1.2.上海市浦东区民防管理署
3.上海工圣建筑工程设计咨询有限公司
4.上海建工集团股份有限公司
摘要：上世纪60年代建造的大批民防工程，随着时间的发展大批退出历史舞台。截至目前，上海浦东新区共有205处报废民防工程，总建筑面积48866m2，报废民防工程的加固与改造具有显著的社会效益。针对两类报废民防工程典型结构形式——钢筋混凝土平顶结构与砖拱砌体结构，采用通用有限元分析软件ABAQUS建立了分析模型。考虑偶然荷载与材料强度退化等因素对于结构安全性能的影响，研究了辅助内框架加固技术与碳纤维网格布喷射高强砂浆技术的加固效果。研究表明，辅助内框架加固技术能够有效提高报废民防工程的刚度与极限承载力，可以减小材料的应力水平，两种加固技术提高了报废民防工程的结构安全储备能力，可以抵御因偶然荷载或材料强度退化导致的结构整体倒塌危险。
关键词：民防工程，结构加固，碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术，辅助内框架，有限元分析
Abstract：Plenty of abandoned civil-defense projects built in 1960s lose their use value and there are 205 practical cases in Pudong new area of Shanghai with architectural area reaching 48866m2.The reinforcement and reform of civil-defense projects have remarkable economic benefit.Aimed at two types of civil-defense structures，reinforcement flat structures and masonry arch structures，the finite element models are established by the software ABAQUS.The influence of accidental loads and the strength degradation of structural material is taken into consideration and the enhancement effects of embedded-frames and carbon fiber cloth coupled with high-strength shotcrete are evaluated.According to the analysis，the embedded-frames and carbon fiber cloth can increase the structural stiffness and capacity with the decreasing of material equivalent stress，which is effective to prevent the progressive collapse and enhance the structural robustness.
Keywords：civil-defense project，structural strengthening，the reinforcing technology of carbon-fiber sheet with high-strength shotcrete，internal-aided frame，finite element analysis.
0.引言
上世纪60-70年代，在国家提出“深挖洞，广积粮，不称霸”的号召以后，人民防空行动在全国范围内开展起来。近半个世纪过去了，当初建造的民防工程不但在功能上已经失去了价值，部分工程到达或濒临设计使用年限，有待报废处理。报废民防工程虽然已经失去使用价值，但仍然是城市地下空间的一部分，有必要通过系统技术对废弃民防工程进行加固改造，消除隐患，综合开发再利用。
截至目前，上海浦东地区共有205处已退出人防序列的报废民防工程，总建筑面积48866平方米。根据报废民防工程的特性可以将其分为三种：其一是附建掩体，多为平顶结构，结合多层住宅修建；其二是单建掩体，多为砖拱或平拱结合结构，一般修建在学校操场、菜场或仓库等临时建筑下面；其三是人防通道，多为砖拱坑道式掩体，一般修建在马路下面。上海浦东地区报废民防工程的数量较大，对其进行加固改造具有显著的社会效益。
目前，关于房屋建筑的综合加固技术较为成熟，增大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等技术已经广泛地应用于工程实践[1][2][3]。然而，面向民防工程的加固改造技术研究及相应的工程实践较匮乏。民防工程的荷载形式和物理化学环境复杂，不同于普通房屋建筑[4]，一旦发生结构性垮塌，将造成道路塌陷或上部建筑连续性倒塌，危害严重。因此，有必要对报废民防工程加固改造技术的安全性和适用性进行系统研究。
本文针对报废民防工程，针对平顶民防工程和砖拱民防工程两种结构形式研究分析，采用通用有限元分析软件ABAQUS，分析了碳纤维网格布喷射高强砂浆技术与辅助内框架技术的加固效果。研究表明，碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术施工便捷，耐久性好，可以提高报废民防工程的承载力；辅助内框架加固技术在提高结构刚度与极限承载力的同时，发挥着第二道防线的作用，有助于增强结构的安全储备能力。
1.加固技术与工程概况
1.1两种加固技术
针对报废民防工程，本文研究了两种加固技术：碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术和辅助内框架加固技术。
碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术[5]（Carbon fiber cloth reinforcing technology with high-strength motar，以下简称CFRM技术）是通过有机树脂将具有一定强度的碳纤维网格布粘结于结构构件表面，并于外表面喷射高强砂浆。碳纤维网格布具有抗拉强度高、密度小的特点，基本不增加构件的截面和自重，提高了构件的承载力与抗开裂性能。CFRM技术可适用于各类结构造型的加固，施工高效便捷，广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程项目。由于碳纤维具有良好的耐久性，CFRM技术适用于酸、碱、盐及大气腐蚀环境中，能够应用于报废民防工程。
辅助内框架加固技术（Aided internal frame reinforcing technology，以下简称AFR技术）通过在结构内部增设框架子结构，提高了整体结构的承载力与安全储备程度。辅助内框架作为整体结构的二道防线[6][7]，既增强了结构对于偶然荷载的抵御能力，也有助于避免因材料退化导致的结构失效。AFR技术可以显著提高结构的刚度和承载力，可以应用于报废民防工程。
1.2 工程概况
本文选取了两种结构形式的民防工程进行研究：砖拱形式与平顶形式，如图1所示。
砖拱形式民防工程的拱顶及竖墙均采用砖砌，上部荷载通过拱顶传递至竖墙，进而传递到基础。覆土厚度为1.5m，顶板为360mm，侧墙为360mm厚砖砌体墙，底板为350mm厚混凝土板。民防工程断面如图1（a）所示。
平顶形式民防工程的顶部平板与竖墙均为钢筋混凝土结构。覆土厚度1.5米，钢筋混凝土顶板厚度250mm，钢筋混凝土侧墙厚度300mm，底板为350mm厚混凝土板。民防工程断面如图1（b）所示。基于现场勘测情况，地下室部分往往已经出现了混凝土开裂、剥落的情况，外露钢筋出现锈蚀，渗水问题较严重，有必要进行加固。
图1 两种结构形式的断面示意图
2.有限元模型
本文采用通用有限元ABAQUS分别建立了砖拱结构和平顶结构的分析模型，有限元模型断面的几何尺寸与实际工程一致。
2.1 砖拱结构有限元分析模型
图 2未进行加固的砖拱结构（A1结构）
砖拱结构采用砖砌，考虑到计算成本与案例实际，选取长度为9m的子段进行建模。采用ABAQUS自带的塑性损伤模型模拟砌体与砂浆的非线性本构关系[8][9]，按照《混凝土结构设计规范》计算材料的损伤因子[10]。砌体材料抗压强度标准值取25MPa，砂浆材料抗压强度标准值取5MPa，均采用三维实体单元模拟，减缩积分（C3D8R）。
如图 2所示，对于未进行加固的砖拱结构（记为A1结构），侧墙底面固接，首尾断面沿结构长度方向的平动自由度被约束。考虑覆土自重、结构恒荷载与活荷载的组合值取40.0kN/m2，沿竖直方向施加于拱顶表面；考虑地面货车荷载或消防车通过，附加荷载的最大值为30.0kN/m2，沿竖直方向施加于拱顶表面。
图 3给出了采用AFR技术加固的砖拱结构（记为A2结构）。辅助内框架每隔3m布设一道，共三道，如图 3（a）所示。每榀框架之间设置了连系梁，框架梁柱构件折角进行了加腋处理。内框架与拱顶之间使用强度为C40的灌浆灌实，如图 3（b）所示。
辅助内框架采用C40混凝土，受力钢筋牌号为HPB400。混凝土本构模型采用塑性损伤模型，按照规范[10]计算；钢筋本构模型采用理想弹塑性模型，屈服强度取规范定义的标准值[10]。辅助内框架采用实体单元建模（C3D8R），钢筋笼采用两节点桁架单元建模（T3D2），通过embeded constraint实现了钢筋笼与混凝土的变形协调约束。
分别在各框架柱底面中心位置建立参考点，使用coupling constraint将每个参考点与对应的框架柱底面耦合，仅释放各参考点绕结构长度方向的转动自由度，从而完成了辅助内框架底部铰接构造的有限元建模。A2结构的荷载形式与A1结构相同，其首尾断面沿结构长度方向的平动自由度被约束。
a.辅助内框架的形式b.辅助内框架的相对位置
图 3采用AFR技术加固的砖拱结构（A2结构）
图 4给出了采用CFRM技术加固的砖拱结构（记为A3结构），建模方法、荷载形式以及边界条件与A1相同。碳纤维材料采用脆性材料本构模型，弹性模量取300GPa，断裂应变取0.002，通过折减碳纤维材料弹性模量的方式考虑碳纤维布在工作状态下的滑移[5]。按照体积率相等的原则，将碳纤维网格布等效为间隔0.2m的碳纤维网格，使用T3D2单元建模，通过embeded constraint实现了碳纤维网格布与混凝土单元的变形协调。在碳纤维网格布外表面喷射了一层25mm厚、强度为C40的砂浆，砂浆本构采用塑性损伤模型，按实体单元建模（C3D8R）。
a.内置碳纤维网格布b.碳纤维网格布的位置
图 4采用CFRM技术加固的砖拱结构（A3结构）
2.2 平顶结构有限元分析模型
平顶结构为钢筋混凝土结构，选取长度为9m的子段进行建模分析。混凝土为C30，采用塑性损伤模型；受力钢筋为HPB400，采用理想弹塑性模型。混凝土采用三维实体单元建模（C3D8R），钢筋采用桁架单元建模（T3D2）。
未采用加固方案的平顶结构记为F1结构，如图 5（a）所示，内部配筋如图 5（b）所示。采用AFR技术加固的平顶结构记为F2结构，如图 5（c）所示。辅助内框架建模同A2结构，内框架与平顶结构之间定义了面面接触（surface to surface contact），允许接触面分离，动摩擦系数取0.3，框架柱底铰接。每榀框架之间设置了连系梁，框架梁柱构件折角进行了加腋处理。采用CFRM技术加固的平顶结构记为F3结构，如图 5（d）所示，碳纤维网格布的等效间距取0.1m，材料参数及建模方式同A3结构。
对于三种平顶结构（A1~A3结构），考虑覆土自重、结构恒荷载与活荷载的组合值取40.0kN/m2，沿竖直方向施加于平顶表面。
图 1 平顶结构示意图
2.3 分析方案
本文考虑了两种工况：1.附加荷载，如偶然行车荷载等，对于结构安全性能的影响；2.材料强度退化对于结构安全性能的影响。为了比较CFRM技术、AFR技术对于平顶结构和砖拱结构的加固效果，制定了表 1所示的分析方案。
表 1不同结构的分析方案
3.分析结果
3.1 平顶结构计算结果分析
分析比较平顶结构采用CFRM技术、AFR技术的加固效果。图 6给出了平顶结构在两种工况下跨中位移与荷载的关系曲线：1.考虑附加荷载的影响，采用生死单元技术，先施加结构自重、覆土荷载与恒/活荷载组合（40kN/m2），再施加30kN/m2的附加荷载；2.考虑材料退化，仅施加结构自重、覆土荷载与恒活荷载组合（总荷载水平40kN/m2）。需要注意的是，图 6的纵轴表征了平顶表面分布荷载的施加比例。图 7给出了F1~F3结构在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2）、不考虑材料强度退化的混凝土应力水平与钢筋应力水平。
（混凝土强度15MPa，钢筋强度160MPa）
图 2平顶结构荷载位移曲线
图 3平顶结构受附加荷载作用下的应力水平（材料强度未退化，荷载水平70kN/m2）
由以上计算结果可知：
1.CFRM技术、AFR技术均可显著提高平顶结构的承载力。在30kN/m2的附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），未经加固的F1结构竖向挠度变形过大，无法继续承受荷载，已经发生倒塌；经过加固的F2、F3结构竖向变形仍控制在5mm以内，且塑性发展程度较浅。采用辅助内框架加固的结构刚度高于采用碳纤维网格布加固的结构，F2结构在附加荷载作用下的竖向位移较F3结构减小22.8%。
2.采用CFRM技术、AFR技术可以增加结构刚度。结构在自重、覆土荷载与恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），相比于未经加固的结构，采用辅助内框架加固的结构刚度可提高39.7%，采用碳纤维网格布加固的结构刚度可以提高35.8%。
3.采用CFRM技术、AFR技术可以减小结构的应力水平。在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），此时未经加固的F1结构已发生倒塌，钢筋屈服，混凝土压碎，强度进入下降段，结构无法进一步承担荷载；而经过加固的F2、F3结构钢筋未屈服，混凝土未压碎，仍可继续承担荷载。相比于F1结构，采用辅助内框架加固的F2结构混凝土应力水平减小56.6%，钢筋应力水平减小79.9%；采用碳纤维网格布加固的F3结构混凝土应力水平减小34.9%，钢筋应力水平减小43.9%。
4.采用CFRM技术、AFR技术可以有效防止因材料强度退化导致的结构承载力下降。在结构自重、覆土荷载及恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），材料发生强度退化后的F1结构无法继续承担相应荷载，并发生倒塌；对于未发生材料退化的F1结构，在40kN/m2荷载作用下尚未倒塌。经过加固的F2、F3结构，即使材料强度发生退化，也仍然能够继续承担相应荷载，避免发生结构倒塌。
3.2 砖拱结构计算结果分析
分析比较了砖拱结构采用CFRM技术、AFR技术的加固效果。图 8给出了砖拱结构在两种工况下跨中位移与荷载的关系曲线：1.考虑附加荷载的影响，采用生死单元技术，先施加结构自重、覆土荷载与恒活荷载组合（40kN/m2），再施加30kN/m2的附加荷载；2.考虑材料退化，仅施加结构自重、覆土荷载与恒活荷载组合（总荷载水平40kN/m2）。需要注意的是，图 8的纵轴表征了平顶表面分布荷载的施加比例。图 9给出了A1~A3结构在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2）砌体材料的应力水平。
由以上计算结果可知：
1.CFRM技术、AFR技术均可显著提高砖拱结构的承载力。在30kN/m2的附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），未经加固的A1结构竖向挠度变形过大，无法继续承受荷载，已经发生倒塌；经过加固的A2、A3结构竖向变形仍控制在2mm以内，且塑性发展程度较浅。采用辅助内框架加固的结构刚度高于采用碳纤维网格布加固的结构，A2结构在附加荷载作用下的竖向位移较A3结构减小43.8%。
由以上计算结果可知：
1.CFRM技术、AFR技术均可显著提高平顶结构的承载力。在30kN/m2的附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），未经加固的F1结构竖向挠度变形过大，无法继续承受荷载，已经发生倒塌；经过加固的F2、F3结构竖向变形仍控制在5mm以内，且塑性发展程度较浅。采用辅助内框架加固的结构刚度高于采用碳纤维网格布加固的结构，F2结构在附加荷载作用下的竖向位移较F3结构减小22.8%。
2.采用CFRM技术、AFR技术可以增加结构刚度。结构在自重、覆土荷载与恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），相比于未经加固的结构，采用辅助内框架加固的结构刚度可提高39.7%，采用碳纤维网格布加固的结构刚度可以提高35.8%。
3.采用CFRM技术、AFR技术可以减小结构的应力水平。在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），此时未经加固的F1结构已发生倒塌，钢筋屈服，混凝土压碎，强度进入下降段，结构无法进一步承担荷载；而经过加固的F2、F3结构钢筋未屈服，混凝土未压碎，仍可继续承担荷载。相比于F1结构，采用辅助内框架加固的F2结构混凝土应力水平减小56.6%，钢筋应力水平减小79.9%；采用碳纤维网格布加固的F3结构混凝土应力水平减小34.9%，钢筋应力水平减小43.9%。
4.采用CFRM技术、AFR技术可以有效防止因材料强度退化导致的结构承载力下降。在结构自重、覆土荷载及恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），材料发生强度退化后的F1结构无法继续承担相应荷载，并发生倒塌；对于未发生材料退化的F1结构，在40kN/m2荷载作用下尚未倒塌。经过加固的F2、F3结构，即使材料强度发生退化，也仍然能够继续承担相应荷载，避免发生结构倒塌。
3.2 砖拱结构计算结果分析
分析比较了砖拱结构采用CFRM技术、AFR技术的加固效果。图 4给出了砖拱结构在两种工况下跨中位移与荷载的关系曲线：1.考虑附加荷载的影响，采用生死单元技术，先施加结构自重、覆土荷载与恒活荷载组合（40kN/m2），再施加30kN/m2的附加荷载；2.考虑材料退化，仅施加结构自重、覆土荷载与恒活荷载组合（总荷载水平40kN/m2）。需要注意的是，图 4的纵轴表征了平顶表面分布荷载的施加比例。图 5给出了A1~A3结构在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2）砌体材料的应力水平。
由以上计算结果可知：
1.CFRM技术、AFR技术均可显著提高砖拱结构的承载力。在30kN/m2的附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），未经加固的A1结构竖向挠度变形过大，无法继续承受荷载，已经发生倒塌；经过加固的A2、A3结构竖向变形仍控制在2mm以内，且塑性发展程度较浅。采用辅助内框架加固的结构刚度高于采用碳纤维网格布加固的结构，A2结构在附加荷载作用下的竖向位移较A3结构减小43.8%。
图 5砖拱结构受附加荷载作用下的应力水平（材料强度未退化，荷载水平70kN/m2）
2.采用CFRM技术、AFR技术可以增加结构刚度。结构在自重、覆土荷载与恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），相比于未经加固的结构，采用辅助内框架加固的结构刚度可提高67.0%，采用碳纤维网格布加固的结构刚度可以提高36.1%。
3.采用CFRM技术、AFR技术可以减小结构的应力水平。在附加荷载作用下（总荷载水平70kN/m2），此时未经加固的A1结构已发生倒塌，结构无法进一步承担荷载；而经过加固的A2、A3结构砌体材料未压碎，仍可继续承担荷载。相比于A1结构，采用辅助内框架加固的A2结构材料应力水平减小43.4%；采用碳纤维网格布加固的A3结构材料应力水平减小25.0%。
4.采用CFRM技术、AFR技术可以有效防止因材料强度退化导致的结构承载力下降。在结构自重、覆土荷载及恒活荷载组合作用下（总荷载水平40kN/m2），材料发生强度退化后的A1结构无法继续承担相应荷载，并发生倒塌；对于未发生材料退化的A1结构，在40kN/m2荷载作用下尚未倒塌。经过加固的A2、A3结构，即使材料强度发生退化，也仍然能够继续承担相应荷载，避免发生结构倒塌。
5.结论
本文基于两类报废民防工程的常见结构形式：钢筋混凝土平顶结构与砖拱砌体结构，采用通用有限元分析软件ABAQUS建立了有限元分析模型，研究了内嵌辅助框架技术与碳纤维网格布喷射高强砂浆技术的加固效果，并且考虑附加荷载与材料强度退化等因素对于结构安全性的影响。结论如下：
1.采用辅助内框架加固技术能够减小材料的应力水平。对于平顶结构，附加荷载作用下混凝土应力水平下降了56.6%，钢筋应力水平下降了79.9%；对于砖拱结构，附加荷载作用下砌体材料的应力水平下降了43.4%。
2.采用碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术能够减小材料的应力水平。对于平顶结构，附加荷载作用下混凝土应力水平下降了34.9%，钢筋应力水平下降了43.9%；对于砖拱结构，附加荷载作用下砌体材料的应力水平下降了25.0%。此外，碳纤维网格布施工方便、效果显著，可适用于复杂造型的民防工程加固，且加固后有综合再利用的便利性。
3.辅助内框架加固技术与碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术能够有效提高报废民防工程的刚度与极限承载力，抵御因偶然荷载或材料强度退化而导致的整体结构倒塌。
4.民防工程受周围环境影响，容易发生材料强度退化，从而导致结构刚度、承载力下降，进一步可能诱发结构整体倒塌。采用辅助内框架加固技术和碳纤维网格布喷射高强砂浆加固技术，能够有效阻止结构因材料退化导致的整体倒塌，提高了整体结构的安全储备程度。
参考文献
[1]段尔焕，李淑兰，赵光浩.工程安全鉴定与加固技术[M].人民交通出版社，北京 2004.
[2]张瀑.多层混凝土结构的抗震加固方法与实例[M].中国建筑工业出版社，北京 2012.
[3]黄诚，栾福杰，夏晓兵等.综合加固技术在房屋改造工程中的应用[J].施工技术，2011，40（6）.
[4]杨威，王力波，霍文营等.某多层框架房屋加固改造设计[J].建筑结构，2008（7）：52-53.
[5]赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津大学出版社，天津，2001.
[6]范夕森，赵考重，王琴.改变传力途径的加固法在工程中的应用[J].山东建筑工程学院学报，2002，17（2）：96-98.
[7]吕西林.建筑结构抗震设计理论与实例[M].同济大学出版社，上海，2011.
[8]殷园园，郑妮娜.基于ABAQUS的砌体结构有限元模拟方法[C].全国现代结构工程学术研讨会.2011.
[9]石亦平等.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，北京，2006.
[10]中华人民共和国住房与城乡建设部.混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2002.
论文作者:李宏1,沈军治2,张瑞3,王小安4
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/11
标签：荷载论文; 结构论文; 民防论文; 技术论文; 碳纤维论文; 水平论文; 应力论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;