平稳，表明加固后柱的延性及耗能能力均很好，同时，柱的破坏形态也由脆性的压剪破坏变为延性较好的弯剪破 图2 (a)(b)柱对比滞回曲线 坏，同期进行的试验还表明，对于配筋量相对少的构件，即ρsv/ρcfs越低的情况下采用碳纤维材料加固的效果就越明显。这样由以上分析可见碳纤维材料对于工程上常见的混凝土结构抗震加固是完全可行的。 3 屋架加固方案民族文化宫Ⅳ段屋架根据抗震加固设计要求(设防烈度8度)进行了检测与可靠性评估，结果表明屋架多根杆件的承载力不满足抗震要求，屋架端部第一节间的斜压杆及下弦拉杆均被评为C级，其承载力不满足现行规范要求。此外，在屋架端部下弦节点处也普遍存在许多因节点处缺少垂直端腹杆方向的箍筋以及次应力所产生的裂缝。因此，从安全性、适用性、耐久性三个方面考虑，需要对屋架进行加固，并采用以下加固方案： (1)屋面卸荷。将原漏水严重的混凝土屋面板全部更换为轻钢屋面，使得屋面荷载大大减轻，通过卸荷来提高屋架使用的安全性。 (2)粘贴碳纤维加固。包括端腹杆、端节点、柱头及下弦杆四个部位。 ①屋架端腹杆。考虑用四面缠绕碳纤维的方式进行加固，利用前文所提的碳纤维约束轴心受压混凝土的本构关系，先考虑缠绕一层的情况，用加固量ρcfs代入本构关系，求出峰值应力σp，最后经复核在这种加固方式下R/γoS满足要求。 ②屋架端节点及柱头。这些区域都是应力较为复杂、在地震中反应比较强烈容易产生震害的部位，考虑在端部下弦节点处沿水平和竖直两个方向各缠绕两层碳纤维，这样封闭式的缠绕可以形成更加有效的三向约束混凝土形式，显著提高其抗压强度，同时弥补此处配箍量的不足，改善混凝土的延性，在端部上弦节点处以及柱头箍筋应加密的区段内均缠绕一层碳纤维，使得这些部位的抗震性能得以提高。 ③屋架下弦杆件。在设计计算上按轴心受拉杆杆件考虑下弦杆的加固，但由于纵向支撑的存在，不可能在杆件四面都粘贴碳纤维，设计上只能按单面粘贴碳纤维来考虑，并且还应考虑二次受力问题。经计算，在下弦底面通长粘贴一层碳纤维即可满足承载力要求，由于在两端节点处四面缠绕了碳纤维，因此，这对于下弦通长的碳纤维在端部就形成了很好的锚固，使得碳纤维能发挥其抗拉强度高的特点，增加下弦杆的抗拉承载能力。而且粘贴碳纤维对于下弦底面普遍存在的裂缝也起到良好的封闭及抑制作用，提高了下弦杆件的耐久性，达到了双重补强加固的目的。设计方案见图3。 4 施工要点粘贴碳纤维施工尽管工效高，操作便捷，但由于许多具体条件所限，在施工时除应遵循工艺要求外，还应注意以下要点： ①设计上考虑了屋面卸荷，因此，粘贴碳纤维必须在更换屋面后再进行； ②混凝土基面处理的程度将直接影响到加固效果，因屋架的使用年限较长，所以混凝土基面必须仔细打磨，去除其表面的劣化部位，直到露出完整的混凝土结构层； ③由于三面及四面缠绕的部位较多，因而在屋架杆件的转角处必须打磨成R≥150 mm的圆弧，并且用整平材料处理平滑，防止碳纤维在折角处产生的应力集中； ④施工时正值冬季，气温较低，为保证粘贴碳纤维所需要的温度条件，在施工时应配备足够的加热设备，先对混凝土表面进行预热再粘贴碳纤维，施工过程中要确保粘贴部位的温度在5℃以上； ⑤对于长度大于3 m的碳纤维要采用分段粘贴的形式，并做好搭接标志，保证碳纤维之间的搭接长度>150 mm，在粘贴时要用辊子沿纤维方向反复滚压捋出气泡，使粘贴树脂充分浸渍碳纤维。 5 结论对于民族文化宫这种重要大型建筑屋架采用碳纤维加固在国内尚属首次，具有相当的难度。碳纤维集中了许多优良的材料性能，在本次工程应用过程中更是体现了如下特点：①适用面广。既可用于提高结构的承载力，又能适用于抗震加固，改善结构的延性。而且加固手段多，可以根据需要采用不同的加固方法来达到最终的目的。②施工便捷，工效高。整个施工过程无须用任何大型机具，也没有湿作业。成品的碳纤维为卷材织物的形式，可以根据需要任意裁剪，施工占用场地少，方便灵活，全部施工面积近200 m2，仅用21个工日完成。③施工性能好，粘贴碳纤维的许多部位如上、下弦节点等处尺寸比较复杂，形状也不规则，而碳纤维材料轻质细薄，易于操作，正好解决了这些难题，并且与粘钢相比，其施工质量更易于保证。碳纤维材料(CFRP)加固技术在此次屋架加固上的成功运用，为今后的结构抗震加固提供了一条新的思路和方法，也为该项技术在国内工程领域内的应用打下了良好的基础。
