近年來(lái)，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性，使用性和耐久性要求不斷增強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的維護(hù)和維修加固引起了工程界的廣泛重視。有很多的因素會(huì)縮短現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的使用壽命如物理老化，化學(xué)腐蝕，社會(huì)需求的變化，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高等，這些出現(xiàn)問(wèn)題的建筑物，當(dāng)實(shí)際情況不允許推倒重建時(shí)，則只能采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對(duì)其進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)處理。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，纖維材料于土木工程中的應(yīng)用成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，纖維材料中的碳纖維用于加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)有著其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高效高強(qiáng)（可以充分的利用其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)來(lái)提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善受力性能，達(dá)到高效加固的目的）、耐腐蝕性及耐久性（碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)）、不增加構(gòu)件的自重和體積（碳纖維質(zhì)輕而?。?、使用面廣（碳纖維是一種柔性材料，且可以任意裁剪）、便于施工（無(wú)需大型的施工機(jī)械，占用場(chǎng)地少，無(wú)濕作業(yè)）。碳纖維布已廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁板柱的加固補(bǔ)強(qiáng)，并由國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程研究中心主編，在總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)各高校和科研單位的研究成果以及各設(shè)計(jì)、施工單位采用碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考國(guó)外大量相關(guān)資料，并進(jìn)行大量的試算和調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，其編號(hào)為CECS146：2003。以下將針對(duì)各種情況來(lái)進(jìn)行說(shuō)明其簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。

◆ 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力：

正截面承載力全過(guò)程分析的假定：平截面假定；鋼筋采用完全彈塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；受壓區(qū)混凝土采用E.Hognestad建議的非線(xiàn)形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；混凝土受壓區(qū)沿截面高度劃分成有限的面積相等的條帶（小單元），并設(shè)每條帶的應(yīng)力均勻分布。根據(jù)理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了如下的簡(jiǎn)化計(jì)算方法：偏于安全的假設(shè)碳纖維的拉應(yīng)變等于鋼筋的拉應(yīng)變，并

將碳纖維的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積：

式中 ， ， 和 分別表示碳纖維的面積、抗拉強(qiáng)度、等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強(qiáng)度。

碳纖維的面積取其凈面積即：

其中 為碳纖維的計(jì)算厚度， 為碳纖維布的幅寬， 為層數(shù)。

得到等效鋼筋面積之后，可參照鋼筋混凝土單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)受壓區(qū)混凝土合力作用點(diǎn)取矩

其中 可有水平力平衡得到：

上式中 為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度； 為鋼筋混凝土構(gòu)件中所配鋼筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積總和。

對(duì)于碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固的鋼筋混凝土適筋梁，其適用條件為：受壓區(qū)高度 不宜大于 ；加固后受彎承載力的提高幅度不宜超過(guò)40%；加固后在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下受拉鋼筋的拉應(yīng)力不宜超過(guò)鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

當(dāng)計(jì)算得到的相對(duì)受壓區(qū)高度 高度不大于 ,或者小于 時(shí)，應(yīng)對(duì)碳纖維片材的厚度進(jìn)行折減，具體計(jì)算方法詳見(jiàn)技術(shù)規(guī)程的有關(guān)部分。其中 為碳纖維片材達(dá)到其允許拉應(yīng)變與混凝土壓壞同時(shí)發(fā)生時(shí)的相對(duì)受壓區(qū)高度。

工程實(shí)例1：某混合結(jié)構(gòu)，原設(shè)計(jì)為教室，后因使用要求的變化改為書(shū)庫(kù)。由于樓面荷載的增加，使得按原荷載設(shè)計(jì)的進(jìn)深梁抗彎強(qiáng)度不足，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。該梁跨度為5m，截面尺寸為 ，按原使用荷載計(jì)算的跨中彎矩為 。受力鋼筋為3Ф18 ，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 ，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可取為 ，使用功能改變后要求梁的抗彎承載力增加到 。按照現(xiàn)行的混凝土規(guī)范計(jì)算得到原設(shè)計(jì)能承受的彎矩為 （此建筑物按89規(guī)范設(shè)計(jì)，如果按照89混凝土規(guī)范里的材料強(qiáng)度取值來(lái)計(jì)算則 ），對(duì)該梁采用碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在梁底粘貼兩層兩條寬 ，厚度為 的碳纖維布（碳纖維布的抗拉強(qiáng)度為 ）。有 ， ，滿(mǎn)足公式計(jì)算要求。則有 。選用兩條的加固方案，一是考慮到分條加固的效果比整條好，二是考慮到兩條布同時(shí)失效的概率小，可提高加固后構(gòu)件的安全度。

工程實(shí)例2：某住宅小區(qū)由于施工的原因，樓板出現(xiàn)了大量的貫通裂縫，有的出現(xiàn)于板角，有的出現(xiàn)于板跨中，在住戶(hù)中造成了很大影響。后采用碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，在用樹(shù)脂封閉裂縫后，選用 寬的碳纖維布在板角處的板面放射狀布置，在跨中的板底按間距 沿裂縫走向布置，取得了很好的效果。

◆ 碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的斜截面承載力：

碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時(shí)，其抗剪效果作用和箍筋類(lèi)似，梁在彎剪受力時(shí)，傳力模型是桁架機(jī)構(gòu)與拉桿拱機(jī)構(gòu)的復(fù)合傳力機(jī)制。

剪跨比小 時(shí)，發(fā)生斜壓破壞。碳纖維的應(yīng)變發(fā)展速度較慢，在構(gòu)件達(dá)到最大受剪承載力時(shí)，碳纖維的應(yīng)變相對(duì)較小，其對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)也較小，加固效果不明顯。

隨著剪跨比的加大 ，發(fā)生剪壓破壞。此時(shí)碳纖維布受力較大，碳纖維的應(yīng)變已接近于拉斷應(yīng)變，其對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)較大，加固效果明顯。

當(dāng)剪跨比很大 時(shí)，發(fā)生斜拉破壞。此時(shí)梁的主裂縫方向較緩，與碳纖維的受力方向接近垂直。雖然碳纖維布的受力更為合理，但是對(duì)于這種破壞形式，主裂縫兩側(cè)的混凝土塊體將在破壞前發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，而碳纖維布的剛度很小，可能在碳纖維完全發(fā)揮作用之前就和混凝土剝離破壞。因而只有當(dāng)剪跨比適中時(shí)才可采用碳纖維布加固。

根據(jù)試驗(yàn)研究和力學(xué)分析，碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的總剪力可表示為鋼筋混凝土部分承擔(dān)的剪力和碳纖維布貢獻(xiàn)的抗剪能力之和：




--構(gòu)件斜截面上的剪力設(shè)計(jì)值；

--鋼筋混凝土混凝土構(gòu)件承擔(dān)的剪力按照現(xiàn)行《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算； --碳纖維片材承擔(dān)的剪力；

--達(dá)到受剪承載力極限狀態(tài)時(shí)碳纖維片材的應(yīng)變；

--碳纖維片材的極限拉應(yīng)變；

--碳纖維片材的加固形式系數(shù)，對(duì)封閉粘貼取1.0，U形粘貼取0.85，側(cè)面粘貼取0.70；

--構(gòu)件受剪計(jì)算截面的剪跨比，對(duì)于集中荷載作用情況取 ，當(dāng) 大于3.0時(shí)取3.0，當(dāng) 小于1.5時(shí)取1.5， 為集中荷載作用點(diǎn)到支座邊緣的距離；對(duì)均布荷載的情況取3.0；

、 、 --碳纖維的粘貼層數(shù)、單層碳纖維的厚度、碳纖維布條帶的寬度；

、 --碳纖維條的凈間距、側(cè)面粘貼碳纖維布的高度；

工程實(shí)例3：某混合結(jié)構(gòu)房屋，其進(jìn)深梁的截面尺寸為 ，支座最大剪力為 ，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 ，實(shí)際配箍筋為Ф6@250。后由于使用功能的變化增加了樓面荷載，使支座處最大剪力增加到 。造成該梁抗剪承載力不足，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。選用碳纖維布進(jìn)行抗剪補(bǔ)強(qiáng)，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度為 ，通過(guò)5、6、7式的計(jì)算選用每隔 粘貼一層寬 的碳纖維U形箍既可以滿(mǎn)足抗剪承載力的要求。

◆ 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土柱的抗剪承載能力及柱的抗震性能加固

對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行受剪加固時(shí)，應(yīng)按照下列公式進(jìn)行斜截面受剪承載力計(jì)算：




--鋼筋混凝土柱的剪力設(shè)計(jì)值；

--鋼筋混凝土混凝土構(gòu)件承擔(dān)的剪力，按照現(xiàn)行《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算； --碳纖維片材承擔(dān)的剪力；

--柱的軸壓比；

--柱的剪跨比，對(duì)于框架柱取 ，當(dāng) 大于3.0時(shí)取3.0，小于1.0時(shí)取1.0， 為框架柱凈高， 為截面的有效高度。

當(dāng)采用碳纖維對(duì)柱子進(jìn)行抗震加固時(shí)，可以約束混凝土的變形，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，降低軸壓比。但是這方面的研究還不是很充分，當(dāng)有可靠依據(jù)時(shí)，方可考慮其作用。當(dāng)采用封閉式粘貼碳纖維對(duì)柱子進(jìn)行抗震加固時(shí)，柱端箍筋加密區(qū)的總折算體積配箍率可按下列公式計(jì)算，并應(yīng)滿(mǎn)足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)柱端箍筋加密區(qū)體積配箍率的要求：


、 --柱子的截面高度、寬度；

、 --總折算體積配箍率、按箍筋范圍內(nèi)核心截面計(jì)算的體積配箍率；

--碳纖維的有效約束系數(shù)，取0.45；軸壓比大于0.5，且加固時(shí)未卸載取0.36；

、 --碳纖維的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

碳纖維還可用于加鋼筋固混凝土柱的正截面承載力。但是由于碳纖維本身抗拉強(qiáng)度高，而不能受壓，可用于大偏壓的情況。但技術(shù)規(guī)程沒(méi)有給出相應(yīng)計(jì)算方法。

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