Усиление колонн CFRP-обёрткой для сейсмостойкости: соблюдение норм ASCE 41 и Eurocode 8

Введение в усиление колонн CFRP-обёрткой для сейсмостойкости

Усиление колонн обёрткой из углепластика (CFRP) стало одной из наиболее широко применяемых технологий реконструкции существующих железобетонных зданий в сейсмических зонах. Обеспечивая пассивное обжатие бетонного ядра, внешние CFRP-обёртки повышают осевую несущую способность, пластичность и прочность на сдвиг — устраняя три наиболее распространённых типа разрушения, наблюдаемых при землетрясениях: изгибное разрушение, сдвиговое разрушение и отслоение стыков внахлёстку. В данной статье рассматриваются инженерные проектные требования последних стандартов ASCE 41-23 и Eurocode 8 Part 3 (EN 1998-3:2025), оба из которых содержат специальные разделы по сейсмическому усилению FRP.

Основной принцип CFRP-обёртки колонн прост: непрерывные однонаправленные углеродные листы оборачиваются вокруг колонны с ориентацией волокон в кольцевом направлении. Когда во время землетрясения колонна испытывает боковое смещение, бетонное ядро расширяется в поперечном направлении и вовлекает CFRP-оболочку в растяжение, создавая обжимающее давление, которое предотвращает разрушение ядра и сохраняет целостность стыков продольной арматуры внахлёстку.

Однонаправленная углеродная ткань YongXian (классы 300 г/м², 240 г/м² и 600 г/м²) широко используется в китайских и юго-восточноазиатских проектах реконструкции. Высокий модуль упругости при растяжении (240 ГПа), стабильный поверхностный вес сухого волокна (допуск ±3%) и совместимые эпоксидные системы делают её подходящей для обёртки колонн, требующих соответствия AS 5100.8 или GB 50728.

Основные проектные требования ASCE 41-23

ASCE 41-23 содержит значительные обновления процедур моделирования FRP-обжатия в Главе 10. Стандарт предусматривает три уровня анализа: трёхуровневый подход.

• Уровень 1 (Линейная статическая процедура): Упрощённый силовой подход с коэффициентами модификации обжатия в зависимости от конфигурации обёртки.
• Уровень 2 (Линейная динамическая процедура): Спектральный анализ с модальной реакцией, моментом-кривизной с учётом CFRP-обжатия.
• Уровень 3 (Нелинейная динамическая процедура): Полный нелинейный анализ с моделями обжатого бетона (Mander или Saatcioglu-Razvi, модифицированные для FRP).

Положения Eurocode 8 Part 3 для FRP-усиления

Приложение F EN 1998-3:2025 посвящено FRP-усилению железобетонных элементов. Ключевые проверки включают достаточную поворотную способность и увеличение прочности на сдвиг:

• Непрерывная полная обёртка (keff = 1.0): Волокна ориентированы под 90° ±5° к оси колонны.
• Дискретная обёртка полосами (keff = 0.65–0.85): В зависимости от отношения зазора к ширине полосы.
• Обёртка частичной высоты (keff по §F.3.4): Только в пластической зоне у концов колонны.

Сравнение спецификаций обёртки: круглые vs. прямоугольные колонны

Параметр	Круглая колонна (ø600 мм)	Прямоугольная (600×600 мм)	Прямоугольная (800×400 мм)
Слоёв ткани YongXian 300 г/м²	3	5	6
Эквивалентная толщина (мм)	1.02	1.70	2.04
Давление обжатия fl (МПа)	1.4	2.1	2.8
Радиус скругления (мм)	н/д (круглая)	30	35
Длина нахлёстки (мм)	200	250	300
Увеличение осевой нагрузки (%)	35	25	20
Коэффициент пластичности μΔ	6.5	4.2	3.8
Увеличение прочности на сдвиг (%)	85	65	55

Часто задаваемые вопросы

Какова минимальная длина нахлёстки CFRP-обёртки при усилении колонн?

Для непрерывной обёртки минимальная длина нахлёстки однонаправленной ткани с эпоксидным клеем составляет 150 мм. Для многослойной обёртки нахлёстки должны смещаться на 50 мм на слой. ACI 440.2R-17 рекомендует минимум 200 мм для сейсмических применений.

Как соотношение сторон колонны влияет на проект CFRP-обёртки?

Для коротких колонн (L/h < 2.5) доминирует сдвиговое разрушение; для стройных колонн (L/h > 5.0) приоритетом является повышение изгибной пластичности. ASCE 41-23 устанавливает различные коэффициенты эффективности обжатия: при L/h ≤ 3.0 принимается полный эффект (keff = 1.0); при L/h > 5.0 keff снижается до 0.70.

Можно ли применять CFRP-обёртку к некруглым колоннам с высокой концентрацией напряжений?

Да, но подготовка радиуса скругления критична. Углы должны быть скруглены до минимум 25 мм (ACI 440.2R) или 30 мм (Eurocode 8 Part 3). Для колонн с соотношением сторон более 2.0 следует рассмотреть промежуточные механические анкеры.

Контроль качества монтажа и испытания

Обеспечение качества полевых CFRP-обёрток требует систематического протокола испытаний. Испытания ASTM D3039 должны достигать не менее 85% заявленной прочности. Испытания на отрыв ASTM D7234 должны показывать когезионное разрушение с прочностью не менее 1.5 МПа. Содержание воздушных пустот в эпоксидной матрице должно быть менее 5% по объёму.