碳纤维加固钢筋混泥土框架抗震性能研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 4.27MB 85 页 15积分
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摘 要
随着我国城市建设力度的不断加大，对既有建筑进行鉴定评估和加固改造日
益受到人们的重视，碳纤维材料作为一种高强轻质材料，越来越多的被应用到建
筑加固中。本文以“强柱弱梁，强节点弱构件”为抗震设计原则，按缩尺比例 1∶2
设计三榀钢筋混凝土框架模型，三榀框架模型均按相同的尺寸及截面配筋设计，
加载制度保持一致，其中 KJ-1 为不进行任何加固处理的对比框架模型，KJ-2 为推
拉至屈服后进行补强加固的框架模型，模拟由于偶然作用等导致结构受损而引起
的加固问题，KJ-3 为直接加固框架模型，加固形式与 KJ-2 相同，模拟由于改变建
筑物的使用功能等原因导致承载力不足而引起的加固问题。
通过低周反复荷载试验，本文考察了三榀框架结构的破坏过程和破坏形态，
研究探讨了框架在碳纤维布加固前后的承载能力、延性性能、整体耗能能力及刚
度退化的变化情况等，针对两种加固情况，分别与未加固处理框架进行比较分析，
对加固后框架结构受力性能的改善效果进行了评价。试验结果表明，碳纤维布加
固钢筋混凝土框架结构，能有效提高其极限承载能力和整体耗能能力，维持框架
的后期刚度和稳定性等等，对于直接进行碳纤维补强的框架加固效果更为明显。
最后，采用塑性极限分析的方法，对 KJ-1 和KJ-3 进行了极限荷载理论值求解，并
与试验值进行了比较。试验结果分析希望能对今后的加固改造工程有一定的参考
意义。
关键词：碳纤维 加固 框架 承载能力 抗震性能
Abstract
With the development of construction in our country, it plays an important role on
assessing and strengthening old structures. As a new structural engineering material
with excellent mechanical strength and low weight, carbon fiber reinforced polymer
(CFRP) has been used into more projects. “Column is stronger than beam, node is
stronger than member”, it is the principle of aseismic design in this paper. Three
reinforced concrete frame models with the scale of 1:2 are designed, which are same in
dimension, bars of cross section and loading system. KJ-1 is an original frame model
which is not strengthened with any material as the compared frame; KJ-2 is a frame
model which is strengthened with CFRP after it yields; KJ-3 is the one which is
strengthened before testing.
The same program is performed on the three structures through low-cyclic loading
test. The experimental program aims at the following objectives: to observe the
responses of the frames designed according to different strengthening cases, to discuss
the loading capacity and aseismic behaviors, and to assess the opportunity of using
composite materials as an effective technique for the seismic repair of RC frames.
Comparisons between original and strengthened structures are discussed in terms of
bearing capacity and aseismic behavior respectively. The experimental results indicate
that the ultimate bearing capacity and energy dissipation capacity of RC frames
strengthened by CFRP are improved efficiently, and the strengthening effect of KJ-3 is
better. In the end, the ultimate loads of KJ-1 and KJ-3 are calculated by plastic theory of
limit design. The results will represent a reference database for the development of
design criteria for the seismic strengthening of RC frames using cabon fiber reinforced
polymers.
Key word: carbon fiber, strengthen, frame, bearing capacity,
aseismic behavior
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 概述 ....................................................................................................................1
§1.2 加固方法比较 ....................................................................................................2
§1.2.1 传统加固方法 .........................................................................................2
§1.2.2 碳纤维复合材料加固方法 .....................................................................3
§1.3 国内外研究现状 ...............................................................................................4
§1.3.1 国内研究现状 .........................................................................................4
§1.3.2 国外研究现状 .........................................................................................5
§1.4 外贴碳纤维复合增强材料的性能特点 ...........................................................6
§1.4.1 碳纤维片材(CFRP) ................................................................................ 6
§1.4.2 环氧树脂 .................................................................................................8
§1.4.3 树脂类粘结材料 .....................................................................................8
§1.5 课题意义 ...........................................................................................................9
第二章 CFRP 加固钢筋砼构件的受力性能分析 ........................................................11
§2.1 前言 .................................................................................................................11
§2.2 梁的加固 ..........................................................................................................11
§2.1.1 基本假定和基本前提 ...........................................................................12
§2.2.2 破坏形式 ...............................................................................................12
§2.2.3 典型的几种极限承载力计算方法 .......................................................14
§2.3 柱的加固 .........................................................................................................16
§2.3.1 加固柱的研究现状 ...............................................................................16
§2.3.2 加固方式 ...............................................................................................17
§2.3.3 框架柱截面界限破坏条件下的延性 ...................................................18
§2.4 节点的加固 .....................................................................................................20
§2.4.1 节点的破坏过程和受力机理 ................................................................20
§2.4.2 影响节点强度因素初步分析 ................................................................21
第三章 结构模型试验设计 .........................................................................................23
§3.1 引言 .................................................................................................................23
§3.2 模型的设计和制作 .........................................................................................23
§3.2.1 模型的设计 ...........................................................................................23
§3.2.2 模型的制作 ...........................................................................................27
§3.3 试验方案 .........................................................................................................32
§3.3.1 加载方案和加载设备 ...........................................................................32
§3.3.2 量测系统和测点布置 ...........................................................................33
§3.3.3 试验工况和加荷制度 ...........................................................................36
§3.4 本章小结 .........................................................................................................37
第四章 试验结果分析 ...................................................................................................38
§4.1 模型受力过程及破坏情况 .............................................................................38
§4.1.1 钢筋混凝土框架 KJ-1 ..........................................................................38
§4.1.2 损伤屈服后加固框架 KJ-2 ..................................................................40
§4.1.3 碳纤维加固框架 KJ-3 ..........................................................................41
§4.2 试验数据分析 .................................................................................................43
§4.2.1 抗震性能分析 .......................................................................................44
§4.2.2 承载能力分析 .......................................................................................55
§4.2.3 结构侧移及延性分析 ...........................................................................56
§4.3 本章小结 .........................................................................................................62
第五章 结构的塑性极限分析 .......................................................................................64
§5.1 极限分析的假设 ..............................................................................................64
§5.2 计算极限载荷的方法 ......................................................................................65
§5.2.1 极限平衡法 ...........................................................................................65
§5.2.2 增量变刚度法 .......................................................................................66
§5.3 框架的极限荷载 ..............................................................................................66
§5.3.1 框架截面极限弯矩 ...............................................................................67
§5.3.2 确定可能的破坏机构的数目 ...............................................................69
§5.3.3 比较法 ...................................................................................................72
§5.4 本章小结 ..........................................................................................................73
第六章 结论与展望 .......................................................................................................75
§6.1 结论 ..................................................................................................................75
§6.2 展望 ..................................................................................................................76
参考文献 .........................................................................................................................77
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................82
致 谢 .............................................................................................................................83
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
随着我国城市建设力度的不断加大，各地面貌推陈出新，满足不同功能要求
和审美要求的建筑物不断涌现，在满足数量的同时，人们也逐渐对建筑物的安全
性、耐久性和适用范围提出了越来越高的要求。社会的需求在不断变化，设计标
准也一直保持更新，性能和技术要求越来越高，在不断发展和采用新型结构、新
材料及新的施工工艺来满足新建筑要求的同时，对既有建筑进行鉴定评估和加固
改造已越来越受到人们的重视，对既有的结构物在未达到其使用寿命以前如何提
高其安全保障能力成了一项重要任务，建筑结构加固已成为建筑行业的一个重要
分支[1]。实际上，存在着很多不确定的原因使得现存的结构物(如桥梁和大楼等)或
其部分构件出现了强度不够的问题，这有可能是由于机械损伤、结构构件功能的
改变、地基不均匀沉降引起的附加应力以及预应力张拉过程中出现张拉损失过多
等原因造成的，这些结构物都需要加固。
当前，对现有结构物的加固改造已成为许多国家土木建筑领域的主要研究和
投资方向。如 ASCE(美国土木工程师协会)在一份报告中估计，从 1999～2003 年，
美国仅用于修复混凝土基础设施的费用就将达 1万3千亿美元。纤维复合材料由
于具有轻质、高强、便于施工、耐腐蚀等优点[2-6]，将成为发展势头最好的增强材
料之一，其应用范围与用量正以很快的速度在增长[7]。欧美发达国家建筑早已趋于
饱和，而国内尤其在各大中城市，建筑也渐渐走入维修加固与新建并重时期，对
既有建筑大规模拆建是不可能的，于是迎来了对原有建筑现代化改造的高潮，这
种改造的造价只有新建的 30-60%[8]，从施工技术、工期上也都是可行的，很快得
到肯定和推广。
我国水泥生产量占世界总产量的 1/3 以上，混凝土工程量在世界上名列前茅，
而我国区域辽阔，地跨温热二带，北方为寒冷地区，海岸线长达 1.8 万多公里，又
处于地震多发区域，因此我国混凝土结构面临更严峻的条件[9]。而二十世纪八十年
代以前，我国的混凝土结构中普遍存在工程质量问题，加之使用化学添加剂和受
到外界种种介质侵蚀，造成混凝土结构腐蚀严重，如混凝土开裂、剥落、钢筋锈
蚀等，甚至使构件丧失其原有的承载力，混凝土结构的耐久性一般低于发达国家，
致使加固问题更为突出。据专家预测，在 21 世纪初我国将出现混凝土结构物维修
碳纤维加固钢筋混凝土框架抗震性能研究
2
高潮，并将持续相当长一段时间，每年所需维修费用可能高达数千亿元之多。因
此，对于钢筋混凝土结构补强加固的问题研究显得尤为显著和紧迫。
随着碳纤维加固技术的不断发展，国内外众多学者对加固后混凝土结构的极
限承载力进行了大量实验研究和理论探索，并取得了卓有成效的成果，但是主要
侧重于结构单一构件，如梁、柱和节点的加固承载力等性能分析，对于框架结构
加固及其整体抗震性能的提高和构件之间相互约束影响方面的分析尚不多见，因
此对这一问题展开深入研究具有重要的现实意义和理论价值。下面将先对碳纤维
加固的特点及承载力研究现状作简要概述。
§1.2 加固方法比较
近些年来，随着人们对建筑物补强加固研究课题投入的增多，相应的研究成
果也越来越多。到目前为止，补强加固的方法较多，工程中常用的钢筋混凝土结
构补强加固方法主要有：增大截面加固法、外包钢法、碳纤维补强加固法、玻璃
钢纤维加固法、喷射混凝土法、改变受力体系加固法、粘钢加固法或预应力加固
技术等等。
在传统加固方法中仅就加固技术而言，采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber
Reinforced Polymer，简称CFRP)对钢筋混凝土结构进行修复加固的方法，与钢筋混
凝土增厚法(增大截面法，即在原结构上浇注一定厚度的钢筋混凝土)、体外预应力
法(包括通过增设支点和托梁改变受力体系的加固法)、钢板加固法(包括外包法和
粘钢法)及隔震耗能法(即设法在原结构的基础上外加和内加隔震层和附加隔震部
件及震动控制装置)等相比，具有较高的强度，较好的耐腐蚀和耐久性能，不增加
构件自重及体积，适用范围广和便于施工等优点，而深得人们的重视和推崇，而
且随着CFRP材料的进一步国产化，提高材料质量并降低成本后，其优势将更加突
出。从目前国内外的发展情况看，碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正呈
积极活跃的势态。中国拥有巨大的建筑市场，碳纤维加固技术作为一种新兴的、
技术含量高的加固方法，具有很大的研究推广价值和社会经济效益，用于加固钢
筋混凝土结构潜力巨大，近年来世界各地的研究小组对CFRP加固混凝土结构的实
践和研究的迅速发展也证明了这项新技术的重要性和实用性[10]。
§1.2.1 传统加固方法
对钢筋混凝土结构补强加固的方法有很多种，简述如下：
1、增大截面法即增大构件的截面面积(混凝土和配筋量)，这种加固方法的优
第一章 绪论
3
点是工艺简单，技术较为成熟，可靠性强，且能提高构件刚度和稳定性。其缺点
是现场湿作业工作量大，养护时间长，对生产和生活会造成一定影响，对原有结
构的外形和房屋使用空间会造成一定影响，结构重量的增加又增大了其它相关构
件的荷载，故在设计中须从整体角度考虑。
2、外包钢加固法是在混凝土、砌体等构件的 4角或 2面包以型钢(常为角钢、
扁钢或钢板等)的一种加固方法，也是一种使用较广的传统方法。采用外包钢加固
法能在构件截面尺寸增加不多的情况下，大幅提高构件的承载能力，且具有施工
简便、现场工作量较小，受力较为可靠等优点，适于柱、梁、桁架弦杆和腹杆，
以及高层建筑的加固。这种方法的不足是用钢量较大，加固维修费用较高，且对
结构刚度提高不大。
3、外加预应力加固法是采用外设预应力拉杆或撑杆对结构构件或整体进行加
固的方法。它通过改变原结构的内力分布、降低结构原有应力水平来间接提高结
构的承载能力。预应力加固法几乎没有改变使用空间，并通过卸载、加固功能消
除应力滞后现象而取得较理想的加固效果。其不足是预加力设备和锚固还待完善，
也存在一定的风险。目前主要用于大跨度结构的加固，以及采用一般方法无法加
固或加固效果不理想的大型结构的加固。
4、改变受力体系加固法是以减小结构的计算跨度和变形，间接提高承载能力
的一种加固方法。为了减小构件的计算跨度，常采用增设支点(包括柱支座和弹性
支座)和采用托梁技术，从而改变结构的受力体系，使承载能力得以提高。其优点
是简单可靠。不足是易损害建筑物的原貌和使用功能，减小使用空间。适用于房
屋净空不受限制的较大跨度的梁、板、桁架等水平结构的加固。
5、粘钢加固法是将钢板用结构胶粘贴在混凝土构件的外部，以提高结构承载
能力的一种方法。这相当于构件的体外配筋。该项技术目前已趋于成熟。其优点
是几乎不改变构件外形和使用空间，施工简单、快速，湿作业量小。但对加固构
件工作环境有要求，环境温度不高于 60℃，相对湿度不大于 70%，无化学腐蚀，
否则应采取相应措施。适用于承受静力作用的受弯、受拉构件处于正常环境下的
加固[1]。
§1.2.2 碳纤维复合材料加固方法
碳纤维有很多种类，用于结构加固的碳纤维主要选用聚酰胺类，即PAN基碳
纤维(Polyacrylonitrile Based Carbon Fibers)，其具有优异的物理力学性能、良好的
粘结性、耐热性及抗腐蚀性等特点[11]，非常适用于土木工程领域。用于建筑结构
碳纤维加固钢筋混凝土框架抗震性能研究
4
补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢
材在同一水平上并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。碳纤维材料的这些
特点，为建筑结构的补强与加固提供了技术支持。
纤维增强复合材料（FRP-Fiber Reinforced Polymer）加固修补混凝土结构是自
80年代末90年代初在发达国家兴起的新技术。与传统的加固法相比，碳纤维加固
法与外粘钢板加固技术相似，但传统的外粘钢板加固技术钢材用量大、易锈蚀、
成本高，而纤维复合材料不仅强度高、重量轻、易于施工，而且耐久性好，可以
彻底解决钢板生锈问题。
与原有的加固方法比较，碳纤维加固技术具有明显的技术优势，主要体现在
如下几个主要方面：
(1) 碳纤维材料抗拉强度达 3000MPa 左右，约是普通钢材的 10 倍，弹性模量
与钢材相近，且具有比钢材更好的抗疲劳性能；
(2) 具有优良的抗化学腐蚀能力和耐久性能；
(3) 施工便捷，工效高，不需要大型施工机具，施工占用场地少；
(4) 具有高的强度/重量比值，粘贴后增加原结构自重及构件尺寸很少；
(5) 具有较强的变形性能，从而能在各种形状的结构物上进行修补，适用面广；
(6) 施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固的结构表面不是
非常平整，也基本可以达到较好的有效粘贴率[12]，应用前景十分广泛，所以开发
研究 CFRP 加固混凝土结构新技术具有重要的工程价值。
§1.3 国内外研究现状
§1.3.1 国内研究现状
我国 CFRP 加固修复技术的研究工作相对国外起步较晚，1997 年国家工业建
筑诊断与改造技术研究中心率先开始了“碳纤维材料加固修补混凝土结构试验研
究开发及应用”且定为国家“九五”重点科技攻关项目，近几年在北京、上海、
江苏等地区采用进口材料完成了一些粘贴 CFRP 加固的工程项目，取得了较好的
成果，其中包括人民大会堂、北京电报大楼、中国革命历史博物馆、民族文化宫
灯一批著名建筑。这项技术在我国起步较晚的主要原因是碳纤维的一次性投入的
成本较高，另一个原因是碳纤维材料主要依赖进口。近年来，因为碳纤维在全世
界的生产能力在扩大，其成本降低，国内也引进碳纤维的生产技术，并且碳纤维
加固配套的结构胶基本实现国产化，这些条件保障了碳纤维加固技术在国内的应
第一章 绪论
5
用推广。
研究工作与国外相似，从基本性质入手结合国内钢筋混凝土结构设计规范，
来验证加固方法的可行性，分析加固机理、探讨加固设计与原则以满足实际工程
需要。目前我国在研究构件受弯这方面较多，很多都是重复性试验，在基础方面
研究较少[13]。2000 年6月，中国土木工程学会混凝土分会成立了“纤维增强塑料
及其工程应用专业委员会”，到目前已有多家科研院所（以国家工业建筑诊断与改
造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川省建筑科学研究院为代表），各
高校对其技术性能开展了多项的研究，取得了大量的科研成果。如东南大学的许
清风等对粘贴 CFRP 板加固梁受弯承载力和受剪承载力的试验研究，分析了 CFRP
板的长度、厚度、试件配筋率、板端锚固措施等因素对抗弯承载力的影响，在受
剪方面，除了在受弯分析中提到的因素外，还分析了箍筋间距对抗剪承载力的影
响。研究中还提到 CFRP 板纤维排列方向对加固效果的影响，并提出了相关的施
工建议[14]。香港理工大学的滕锦光和姚谏采用 CFRP 板—混凝土块搭接接头的单
剪试验方法深入研究了 CFRP—混凝土的抗剪粘结强度。从研究结果分析看来，支
座高度变化、CFRP 板的粘结长度、试件对中偏位、CFRP 板与混凝土块的宽度比
等因素对抗剪粘结强度有明显影响[15]。
§1.3.2 国外研究现状
最先开展 FRP 加固技术的国家是德国和瑞士，随后日本展开了激烈的竞争开
发。从此，欧、日、美等发达国家开始了利用 FRP 加固混凝土结构的研究并将其
应用于工程实践。美国是世界上最早利用复合材料的国家之一，但将 FRP 复合材
料用于加固混凝土结构是在 20 世纪 80 年代后期，在 1991 年FRP 应用于桥面板补
强加固中。1998 年美国报道 FRCI 公司应用 FRP 材料加固了 3480 座混凝土桥墩。
工期仅为 3个月。在加拿大 ISIS(Intelligent Sensing for Innovative Structure)利用光
纤传感器提供了一种新的不受干扰的监测 CFRP 加固构件、结构的振动频率和地
震反应的技术。在欧洲瑞士 EMPA 实验室，德国 IBMB 研究院最早开始了采用不
同的 FRP 材料加固混凝土梁的弯曲性能实验研究，且在 1990 年之前就已应用于 6
座桥梁的补强加固工程。意大利于 1996 年首次大批量投入使用，一年进行了五大
工程加固，涉及到房屋建筑、桥梁等。在 20 年的研究实践中，这项技术在欧洲已
近成熟，且推广开来并已形成自己的设计和施工准则。在英国，为提高人们对 CFRP
板生产、设计、施工的理解，1994 年启动 ROBUST 工程（stRengthening Of Bridge
Using polymeric compoSite maTerials），该工程投资 100 万英镑，用于研究使用 CFRP
摘要：

摘要随着我国城市建设力度的不断加大，对既有建筑进行鉴定评估和加固改造日益受到人们的重视，碳纤维材料作为一种高强轻质材料，越来越多的被应用到建筑加固中。本文以“强柱弱梁，强节点弱构件”为抗震设计原则，按缩尺比例1∶2设计三榀钢筋混凝土框架模型，三榀框架模型均按相同的尺寸及截面配筋设计，加载制度保持一致，其中KJ-1为不进行任何加固处理的对比框架模型，KJ-2为推拉至屈服后进行补强加固的框架模型，模拟由于偶然作用等导致结构受损而引起的加固问题，KJ-3为直接加固框架模型，加固形式与KJ-2相同，模拟由于改变建筑物的使用功能等原因导致承载力不足而引起的加固问题。通过低周反复荷载试验，本文考察了三榀框...

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