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摘要本文简要介绍了地震灾区大跨度工业厂房震害状况、受损机理及采用碳纤维布加固技术对该厂房进行的抗震加固设计与研究。通过对厂房结构在地震波作用下的计算分析，得到受损机理及原结构设计不足之处，以此为依据对结构进行碳纤维布加固，并对加固后的结构再次进行动力时程计算分析验证了加固方案可行性，本文可对同类工程加固设计提供一定的技术参考。
关键词大跨度结构工业厂房加固有限元受损
中图分类号: TU318
1.引言
地震作为一种严重的自然灾害，每一次的发生都伴随着构筑物和建筑物的破坏与倒塌，造成人民生命财产的巨大损失。经大量震害调查分析表明，经过抗震加固的工程在地震中受损较轻，证明了抗震加固是改善提高既有建筑抗震能力的有效措施。大型工业设施因其特殊的使用功能，往往具有较大的空间和体量。在役结构的安全性鉴定及加固方法大都把注意力集中到单个构件，反而忽略了结构的整体性能,[4]本文以某水泥厂长房加固设计为例，注重加固对结构体系整体的影响分析，所选取的加固方法和理念为类似工程的加固设计提供参考。
该大跨度厂房由长130米、宽65米的巨型椭圆田径场状的形体构成，上部结构采用球节点连接的钢管网架结构，下部结构为钢筋混凝土承重墙体。上部钢架通过螺栓球节点与下方的承重墙上部预埋钢板相连接。承重墙钢筋采用HRB335，混凝土采用C25。地基为粉质粘土层，地基承载力标准值Fk=180KPa，,超挖部分用C10混凝土回填到设计标高。基桩采用ZG350A型桩，桩端桩进入持力层为中密含粉质粘土卵石层，桩端极限承载力标准值4800 KPa，单桩承载力设计值300KN，桩进入持力层深度1.5d，桩顶钢筋伸入承台30d，建筑物抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。
2.震害概况及分析
经现场检测鉴定表明：（1） 该厂房的结构布置、材料选择、施工质量符合设计要求；（2）破坏主要集中在下部承重墙体，墙体出现较多贯通的竖向裂缝，尤其在结构直曲转折处，及两侧圆弧段中段处最为严重，最大裂缝达8cm，钢筋和混凝土之间的粘结完全破坏，
钢筋暴露且大多数裂缝都位于支撑钢板的下部。该结构上部钢架部分与桩基部分经检测仅有个别杆件轻微损坏。（3）承重墙体与上部钢架连接部位的预埋板与预埋钢筋锈蚀较为严重，这造成了给部位的钢筋与混凝土的粘结不良。
3.原结构地震反应分析
为了对原结构的地震破坏进行分析，首先对该厂房结构进行了地震作用下的计算和分析。由于此结构体系结构复杂并且体型又较庞大，在保证计算模型与现有结构受力特性一致的基础上进行简化，选用三维实体单元进行混凝土结构的模拟，上部网架结构采用荷载的形式施加于承重墙体之上，然后选用实测地震波，进行了结构的动力时程分析。
分析结果表明，建立的模型及采用的计算方法基本符合实际，计算应力应变较大处与结构实际破坏部位相一致；对计算结果分析可知，该厂房在汶川地震作用下承重结构发生破坏，结构最大主应力出現在0.44秒，应力集中部位位于圆弧段中点处和圆弧段与直线段的交界处，竖直方向位于承重墙体中部略下，其值为2.2Mpa。破坏过程是由墙体内侧支座下部最先受拉破坏，在结构支座下部出现纵向裂缝，然后随着水平及竖直方向的地震动的继续，竖向裂缝逐渐增大被拉开，最终出现上节所述震害状况。
对结构计算结构进行分析可知，结构的裂缝主要是由环向拉应力引起，环向应力较大一是因为原结构没有设置足够的抗震构造设施；二是结构环向钢筋配置较少在墙体内外侧仅有两根Φ10钢筋，且都集中于结构地平略上部分，对与上部结构连接处环向应力的抵抗能力较弱。
4.加固设计方案
基于该结构病害检测分析，结合结构的有限元分析计算，在按照改善结构受力性能、减小施工难度、控制工程造价的原则，首先对结构的纵向裂缝低压灌注灌缝胶，对产生的损伤与缺陷进行维修与补强，增强结构受力的整体性和耐久性，防止混凝土材料进一步劣化，然后采取粘结碳纤维布的方法提高损伤墙体的承载能力，满足结构体系抗震要求。
4.1 混凝土裂缝的处理[1,2]
（1） 裂缝处理：用角磨机打磨清除裂缝表面杂物、浮浆等，先在裂缝表面凿V形槽，槽宽5cm~10cm然后利用钢丝刷及压缩空气将混凝土碎屑粉尘清除干净，再利用高压水对冲洗裂缝，最后再用气泵或小型空压机吹干净，吹干燥。
（2） 埋设注浆嘴：根据实测的裂缝宽度及裂缝分布情况，设置注浆嘴间距，纵横交叉处均有设置，每条缝上均有注浆、排气、出浆的注浆嘴。注浆嘴采用埋入式注浆嘴，埋入后沿裂缝全长用环氧胶泥固定。
（3） 封缝：注浆嘴固定后将裂缝表面用环氧胶泥进行封闭。宽度填塞满沟槽，并在表面加宽1-2cm。
（4） 压气试漏：待环氧胶泥具一定强度后（常温季节约需3h），进行压气试漏和通畅情况检查。试漏时气压为0.2-0.4MPa在封口及注浆嘴四周涂肥皂水，如出现泡沫表示漏气，这时可采用促凝灰浆修补密封。
（5） 压浆：压气试漏检查合格后）即开始进行压浆。压浆前将所有注浆嘴上阀门打开，用压缩空气将孔道及裂缝吹干净，达到无水、无尘状态。压浆采用单孔压浆，在一条裂缝上按由浅到深）由下到上）由一端到另，一端顺序进行。压浆时将配好的浆液倒入罐内，旋紧罐口，将活接头接在注浆嘴上，开动空压机，使压力保持在0.2-0.5MPa，打开阀门，浆液即被压入缝中，经过3-6min，待浆液从邻近注浆嘴冒出后即关闭阀门。如此顺序进行，为达到连续压浆，施工时应另备适量不加固化剂的浆液，随压浆加入固化剂乙二胺，拌匀后随时使用。
（6） 压浆结束：重复以上的操作直到裂缝最上部灌胶嘴溢胶，待裂缝胶液18小时固化后，可去掉灌胶嘴，用砂轮机打磨裂缝表面。
（7） 养护：采取自然养护，在常温20-35摄氏度下经24小时可硬化，注浆嘴在浆液硬化12小时后拆下，继续下一循环施工。裂缝处理完后，利用抹面胶泥对表面进行封闭。
4.2 粘帖碳纤维布[5,6]
（1） 混凝土构件表面处理：将混凝土表面的疏松、软质、脆裂、松脱等缺陷清除达到表面坚实；露筋的锈块、锈皮均须清除，必要时作防锈处理。将混凝土表面的疏松、软质、脆裂、松脱等缺陷清除达到表面坚实。
（2） 贴碳纤维片基层处理：对混凝土残缺部分用高于原混凝土强度等级的砂浆或混凝土修补平整。并将混凝土表面的风化劣化层、浮浆、油污、泥污、油质脱模剂等污物清除洁净。混凝土表面的浆楞、模板段差均须打磨平整形成平顺的斜面，直角或锐角处应打磨成表面光滑的圆角，最后将打磨过的混凝土表面存留的粉末清除干净，保持被修补表面的彻底清洁。
（3） 涂底层界面剂：在处理好的混凝土表面涂刷底涂环氧树脂涂料。使底层树脂渗入到混凝土中，增加粘贴的结合力。
（4） 构件表面的残缺修补：底层涂料涂刷后将构件表面的小孔、内角用环氧腻子修补平整。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，再用砂纸打磨平整。
（5） 贴碳纤维片：在处理好的混凝土表面先涂刷环氧树脂，然后将预先裁剪好的碳纤维片粘贴在混凝土表面。碳纤维片粘贴后再在其表面涂刷一层粘结树脂。贴片工序操作的技术性很强，有严格的操作规程和质量控制标准，以确保粘贴的质量。注意在粘帖过程中搭接多层错开，最小搭接长度为100mm。
（6） 养护：碳纤维片粘贴后，通常在自然条件下养护一段时间，视温度条件而定，以保证养护时间温度不低于树脂的允许使用温度，养护胶液完全固化。
（7） 涂装：修复补强作业完成后，碳纤维片的表面涂刷各种性能和不同颜色的涂装，增加补强的效果。
5.加固后结构地震反映分析
该厂房进行加固改造后抗震性能得到显著改善，表现为：
（1） 经过综合加固，结构受力体系趋于合理，绝大多数节点受力远小于结构抗力，通过提取危险截面得应力数据可知，危险截面应力明显降低。本文所采用的加固方法适用，加固后的结构体系满足抗震设计要求。
（2）经加固后整个结构体系的频率增大，如图4所示。通过碳纤维布的加固使整个结构整体性能得到了提升，通过提取加固前后危险截面中的危险点的应力，与加固前时程分析所得数据进行对比分析（见图5）可知，经过加固后结构体系抵抗环向应力的能力显著提升，最大主拉应力的值降至1.7Mpa，应力集中现象得到缓解。
6.结论
本文结合汶川震后某受损厂房出现的震害状况，对结构进行了抗震加固设计并对其进行了多方位的抗震验算和分析比较，得到以下幾点结论：
（1）类似在役工业厂房设施的安全性鉴定过程中除了要对构件进行检测分析外，还要注重结构整个体系的分析。通过动力计算分析得知，在地震作用下该厂房环向拉应力较大，特别是在承重墙体内侧中下部，建议在此后同类厂房设计中增加环向钢筋的布置。
（2）本文对结构体系进行了汶川地震波下的动力时程分析，应力分布同实际破坏情况基本吻合，厂房在地震后出现的支座下纵向裂缝是由于上部结构荷载在地震波的作用下引起下部混凝土承重墙体出现的主拉应力较大造成墙体纵向拉裂，出现支座下部墙体的纵向贯通裂缝。
（3）采用裂缝低压灌注灌缝胶处理裂缝，并使用碳纤维布对结构进行加固，经过有限元数值计算分析可知，文中介绍的方法可以有效地减少结构环向应力和主拉应力，得到良好的加固效果，但碳纤维布加固过程中碳纤维布没有得到充分利用，故使用碳纤维布进行抗震加固的具体方法有待进一步研究，本文对同类工程加固工作提供一定的技术参考。
参考文献
[1] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2] GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006．
[3] 黄镇,李爱群,秦新刚. 大跨体育馆抗震性能鉴定与加固研究[M].成都:四川建筑科学研究,2007.
[4] 侯志伟．水泥厂厂房结构震害分析及加固研究．[D] 成都：西华大学硕士论文，2010
[5] 赵彤、谢剑等著有《碳纤维布补强加固混凝土结构新技术》[M].天津：天津大学出版社，2001
[6] CECS146:2003,《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,北京：中国建设标准化协会，2003
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词大跨度结构工业厂房加固有限元受损
中图分类号: TU318
1.引言
地震作为一种严重的自然灾害，每一次的发生都伴随着构筑物和建筑物的破坏与倒塌，造成人民生命财产的巨大损失。经大量震害调查分析表明，经过抗震加固的工程在地震中受损较轻，证明了抗震加固是改善提高既有建筑抗震能力的有效措施。大型工业设施因其特殊的使用功能，往往具有较大的空间和体量。在役结构的安全性鉴定及加固方法大都把注意力集中到单个构件，反而忽略了结构的整体性能,[4]本文以某水泥厂长房加固设计为例，注重加固对结构体系整体的影响分析，所选取的加固方法和理念为类似工程的加固设计提供参考。
该大跨度厂房由长130米、宽65米的巨型椭圆田径场状的形体构成，上部结构采用球节点连接的钢管网架结构，下部结构为钢筋混凝土承重墙体。上部钢架通过螺栓球节点与下方的承重墙上部预埋钢板相连接。承重墙钢筋采用HRB335，混凝土采用C25。地基为粉质粘土层，地基承载力标准值Fk=180KPa，,超挖部分用C10混凝土回填到设计标高。基桩采用ZG350A型桩，桩端桩进入持力层为中密含粉质粘土卵石层，桩端极限承载力标准值4800 KPa，单桩承载力设计值300KN，桩进入持力层深度1.5d，桩顶钢筋伸入承台30d，建筑物抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。
2.震害概况及分析
经现场检测鉴定表明：（1） 该厂房的结构布置、材料选择、施工质量符合设计要求；（2）破坏主要集中在下部承重墙体，墙体出现较多贯通的竖向裂缝，尤其在结构直曲转折处，及两侧圆弧段中段处最为严重，最大裂缝达8cm，钢筋和混凝土之间的粘结完全破坏，
钢筋暴露且大多数裂缝都位于支撑钢板的下部。该结构上部钢架部分与桩基部分经检测仅有个别杆件轻微损坏。（3）承重墙体与上部钢架连接部位的预埋板与预埋钢筋锈蚀较为严重，这造成了给部位的钢筋与混凝土的粘结不良。
3.原结构地震反应分析
为了对原结构的地震破坏进行分析，首先对该厂房结构进行了地震作用下的计算和分析。由于此结构体系结构复杂并且体型又较庞大，在保证计算模型与现有结构受力特性一致的基础上进行简化，选用三维实体单元进行混凝土结构的模拟，上部网架结构采用荷载的形式施加于承重墙体之上，然后选用实测地震波，进行了结构的动力时程分析。
分析结果表明，建立的模型及采用的计算方法基本符合实际，计算应力应变较大处与结构实际破坏部位相一致；对计算结果分析可知，该厂房在汶川地震作用下承重结构发生破坏，结构最大主应力出現在0.44秒，应力集中部位位于圆弧段中点处和圆弧段与直线段的交界处，竖直方向位于承重墙体中部略下，其值为2.2Mpa。破坏过程是由墙体内侧支座下部最先受拉破坏，在结构支座下部出现纵向裂缝，然后随着水平及竖直方向的地震动的继续，竖向裂缝逐渐增大被拉开，最终出现上节所述震害状况。
对结构计算结构进行分析可知，结构的裂缝主要是由环向拉应力引起，环向应力较大一是因为原结构没有设置足够的抗震构造设施；二是结构环向钢筋配置较少在墙体内外侧仅有两根Φ10钢筋，且都集中于结构地平略上部分，对与上部结构连接处环向应力的抵抗能力较弱。
4.加固设计方案
基于该结构病害检测分析，结合结构的有限元分析计算，在按照改善结构受力性能、减小施工难度、控制工程造价的原则，首先对结构的纵向裂缝低压灌注灌缝胶，对产生的损伤与缺陷进行维修与补强，增强结构受力的整体性和耐久性，防止混凝土材料进一步劣化，然后采取粘结碳纤维布的方法提高损伤墙体的承载能力，满足结构体系抗震要求。
4.1 混凝土裂缝的处理[1,2]
（1） 裂缝处理：用角磨机打磨清除裂缝表面杂物、浮浆等，先在裂缝表面凿V形槽，槽宽5cm~10cm然后利用钢丝刷及压缩空气将混凝土碎屑粉尘清除干净，再利用高压水对冲洗裂缝，最后再用气泵或小型空压机吹干净，吹干燥。
（2） 埋设注浆嘴：根据实测的裂缝宽度及裂缝分布情况，设置注浆嘴间距，纵横交叉处均有设置，每条缝上均有注浆、排气、出浆的注浆嘴。注浆嘴采用埋入式注浆嘴，埋入后沿裂缝全长用环氧胶泥固定。
（3） 封缝：注浆嘴固定后将裂缝表面用环氧胶泥进行封闭。宽度填塞满沟槽，并在表面加宽1-2cm。
（4） 压气试漏：待环氧胶泥具一定强度后（常温季节约需3h），进行压气试漏和通畅情况检查。试漏时气压为0.2-0.4MPa在封口及注浆嘴四周涂肥皂水，如出现泡沫表示漏气，这时可采用促凝灰浆修补密封。
（5） 压浆：压气试漏检查合格后）即开始进行压浆。压浆前将所有注浆嘴上阀门打开，用压缩空气将孔道及裂缝吹干净，达到无水、无尘状态。压浆采用单孔压浆，在一条裂缝上按由浅到深）由下到上）由一端到另，一端顺序进行。压浆时将配好的浆液倒入罐内，旋紧罐口，将活接头接在注浆嘴上，开动空压机，使压力保持在0.2-0.5MPa，打开阀门，浆液即被压入缝中，经过3-6min，待浆液从邻近注浆嘴冒出后即关闭阀门。如此顺序进行，为达到连续压浆，施工时应另备适量不加固化剂的浆液，随压浆加入固化剂乙二胺，拌匀后随时使用。
（6） 压浆结束：重复以上的操作直到裂缝最上部灌胶嘴溢胶，待裂缝胶液18小时固化后，可去掉灌胶嘴，用砂轮机打磨裂缝表面。
（7） 养护：采取自然养护，在常温20-35摄氏度下经24小时可硬化，注浆嘴在浆液硬化12小时后拆下，继续下一循环施工。裂缝处理完后，利用抹面胶泥对表面进行封闭。
4.2 粘帖碳纤维布[5,6]
（1） 混凝土构件表面处理：将混凝土表面的疏松、软质、脆裂、松脱等缺陷清除达到表面坚实；露筋的锈块、锈皮均须清除，必要时作防锈处理。将混凝土表面的疏松、软质、脆裂、松脱等缺陷清除达到表面坚实。
（2） 贴碳纤维片基层处理：对混凝土残缺部分用高于原混凝土强度等级的砂浆或混凝土修补平整。并将混凝土表面的风化劣化层、浮浆、油污、泥污、油质脱模剂等污物清除洁净。混凝土表面的浆楞、模板段差均须打磨平整形成平顺的斜面，直角或锐角处应打磨成表面光滑的圆角，最后将打磨过的混凝土表面存留的粉末清除干净，保持被修补表面的彻底清洁。
（3） 涂底层界面剂：在处理好的混凝土表面涂刷底涂环氧树脂涂料。使底层树脂渗入到混凝土中，增加粘贴的结合力。
（4） 构件表面的残缺修补：底层涂料涂刷后将构件表面的小孔、内角用环氧腻子修补平整。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，再用砂纸打磨平整。
（5） 贴碳纤维片：在处理好的混凝土表面先涂刷环氧树脂，然后将预先裁剪好的碳纤维片粘贴在混凝土表面。碳纤维片粘贴后再在其表面涂刷一层粘结树脂。贴片工序操作的技术性很强，有严格的操作规程和质量控制标准，以确保粘贴的质量。注意在粘帖过程中搭接多层错开，最小搭接长度为100mm。
（6） 养护：碳纤维片粘贴后，通常在自然条件下养护一段时间，视温度条件而定，以保证养护时间温度不低于树脂的允许使用温度，养护胶液完全固化。
（7） 涂装：修复补强作业完成后，碳纤维片的表面涂刷各种性能和不同颜色的涂装，增加补强的效果。
5.加固后结构地震反映分析
该厂房进行加固改造后抗震性能得到显著改善，表现为：
（1） 经过综合加固，结构受力体系趋于合理，绝大多数节点受力远小于结构抗力，通过提取危险截面得应力数据可知，危险截面应力明显降低。本文所采用的加固方法适用，加固后的结构体系满足抗震设计要求。
（2）经加固后整个结构体系的频率增大，如图4所示。通过碳纤维布的加固使整个结构整体性能得到了提升，通过提取加固前后危险截面中的危险点的应力，与加固前时程分析所得数据进行对比分析（见图5）可知，经过加固后结构体系抵抗环向应力的能力显著提升，最大主拉应力的值降至1.7Mpa，应力集中现象得到缓解。
6.结论
本文结合汶川震后某受损厂房出现的震害状况，对结构进行了抗震加固设计并对其进行了多方位的抗震验算和分析比较，得到以下幾点结论：
（1）类似在役工业厂房设施的安全性鉴定过程中除了要对构件进行检测分析外，还要注重结构整个体系的分析。通过动力计算分析得知，在地震作用下该厂房环向拉应力较大，特别是在承重墙体内侧中下部，建议在此后同类厂房设计中增加环向钢筋的布置。
（2）本文对结构体系进行了汶川地震波下的动力时程分析，应力分布同实际破坏情况基本吻合，厂房在地震后出现的支座下纵向裂缝是由于上部结构荷载在地震波的作用下引起下部混凝土承重墙体出现的主拉应力较大造成墙体纵向拉裂，出现支座下部墙体的纵向贯通裂缝。
（3）采用裂缝低压灌注灌缝胶处理裂缝，并使用碳纤维布对结构进行加固，经过有限元数值计算分析可知，文中介绍的方法可以有效地减少结构环向应力和主拉应力，得到良好的加固效果，但碳纤维布加固过程中碳纤维布没有得到充分利用，故使用碳纤维布进行抗震加固的具体方法有待进一步研究，本文对同类工程加固工作提供一定的技术参考。
参考文献
[1] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2] GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006．
[3] 黄镇,李爱群,秦新刚. 大跨体育馆抗震性能鉴定与加固研究[M].成都:四川建筑科学研究,2007.
[4] 侯志伟．水泥厂厂房结构震害分析及加固研究．[D] 成都：西华大学硕士论文，2010
[5] 赵彤、谢剑等著有《碳纤维布补强加固混凝土结构新技术》[M].天津：天津大学出版社，2001
[6] CECS146:2003,《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,北京：中国建设标准化协会，2003
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。