碳纤维加固受火混凝土柱的可靠性分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 2期 ( 总第 1 9 8期 ) 碳纤维加 固受火混凝土柱的可靠性分析 姜封国， 韩伟达 ， 赵景鲁 ， 李鹏 ( 黑龙江科技 大学建筑 工程学 院 哈尔滨1 5 0 0 2 2 ) 【 摘要】 考虑了加固 前混凝土及钢筋强度、 钢筋截面面积、 纤维复合材料强度、 有效约束应力、 柱尺寸等的 影响， 对受火后的轴心受压钢筋混凝土柱采取碳纤维材料进行整体环向包裹加固， 施加侧向约束， 使柱处于三相 受压状态， 提高柱轴心抗压承载力。进而基于结构可靠性理论 ， 采用一次二阶矩方法 ， 分析其可靠性。分析过程 中考虑了各种随机变量、 变异系数和碳纤维材料特性对钢筋混凝土矩形柱的轴心抗压强度的影响 ， 以及受火后钢 筋混凝土柱轴心抗压强度的折减和碳纤维加固后的强度提高。碳纤维材料加固对钢筋混凝土柱轴心抗压承载力 和钢筋混凝土柱可靠性提高有明显的作用。验证了碳纤维加固修复技术的可行性， 为碳纤维加固其它钢筋混凝 土构件提供了新的思路， 同时为其它受损后构件的加固维修提供了理论依据。 【 关键词】 碳纤维布； 加固； 钢筋混凝土柱； 可靠性 ； 受火 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 4 4 0 3 0 弓 I 言 自2 0世纪 8 0年代以来， 许多建筑物因设计不合 理、 构造不完善、 使用不当以及一些突发自然灾害( 如 火灾、 水灾) 等的影响， 已经出现了不同程度的损坏甚 至破坏， 这就对加固技术研究提出的更新更 高的要 求。其中碳纤维布加 固技术因其与传统加固方式比 较具有高强高效、 施工便捷、 很好的耐久性和耐腐蚀 性 、 适 用范 围广 、 施工 质 量有保 证 而被应 用到 既有 结 构 的加 固中， 取得 了 良好 的效果 。近 2 0年 间 ， 我 国的 高校和研究所也陆续开始了这方面的研究， 虽然起步 较晚， 但已取得了大量的研究成果 ， 主要涉及到碳纤 维抗弯加固、 抗剪加 固、 抗压加固。抗弯加 固主要 是利用碳纤维超高 的抗拉 强度 ， 将碳纤维 粘贴 在构 件 的受拉区外表面 ， 使之与混凝土形成整体共同承受荷 载作用 ， 从而提高 承载力 。抗 剪加 固同样利 用碳 纤 维的抗拉特点 ， 将其粘贴在构件的剪跨区， 充当箍筋， 以提高抗 剪 承载 力 。然 而抗 压加 固 虽 然 是利 用 碳 纤维材料强度高 的特 点对构件表 面进行外 包处 理 ， 但 与前两种加固原理却不同， 受力机制是利用高强碳纤 维来约束受压构件的纵向变形， 从而提高承载力。 高温作用后导致钢筋和混凝土弹性模量和材料 强度的降低、 钢筋和混凝土之间粘结力的退化、 构件 承载力的降低， 所以对该受火后钢筋混凝土柱需进行 外包碳纤维布加 固处理， 限制其变形 ， 从而提高承载 力 。文 中利用 碳纤 维材 料 超高 的抗 拉强 度 限制受 压 钢筋混凝土矩形柱的变形， 使钢筋混凝土柱受力时处 于三相受 压状 态 ， 混 凝土 在三相 受压 的情 况下 ， 由于 受到侧向压力的约束作用， 最大主应力轴的抗压强度 会有较大程度的提高 ， 从而提高了钢筋混凝土柱的整 体轴心抗压承载力 。在 此基础上 ， 文 中基 于工程 结构 可靠性理论， 对受火加固后钢筋混凝土柱的可靠性进 行 了分 析 ， 以便 对结 构安 全性进 行全 方 面的评 估 ， 从 而对 G B 5 0 3 6 72 0 0 6 混凝土结构加 固设计规范 进 行验证 。 基金项 目】 黑龙江省博士后 资助经费计划( L B HZ 1 0 2 0 9 ) ；黑龙 江省博士后科研启动资助( L B HQ 1 3 1 4 1 ) O oo O O O0 Oo Oo 。 0o O 0O o0 0O O 0 o。O OO OO Oo OO OO 0口 0O 0 O 0 口 O 0 O0 Do 0 0 O0 OO O O OO OO o 0 o0 o 0 OO O0 0 O Oo 口 00 O o0 O Do 。o 。 。0 O 0e 0 对节点受力性能的影响， 对于影响节点受力性能的相关参数 还有待进一步进行有限元参数拓展分析。 参考文献 1 管品武 ， 孟会英 。 刘立 新 ， 等 钢管混凝 土柱新型 节点受力 性 能试验研究 J 世界地震工程， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 4 ) ： 1 4 8 1 5 3 2 黄襄云 ， 周福霖 ， 罗 学海 ， 等 钢管混凝 土柱结构 节点抗 震性 能研究 J 建筑结构， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 7 ) ： 3 7 3 】 刘志斌 ， 钟善桐 钢管 混凝土柱钢 筋混凝土双 梁节点 的刚性 研究 J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 4 ) ： 2 6 2 9 4 陈洪涛， 吴时适， 肖永福， 等 钢管混凝土框架钢筋贯通式刚 性节点的实验研究 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 212 5 5 欧谨， 黄伟淳， 韩晓健 新型钢管混凝土框架节点低周反复荷 载试验研究 J 地震工程与工程振动， 1 9 9 9 ， 1 9 ( 3 ) ： 4 4 4 8 6 方小丹 ， 李少 云， 钱稼茹 ， 等 钢 管混凝土柱 一环梁节 点抗震 性能的试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 O 一 1 8 7 赵毅 ， 徐礼华 ， 等 劲性环梁式钢管混凝 土节 点受力性能研 究 J 工程力学， 2 0 1 3 ： 3 1 ( 增刊) ： 2 4 1 2 4 7 收稿 日期 2 0 1 4 0 82 8 作者简介 赵毅( 1 9 8 1 一) ， 女， 河南商城人， 博士， 讲师， 研 究方 向： 组合结构。 姜封国等： 碳纤维加固受火混凝土柱的可靠性分析 4 5 1 极 限状 态方程的建立 结构可靠性理论中， 结构的整体抗力水平低于总 体荷载效应 ， 结构不能满足可靠性要求。组成可靠性 分析的极限状态方程 中两个变量分别是抗力和荷载 效应组合 ， 以往 的研究表 明 ， 当变量 的变异 性很 大时 ， 结构可靠性影响很大， 而荷载效应的不定性也是我们 在分析 中必须要考虑的因素， 但由于荷载种类繁多， 个别荷载数据较多， 处理起来十分困难 ， 然而更多的 是测试技术上的困难 ， 很难取得具有代表性 的大量样 本。因此， 文中采用小样本进行统计分析， 进而以一 次二阶矩法来计算受火加 固后钢筋混凝土构件的可 靠性是较为合理的， 认为该分析结果满足实际工程的 需要。本方法可 以对可靠指标进行精度较高的近似 计算， 求得满足极限状态方程的“ 验算点” 设计值 ， 符 合本文 的研究对 象 ， 因此文 中对碳纤 维加 固后 的受 火 柱进行可靠性分析的极限状态方程如下： Z =R S ( 1 ) 式中， R为抗力 ， S为荷载效应 可靠性指标计算方程如下： 凡 一 一 !二 ! r 2、 。 o r ： + ： 式中符号见参考文献 1 。 2 抗 力计 算过程 2 1 火灾后加 固前的抗力分析 受 火后 钢筋 和混 凝 土 的材料 强度 和弹 性 模量 等 力学性能的衰减、 钢筋和混凝土粘结强度的退化， 导 致钢筋混凝土柱截面承载能力的降低， 从而使其综合 抗力水平降低障 】 。因此， 计算高温作用后钢筋混凝土 柱剩余承载力是十分必要的。文中受火后钢筋混凝 土柱的抗力折减采用分层计算法 ， 并用有限元软件 A N S Y S 进行模拟， 模拟结果与文献 2 符合， 整个柱截 面的混凝土强度降低系数可用下式求得： 一 _ ( 3 ) 式中符号见参考文献 2 。 文中采用轴心受压的普通箍筋柱， 纵筋作用是提 高柱的承载力， 减小构件的截面尺寸， 防止因偶然偏 心产生的破坏， 改善破坏时的延性和减少混凝土的徐 变变形口 】 。箍筋能与纵筋形成骨架， 并防止纵筋受力 后外凸， 有效提高承载力。在计算加固前抗力 时， 充分考虑了混凝土抗压强度 和钢筋的抗压强度 f ， 采用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 计算公 式如下 ： = p c r N= 0 9 ( A + A 。) ( 4 ) 式中符号见参考文献 3 。 2 2 加固后抗力分析 文中对受火后钢筋混凝土柱采取整体环 向包裹 的加固方式 ， 加固原理是利用碳纤维布的高抗拉强度 来限制柱横向变形， 从而达到提高受火后钢筋混凝土 柱的受压承载力。文献 2 通过碳纤维布加固钢筋混 凝土圆型柱的轴心受压试验研究发现， 加固后柱的轴 心抗压承载力与延性有明显的增加， 增加幅度与碳纤 维布的强度和层数成正比， 由于加固后碳纤维材料对 柱横向变形有显著的约束， 柱的轴心抗压承载力有明 显的提高 ， 计算加固后的抗力采用 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ( 混 凝土结构加固设计规范 中公式( 见5 ) ， 文中考虑了加 固前混凝土轴心抗压强度、 钢筋轴心抗压强度、 钢筋 截面面积、 纤维复合材料强度、 有效约束应力、 柱尺寸 等的影响， 并充分考虑各种影响抗力的不确定因素， 如材料性能的不定性、 几何特征的不定性、 计算模式 的不定性、 碳纤维强度等的综合作用， 总结出的计算 公式见式 5 ， 个别系数见表 1 、 表 2 、 表3 、 表 4 。 N =0 9 【 ( 。 +4 1 ) A 。 。 +厂 A 】 ( 5 ) 式中符号见参考文献 3 。 3 荷载效应组合 构件按 G B 5 0 0 0 9 2 0 1 1 建筑结构荷载规范 要 求 ， 按可变荷载控制的效应设计值和不变荷载控制的 效应设计值进行组合设计。 由可变荷载控制的效应设计值， 应按式( 6 ) 进行 计算 ： s d = s + Q 。 s Q + Q 妒 S 仉 ( 6 ) 1 2 由不变荷载控制的效应设计值 ， 应按式 ( 7 ) 进行 计算 ： s d = s + Q y 帆 S Q * ( 7 ) J 1 I 1 式中符号见参考文献 6 。 4结构构件的统计参数 表 1 结构抗 力统计参数 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 2期 ( 总第 1 9 8期) 影响结构构件抗力的主要因素有三种 ： 材料性 能的不确定性 ， 几何参数的不确定性 A， 计算模式的 不确定性 P 。结构构件计算模式的不确定性主要是指 抗力计算中采用 的某些基本假定的近似性和计算公 式的不精确性等引起的不确定性 。他们是相互独 立的随机变量， 这些不定性一般都可进行随机处理。 各种统计数据由文献 6 查得， 见表 1 、 表 2 、 表 3 。 表 2 荷载统计参数 参数名称 平均值 变异系数 5算例 某矩形截面钢筋混凝 土柱截面尺寸为 2 5 0 ra m 2 5 0 ra m， 高 日： 2 8 0 0 m m， 石灰骨料混凝土， 混凝土强度 等级为 C 3 0 ， 混凝土保 护层 厚度 2 5 ra m， 纵 向受压 钢筋 采用 H R B 4 0 0级， 根数为 4根 ， 分布在矩形的 4个角 上， 箍筋为 H P B 2 3 5 级 ， 构造要求符合 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 混凝土结构设计规范 要求， 具体构造见图 1 。柱三 面受火 ， 初始温度 T= 2 0 受火 ， 按 标准火灾升温 曲线 加热 9 o分钟 ， 自然冷却后 ， 将柱表面混凝土打磨平整， 保持干燥 ， 涂一层底胶 找平 ， 再涂一层 F RE 3 P胶 ， 后 粘贴 C F R P一层， 厚 0 I 1 I m m， 符合 G B 5 0 3 6 72 0 0 6 混凝土结构加固设计规范 要求。 由1 图1 算例构造图 钢筋混凝土柱受火前轴心抗压承载力： N =0 9 ( L 厂 l A 。 + 2 A 。 )= 1 6 3 8 4 k N 柱受火后抗力折减， 折减系数取自文献 2 。 = o c r N = 1 63 8 4 0 3 2 4 = 5 3 0 8 k N 由 ： O r l =0 5 卢 c p f E f s fe= 1 4 0 n ra m A = b h一 ( 4 一仃) r = 2 5 0 一 ( 4 3 I 4) 1 0 = 6 2 41 4mm A 。 。 = 2 5 0 2 5 0 = 6 2 5 0 0mm 碳纤维材料加 固后抗压强度 ： R=0 9 ( +4 or ) A +厂 A =1 6 4 4 5 k N R = R 8 R = 1 6 4 4 5 0 1 7 = 2 7 9 6 kN 恒荷载： x S G=2 钆。 G=3 64 83 5 1 = 6 0 6 5 2 8 k N 雪荷载： z =f n q =3 64 80 4 5 = 7 7 7 6k N 活荷载 ： =Z =3 64 80 5= 8 6 4 k N 永久荷载为最不利荷载， 取 ： 。 = 9 8 0k N o r = 。 6 。= 98 0 0 0 1 = 0 9 8 将以上数据代入公式得 = 5 5符合 G B 5 0 1 5 3 2 0 0 8 ( 5 12 程结构可靠性设计统一标准， 说明加固后的 钢筋混凝土柱安全可靠 】 。 6结语 碳纤维加固受火后的钢筋混凝土构件 的可靠性 评估是一个涉及多种材料、 多种技术和复杂理论的问 题， 其不确定性较大。文中采用结构可靠性理论将其 数量化， 用平均值和变异系数来考虑各种影响因素。 说明将不确定性量化 ， 采用数 学方法 分析工 程结 构 的 可靠性是完全可行。文中使用碳纤维材料加 固柱外 表面能有效的约束柱横 向变形， 防止裂缝的开展 ， 明 显提高钢筋混凝土柱的轴心抗压强度， 进而提高构件 的可靠性。文中虽然只研究单个构件的可靠性问题， 但该方法也适用于火后的整个结构可靠性分析 ， 同时 为其他受损构件及结构的可靠性分析提供一定的理 论基础。 参考文献 1 赵国藩工程结构可靠性理论与应用 M 大连： 大连理工大 学出版社 ， 1 9 9 6 ， 3 1 8 3 2 白丽丽 火灾后钢筋混凝土构件的可靠性分析 D 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2 0 0 8 ， 1 1 7 0 3 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 4 G B 5 0 3 6 7 - 2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s 5 M o fi y E l l i n g w o o d R T i m e d e p e n d s y s t e m r e l i a b i l i t y a n a l y s i s a d a p t i v e i mp o r t a n c e s a m p l img s t r u res Me t y ，1 9 9 3 ，1 2( 1) ： 2 3 28 6 G B 5 0 0 0 92 0 1 2， 建筑结构荷载规范 S 7 G B 5 0 0 6 8 - 2 0 0 1 ， 建筑结构可靠度设计统一标准 s 收稿 日 期 2 0 1 4 0 9 2 5 作者 简介 姜封国( 1 9 7 7一) ， 男 ， 黑龙江鸡 西人 ， 副教 授 ， 博 士， 研究方向： 结构可靠性分析和防灾减灾。