鄭文英，趙 慧，王建祥

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052;2.新疆建筑科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830054)

本工程位于新疆烏魯木齊市，建于2002年，原建筑按“89規(guī)范”設(shè)計為地下一層，地上四層的框架結(jié)構(gòu)，平面形狀設(shè)防烈度為8°，設(shè)計基本地震加速度值為0.2g，框架抗震等級為二級，Ⅱ類場地類別，建筑場地屬于抗震有利地段，梁、柱混凝土等級均為C30?，F(xiàn)由于新進設(shè)備，造成一層荷載增加，通過結(jié)構(gòu)驗算，按現(xiàn)行規(guī)范進行整體復(fù)核驗算，框架梁不滿足現(xiàn)行設(shè)計要求，對原有建筑進行加固。

1 加固方案及施工工藝

目前加固的方式較多，碳纖維加固相比于其他加固方式，具有更突出的優(yōu)點:高強高效、耐腐蝕、不增加結(jié)構(gòu)自重和體積等，另外因其是一種柔性材料，可任意裁剪，適應(yīng)結(jié)構(gòu)形狀的變化，與結(jié)構(gòu)構(gòu)件緊密結(jié)合，在加固不規(guī)則結(jié)構(gòu)和表面不平整的構(gòu)件時，具有明顯優(yōu)勢，所以適用面更廣。經(jīng)多次現(xiàn)場勘查，反復(fù)計算并進行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，本工程選擇粘貼碳纖維的加固方案。需加固工程的平面圖見圖1。

2 碳纖維布加固框架梁的設(shè)計

使用CFRP材料加固構(gòu)件時，其受力方式設(shè)計成承受拉力的作用。受彎承載力提高和延性降低是采用CFRP加固混凝土梁的兩個主要特征。當(dāng)CFRP的加固量較大時，梁的破壞由混凝土被壓碎控制，延性也會大為降低。如果混凝土壓碎和CFRP拉斷同時發(fā)生，則破壞模式處于界限狀態(tài)。即當(dāng)混凝土壓應(yīng)變達到極限壓應(yīng)變0.0035［1]時，CFRP同時達到極限拉應(yīng)變εcfrp。

式中fcfrp－CFRP的抗拉強度;γcfrp－CFRP的材料分項系數(shù)取1.25;Ecfrp－CFRP的彈性模量。

在實際工程應(yīng)用中，加固前自重等初始荷載已經(jīng)作用于梁上，且初始荷載在將要粘貼CFRP的混凝土受拉區(qū)邊緣產(chǎn)生初始拉應(yīng)變εini［2]。因此，在加固設(shè)計時，考慮二次受力的影響可以按Saadatmanesh and Malek的建議，對CFRP的應(yīng)變值加以修正，CFRP拉斷時的應(yīng)變?yōu)?/p>

式中 εcfrp，rup－ CFRP 拉斷時的應(yīng)變;εini－ 梁受拉面的初始應(yīng)變。

本次加固設(shè)計中采用的CFRP進行加固時的抗拉強度為4000 MPa，彈性模量為2.3×105MPa，單層厚度為0.167 mm，伸長率為1.6。

通過《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［2]，考慮上述二次受力影響，本工程采用碳纖維布加固主梁及次梁施工圖細部詳見圖2、圖3。

盡管附加錨固措施對于剝離荷載的提高似乎有限，但即使不能完全避免剝離破壞的發(fā)生，也可以延遲或防止剝離破壞的出現(xiàn)［3－6]，具體施工時在板底梁邊垂直U形箍方向粘貼碳纖維壓條。

3 有限元分析

本文使用有限元軟件ANSYS對加固梁進行模擬分析。在實際應(yīng)用中確定三維條件下混凝土的力學(xué)性能是困難的，ANSYS軟件內(nèi)部設(shè)定了專門針對混凝土材料的三維實體單元形式Solid65，并建立了三維情況下混凝土破壞準則。用有限元法分析碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的有限元與一般固體力學(xué)中的有限元分析，在基本原理與方法上是一樣的，但如何進行結(jié)構(gòu)離散化時，又有其特殊性。因為一方面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋和混凝土兩種不同的材料所組成;另一方面還要考慮粘結(jié)層和碳纖維布兩種材料的特殊性質(zhì)。實際工程中，CFRP一般大多采用現(xiàn)場粘貼方式，其膠層和纖維之間很難清晰地加以區(qū)分。因此，本文使用片材的實際厚度建立有限元模型，采用的有關(guān)本構(gòu)關(guān)系如圖4。

混凝土開裂時，裂縫之間的距離是混凝土最大骨料尺寸的很多倍。因此，進行有限元分析時，當(dāng)混凝土材料使用彌散式裂縫模型，混凝土單元的尺寸應(yīng)當(dāng)為最大骨料尺寸的2－3倍，才可以較為準確的模擬裂縫的開裂情況。從模擬計算結(jié)果看，應(yīng)變值沿截面高度在各級荷載作用下，符合平截面假定，位移變形在控制范圍之內(nèi)，能達到工程設(shè)計的需要。

4 結(jié)語

既有建筑的加固情況非常復(fù)雜，在對其進行抗震加固時，選擇適當(dāng)?shù)募庸谭桨甘顷P(guān)鍵問題，統(tǒng)籌兼顧，目的明確，措施得當(dāng)，就能有效實現(xiàn)設(shè)計意圖。CFRP加固方法在滿足加固要求的同時，施工簡便，工期短，對周圍環(huán)境影響也較小。該工程加固后已正常使用，結(jié)構(gòu)整體和加固部位均滿足預(yù)期要求。

［1] GB50010－2001，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S] .

［2] CECS 146:2003，碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S] .

［3] 滕錦光，陳建飛，S T史密斯，等.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)［M] .北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4] GB50367－2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S] .

［5] 石欠欠，姜新佩.基于Ansys碳纖維加固混凝土梁的裂縫模擬分析［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，27(2):25 －29.

［6] 姜新佩，孫 燕，劉麗娜.預(yù)應(yīng)力碳纖維加固RC梁撓度和裂縫計算［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，25(4):10 －13.