中國是一個歷史悠久的文明古國，有著七千多年的建筑發(fā)展史，全國各地至今仍保留著大量的歷史遺跡。古塔作為中國文化的一部分，在我國建筑的發(fā)展史上占有極其重要的地位，它不僅具有寶貴的文物價值，也具有極高的科研價值。然而，大部分存在古塔由于內(nèi)在的薄弱環(huán)節(jié)和多年的風(fēng)雨侵蝕，抗震能力較差，難以抵抗強風(fēng)或地震的襲擊。另外，由于古塔保護費用巨大，致使大部分古塔常年失修，結(jié)構(gòu)可靠性降低，甚至喪失殆盡，如何有效地保護古塔，顯得尤為緊迫和重要。

    “盛世修古建”，隨著我國經(jīng)濟實力的不斷加強，古塔修復(fù)加固也進入高峰期。目前常用的加固方法如加大截面法及外包鋼加固法，由于施工工藝復(fù)雜和對原結(jié)構(gòu)剛度影響較大等缺點，無法滿足古塔加固的要求。而對碳纖維加固方法以其輕質(zhì)、高強、抗腐蝕、耐疲勞及其溫度穩(wěn)定性倍受土木工程界關(guān)注，成為結(jié)構(gòu)加固修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。本文利用碳纖維材料的優(yōu)良性能，對某古塔進行了加固修復(fù)研究，分析表明，應(yīng)用碳纖維加固技術(shù)可以明顯提高塔類結(jié)構(gòu)的承載力，并能夠滿足此類結(jié)構(gòu)的抗震要求。

1工程簡介

    某古塔建于唐朝貞觀元年（公元627年），距今已有一千三百年，是典型的阿拉伯風(fēng)格的建筑，全國僅有，文物價值極高。

古塔主體結(jié)構(gòu)由主塔和小塔組成，總高度為34.246m，其中主塔高23.634m，小塔高10.612m。主塔由外筒和內(nèi)筒組成，外筒直徑8.53m，內(nèi)筒直徑6.05m。

在主塔設(shè)有2座均為逆時針盤上的螺旋樓梯，樓梯入口位于塔德南、北方向，相對盤旋而上，各自直通塔頂。

目前古塔主要存在以下幾個問題：

1）  主塔和小塔均有不同程度的傾斜且方向各異。塔身墻體局部外凸，主塔頂部平臺傾斜，核心部分和外圍部分下沉不均勻。

2）  主塔外墻有明顯裂縫，包括豎向裂縫、水平裂縫及窗角處的通縫，塔身外表面剝落且塔尖破壞嚴重，說明古塔存在局部承載力不足問題。

3）  主塔和小塔變形不一致，加上小塔受“鞭梢效應(yīng)”影響，更加重了小塔在颶風(fēng)和地震作用下倒塌的危險。

2古塔抗震性能分析

2.1計算模型的建立

    古塔塔身材料主要為磚砌體，局部有混凝土材料，墻體及混凝土結(jié)構(gòu)均有一定的厚度。主塔外筒與內(nèi)筒之間還有2座螺旋向上的樓梯，構(gòu)造較為復(fù)雜。為了便于建模、且計算模型又能較為準確地反映原型結(jié)構(gòu)的動力特征，塔身、樓板以及平臺均采用實體單元，利用有限元計算程序進行分析。

2.2結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)計算結(jié)果

    根據(jù)上述模型，通過有限元計算程序可得，模型結(jié)構(gòu)的第一自振周期為0.715s，實測周期為0.8s，兩者基本一致，可認為計算模型能夠真實反映實際結(jié)構(gòu)的情況。

    計算表明，小震作用下，在小塔和主塔的連接部位及主塔底部局部區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力超出了砌體的極限抗壓承載能力；結(jié)構(gòu)整體抗拉能力不能滿足要求，小塔與主塔的連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱部位；小塔頂部及主塔頂部的側(cè)移均超出結(jié)構(gòu)位移限值。

    大震作用下，小塔頂部及主塔頂部的側(cè)移也都超出結(jié)構(gòu)位移限值，有剪切破壞，彎曲破壞和傾覆的危險。

    該古塔所用材料主要為磚砌體，由于磚砌體材料一般抗拉能力較弱，且塔身明顯發(fā)生傾斜，故結(jié)構(gòu)的破壞部位主要集中在主塔底部和小塔與主塔連接處。

    綜上所述，該古塔在地震作用下，進一步損壞甚至倒塌的可能性很大，必須進行加固處理。

3加固方案的比較和選擇

    根據(jù)實際工程情況，一般可供選擇的加固方法有加大截面加固法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力法等幾種傳統(tǒng)補強加固方法以及碳纖維加固法。傳統(tǒng)方法加固結(jié)構(gòu)會增加結(jié)構(gòu)體積和自重，且工序繁多，工期長、使用機械多。需要的施工場地和施工空間較大。而碳纖維加固法由于碳纖維材料具有強度高，材質(zhì)輕柔、易粘貼，施工便捷，無需大型機械設(shè)備及其固定措施，加固完成后結(jié)構(gòu)自重增加幾乎可以忽略不計，且抗疲勞度高，耐久性及耐腐蝕性好，可以在短時間內(nèi)完成加固工作。通過比較，選擇碳纖維加固法對古塔建筑進行加固。

4碳纖維加固方案

4.1加固方案

4.1.1設(shè)計方法

1）受彎加固

    根據(jù)平面假定，碳纖維的應(yīng)變略大于鋼筋的應(yīng)變，可近似取兩者相等，這種簡化偏于安全。

2）受剪加固

    應(yīng)用碳纖維片材對古建筑進行抗剪加固時，其加固效果及作用類似于在結(jié)構(gòu)中增加的箍筋部分。

4.1.2碳纖維片材料布置方案

    由于該古塔分主塔和小塔兩部分，加固時需對他們分別考慮，首先用環(huán)氧砂漿對古塔的表面部分進行灌縫處理，然后在主塔塔身由主塔底部向上每隔1m(中心問距)粘貼1條300mm寬的環(huán)向碳纖維片材，一直粘貼到12m處。接下來由主塔12m處往上每隔1.5m（中心間距）粘貼1條300mm，寬的環(huán)向碳纖維片材，一直粘貼到主塔頂部。另外，在主塔塔身上，從塔身底部一直到其頂部豎直粘貼300mm寬的碳纖維片材，按環(huán)向均勻相隔，共8條縱向碳纖維片材。

小塔的碳纖維布置方式基本與主塔類似，在小塔底部至小塔2m高處，每隔1m（中心間距）粘貼1條250mm寬的環(huán)向碳纖維片材，由小塔2m處往上每隔2m（中心間距）粘貼1條2500mm寬的環(huán)向碳纖維片材，一直粘貼到小塔底部。同樣，在小塔塔身上，從塔身底部一直到其頂部豎直粘貼2500mm寬的碳纖維片材，按環(huán)向均勻相隔，共8條縱向碳纖維片材，其布置位置與主塔縱向相同。

4.2施工步驟及技術(shù)要點

1）古塔表面處理（清除劣化層、灌縫、清理），采用環(huán)氧砂漿充分注入裂縫，進行裂縫封閉處理）

2）預(yù)先計算好需要粘貼碳纖維片材的位置，在相應(yīng)位置刷寬300mm、厚10mm的M15砂漿一層。

3）待砂漿達到強度后，用找平材料不平整處找平處理。

4）涂刷底層樹脂，需用滾筒刷將底層樹脂均勻地涂于古塔表面。待涂料表面指觸干燥后方可進行下一工序施工。

5）涂刷浸漬樹脂。

6）粘貼碳纖維片材（多層粘貼時重復(fù)步驟4）5））。這里需注意的是，涂刷浸漬膠后，應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)，將已載好的碳纖維片材迅速粘貼到位，同時應(yīng)用特制的滾筒沿碳纖維片材受力方向多次滾壓擠出氣泡，以保證碳纖維片材與砂漿緊密結(jié)合。

7）粘貼完成后，在最后一層碳纖維片材表面均勻涂浸樹脂，同時撒上一層細砂，待古塔表面干燥后，抹上水泥砂漿保護層進行保護。

8）若有特別防護，應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施。

4.3加固后驗算

    加固后進行了有限元程序分析計算，與加固前相比，這種加固方法使得加固后的古塔結(jié)構(gòu)承載力提高了20％左右，同時剛度變化不大，說明碳纖維加固方法對結(jié)構(gòu)剛度影響不大，比其他加固方式更適合于古建筑抗震性能的改善。

另外。碳纖維加固方法還能夠減小古塔結(jié)構(gòu)的頂部位移反應(yīng)、加速反應(yīng)以及結(jié)構(gòu)的底部剪力和傾覆力矩，對于古塔結(jié)構(gòu)防止其他地震作用下傾斜，倒塌有較為明顯的效果。

5結(jié)論

    碳纖維加固技術(shù)由于避免了其他加固方法增大結(jié)構(gòu)尺寸、增加自重、施工周期等缺點，在達到相同加固效果的情況下，它操作方便，工期較短，節(jié)約投資，同時還能夠最大限度地保證原有古塔的外部建筑風(fēng)貌。特別符合古建筑“修舊如舊”的加固思路，在古建加固領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

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