應用案例 2026-06-12 9 分鐘閱讀

碳纖維抗震加固

CFRP包覆使混凝土柱具備延性——約束核心混凝土、夾持搭接鋼筋、增加抗剪能力——同時不增加會提高地震需求的質量。其作用機制,以ACI 440.2R為依據。

重點速覽

抗震加固的關鍵是延性,而不只是強度:CFRP包覆能將脆性破壞轉變為延性行為,讓柱體得以消散地震能量,而非瞬間碎裂。
約束是核心手段:環向包覆能提高約束後強度,更重要的是將極限應變從約0.003延伸至最高0.01(ACI 440.2R第12章)。
幾乎不增加地震質量:碳纖維密度約為1.5–1.6 g/cm³,相較鋼材的7.9,而慣性力與質量成正比——這一點不同於鋼套或截面加大法。

碳纖維對混凝土結構進行抗震加固的方式,是讓構件具備延性——透過包覆柱體約束混凝土、夾持薄弱的搭接鋼筋、增加抗剪能力——同時完全不增加會提高地震力本身的質量。本文說明其作用機制與相關數據,依據為ACI 440.2R。基礎概念請參閱什麼是CFRP加固。

為什麼抗震加固的關鍵是延性,而不只是強度?

地震不僅僅是施加更大的推力——它會使結構在非彈性範圍內反覆往返擺動,而發生脆性破壞(抗剪、搭接滑移、壓潰)的構件會在毫無預警的情況下倒塌。ACI 440.2R第13章在ASCE/SEI 41評估框架下,遵循能力設計原則:將脆性破壞機制轉化為延性破壞機制,使結構能夠吸收並消散能量。這正是CFRP包覆的目標通常在於提升變形能力,而不僅僅是提高強度的原因。

CFRP包覆如何約束柱體?

環向包覆能約束混凝土在軸向荷載下向外(帕松效應)膨脹,使核心混凝土處於三軸受壓狀態。這不僅提高了約束後強度f′cc(ACI 440.2R式12.1),更重要的是提升了極限應變——約束應變上限為εccu ≤ 0.01,是未約束混凝土假定值0.003的三倍以上。纖維在此模式下僅發揮約其斷裂應變的55%(應變效率係數κε ≈ 0.55,依251組試驗數據校準),而且包覆層必須達到最低約束比fℓ/f′c ≥ 0.08,才能真正消除脆性下降段。約束強度折減係數為ψf = 0.95。此處採用的是纖維布——而非剛性板材——因為纖維布能貼合曲面。

約束的關鍵在於延性,而不只是強度。環向包覆能讓混凝土達到更高峰值強度(f′cc),但更重要的是將其極限應變從約0.003延伸至最高0.01——提升三倍以上——使塑性鉸得以轉動並消散地震能量,而非瞬間壓潰。

方形柱的約束效果和圓形柱一樣好嗎?

不一樣。圓形截面的效率最高(形狀係數κa = κb = 1.0),因為整個核心區都受到約束。矩形截面則只有位於圓角之間拋物線弧內的混凝土受到約束,因此其效果會因幾何形狀而打折扣:κa = (Ae/Ac)(b/h)²。抗震包覆所受的限制比靜態約束更為嚴格——長寬比h/b ≤ 1.5,截面最大尺寸為900 mm——而且每個直角都必須以至少20 mm的半徑倒圓角,以降低應力集中。超出這些限制時,截面必須重新塑形,或以FRP錨栓補強。

形狀決定效率。圓形包覆能約束整個核心區(形狀係數κa = 1.0)。矩形截面則只有圓角之間拋物線弧內的混凝土受到約束,因此抗震規範將其長寬比上限訂為h/b ≤ 1.5,並要求倒圓角。

在抗震加固中,碳纖維還能解決哪些問題?

約束是重點,但另外三種機制同樣重要。環向套筒能夾持不足的搭接鋼筋(ACI 440.2R第13.3.3節),施加側向壓力以防止鋼筋滑脫——一個ACI算例顯示,457 mm的柱體約需2 mm厚的套筒。最低FRP用量比也能約束塑性鉸內的縱向鋼筋屈曲(第13.3.4節)。對於應力反覆區的抗剪,則需要完整的環向包覆,有效應變上限為0.004,以維持骨料咬合作用。而在梁柱節點處,FRP須沿雙向施作,並以試驗證明其錨固效果,因為未錨固的節點補強被視為無效。以上所有應用共用的浸漬樹脂為FSE322,搭配FSC碳纖維布;層數估算方法請參閱柱體約束用碳纖維層數計算。

為什麼碳纖維不會增加地震質量?

因為地震力屬於慣性力:F = m·a,所以任何增加質量的做法都會提高地震需求。碳纖維密度為1.5–1.6 g/cm³,相較鋼材的7.9 g/cm³(ACI 440.2R表4.2.1),而套筒厚度僅數毫米,因此增加的重量可忽略不計。鋼套或截面加大法會同時增加剛度與質量——提高結構本身必須抵抗的地震力——這正是CFRP在加固應用中的決定性優勢。

CFRP無法做到的事。它能消除局部脆性破壞機制,但無法修正建築物整體剛度或強度不規則的問題——這是系統層級的問題。使用時必須維持在樹脂的使用溫度上限以下(Tg − 15 °C;Tg通常為60–82 °C),並需要防火保護。此外,ACI 440.2R仍要求即使FRP失效,未加固結構本身也必須能承受1.1×恆載 + 0.75×活載。這屬於ASCE/SEI 41與ACI 440.2R規範下的執業工程師工作,並非可自行操作的規格。

常見問題

包覆CFRP會增加柱體的地震重量嗎?

不會。碳纖維密度為1.5–1.6 g/cm³,相較鋼材約7.9 g/cm³(ACI 440.2R表4.2.1),且包覆層厚度僅數毫米。由於地震慣性力與質量成正比,相較於鋼套或加大柱體截面,碳纖維套筒增加的重量可忽略不計。

為什麼約束在地震中很重要,而不只是在靜載下?

環向包覆能約束混凝土在受壓時的側向膨脹,提高峰值強度f′cc及極限應變εccu(ACI 440.2R式12.1)。其中應變的提升最為關鍵——它讓塑性鉸能夠在反覆荷載循環中轉動並消散能量,而非瞬間壓潰。

方形柱的約束效果和圓形柱一樣好嗎?

不一樣。圓形截面能獲得完整的形狀效率(κa = κb = 1.0)。矩形截面則只有圓角之間拋物線弧內的區域受到約束,因此約束效果較弱——這也是為什麼抗震包覆會將非圓形截面的長寬比上限訂為h/b ≤ 1.5,並要求圓角半徑R ≥ 20 mm。

FRP包覆如何解決過短或不足的搭接鋼筋問題?

環向套筒能夾持搭接區域,施加側向壓力以抵抗鋼筋在循環荷載下滑脫(ACI 440.2R第13.3.3節)。所需套筒厚度依式13.3.3a計算,搭接鋼筋應力上限則依式13.3.3b訂定,並以Harries等人(2006年)的試驗數據校準。

CFRP在抗震加固中無法解決哪些問題?

它無法修正剛度或強度分布上的結構不規則性,也無法在未經防護的情況下耐火——環氧樹脂必須維持在Tg − 15 °C以下(Tg通常為60–82 °C)。它是一種局部延性補強手段,仍需符合規範要求的工程設計。

CFRP約束能取代結構原有的強度嗎?

不能。ACI 440.2R的設計理念要求,即使FRP失效,未加固的結構本身仍必須能抵抗最低荷載——1.1×恆載 + 0.75×活載。FRP僅承擔額外增加的地震需求,絕不能取代原有的傳力路徑。

延伸閱讀:CFRP加固的耐久性說明樹脂如何老化,這也決定了外露抗震包覆的適用範圍。

FidStrong在ISO 9001、14001、45001品質系統下,生產用於抗震包覆的FSC碳纖維布及FSE浸漬環氧樹脂。本文設計數值取自ACI 440.2R;抗震加固屬於ASCE/SEI 41及適用規範下的執業工程師工作——所有數值請以專案設計為準進行確認。