中国是一个历史悠久的文明古国，有着七千多年的建筑发展史，全国各地至今仍保留着大量的历史遗迹。古塔作为中国文化的一部分，在我国建筑的发展史上占有极其重要的地位，它不仅具有宝贵的文物价值，也具有极高的科研价值。然而，大部分存在古塔由于内在的薄弱环节和多年的风雨侵蚀，抗震能力较差，难以抵抗强风或地震的袭击。另外，由于古塔保护费用巨大，致使大部分古塔常年失修，结构可靠性降低，甚至丧失殆尽，如何有效地保护古塔，显得尤为紧迫和重要。

    “盛世修古建”，随着我国经济实力的不断加强，古塔修复加固也进入高峰期。目前常用的加固方法如加大截面法及外包钢加固法，由于施工工艺复杂和对原结构刚度影响较大等缺点，无法满足古塔加固的要求。而对碳纤维加固方法以其轻质、高强、抗腐蚀、耐疲劳及其温度稳定性倍受土木工程界关注，成为结构加固修复领域的研究热点。本文利用碳纤维材料的优良性能，对某古塔进行了加固修复研究，分析表明，应用碳纤维加固技术可以明显提高塔类结构的承载力，并能够满足此类结构的抗震要求。

1工程简介

    某古塔建于唐朝贞观元年（公元627年），距今已有一千三百年，是典型的阿拉伯风格的建筑，全国仅有，文物价值极高。

古塔主体结构由主塔和小塔组成，总高度为34.246m，其中主塔高23.634m，小塔高10.612m。主塔由外筒和内筒组成，外筒直径8.53m，内筒直径6.05m。

在主塔设有2座均为逆时针盘上的螺旋楼梯，楼梯入口位于塔德南、北方向，相对盘旋而上，各自直通塔顶。

目前古塔主要存在以下几个问题：

1）  主塔和小塔均有不同程度的倾斜且方向各异。塔身墙体局部外凸，主塔顶部平台倾斜，核心部分和外围部分下沉不均匀。

2）  主塔外墙有明显裂缝，包括竖向裂缝、水平裂缝及窗角处的通缝，塔身外表面剥落且塔尖破坏严重，说明古塔存在局部承载力不足问题。

3）  主塔和小塔变形不一致，加上小塔受“鞭梢效应”影响，更加重了小塔在飓风和地震作用下倒塌的危险。

2古塔抗震性能分析

2.1计算模型的建立

    古塔塔身材料主要为砖砌体，局部有混凝土材料，墙体及混凝土结构均有一定的厚度。主塔外筒与内筒之间还有2座螺旋向上的楼梯，构造较为复杂。为了便于建模、且计算模型又能较为准确地反映原型结构的动力特征，塔身、楼板以及平台均采用实体单元，利用有限元计算程序进行分析。

2.2结构动力反应计算结果

    根据上述模型，通过有限元计算程序可得，模型结构的第一自振周期为0.715s，实测周期为0.8s，两者基本一致，可认为计算模型能够真实反映实际结构的情况。

    计算表明，小震作用下，在小塔和主塔的连接部位及主塔底部局部区域有应力集中现象，局部应力超出了砌体的极限抗压承载能力；结构整体抗拉能力不能满足要求，小塔与主塔的连接处是结构的薄弱部位；小塔顶部及主塔顶部的侧移均超出结构位移限值。

    大震作用下，小塔顶部及主塔顶部的侧移也都超出结构位移限值，有剪切破坏，弯曲破坏和倾覆的危险。

    该古塔所用材料主要为砖砌体，由于砖砌体材料一般抗拉能力较弱，且塔身明显发生倾斜，故结构的破坏部位主要集中在主塔底部和小塔与主塔连接处。

    综上所述，该古塔在地震作用下，进一步损坏甚至倒塌的可能性很大，必须进行加固处理。

3加固方案的比较和选择

    根据实际工程情况，一般可供选择的加固方法有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力法等几种传统补强加固方法以及碳纤维加固法。传统方法加固结构会增加结构体积和自重，且工序繁多，工期长、使用机械多。需要的施工场地和施工空间较大。而碳纤维加固法由于碳纤维材料具有强度高，材质轻柔、易粘贴，施工便捷，无需大型机械设备及其固定措施，加固完成后结构自重增加几乎可以忽略不计，且抗疲劳度高，耐久性及耐腐蚀性好，可以在短时间内完成加固工作。通过比较，选择碳纤维加固法对古塔建筑进行加固。

4碳纤维加固方案

4.1加固方案

4.1.1设计方法

1）受弯加固

    根据平面假定，碳纤维的应变略大于钢筋的应变，可近似取两者相等，这种简化偏于安全。

2）受剪加固

    应用碳纤维片材对古建筑进行抗剪加固时，其加固效果及作用类似于在结构中增加的箍筋部分。

4.1.2碳纤维片材料布置方案

    由于该古塔分主塔和小塔两部分，加固时需对他们分别考虑，首先用环氧砂浆对古塔的表面部分进行灌缝处理，然后在主塔塔身由主塔底部向上每隔1m(中心问距)粘贴1条300mm宽的环向碳纤维片材，一直粘贴到12m处。接下来由主塔12m处往上每隔1.5m（中心间距）粘贴1条300mm，宽的环向碳纤维片材，一直粘贴到主塔顶部。另外，在主塔塔身上，从塔身底部一直到其顶部竖直粘贴300mm宽的碳纤维片材，按环向均匀相隔，共8条纵向碳纤维片材。

小塔的碳纤维布置方式基本与主塔类似，在小塔底部至小塔2m高处，每隔1m（中心间距）粘贴1条250mm宽的环向碳纤维片材，由小塔2m处往上每隔2m（中心间距）粘贴1条2500mm宽的环向碳纤维片材，一直粘贴到小塔底部。同样，在小塔塔身上，从塔身底部一直到其顶部竖直粘贴2500mm宽的碳纤维片材，按环向均匀相隔，共8条纵向碳纤维片材，其布置位置与主塔纵向相同。

4.2施工步骤及技术要点

1）古塔表面处理（清除劣化层、灌缝、清理），采用环氧砂浆充分注入裂缝，进行裂缝封闭处理）

2）预先计算好需要粘贴碳纤维片材的位置，在相应位置刷宽300mm、厚10mm的M15砂浆一层。

3）待砂浆达到强度后，用找平材料不平整处找平处理。

4）涂刷底层树脂，需用滚筒刷将底层树脂均匀地涂于古塔表面。待涂料表面指触干燥后方可进行下一工序施工。

5）涂刷浸渍树脂。

6）粘贴碳纤维片材（多层粘贴时重复步骤4）5））。这里需注意的是，涂刷浸渍胶后，应在规定时间内，将已载好的碳纤维片材迅速粘贴到位，同时应用特制的滚筒沿碳纤维片材受力方向多次滚压挤出气泡，以保证碳纤维片材与砂浆紧密结合。

7）粘贴完成后，在最后一层碳纤维片材表面均匀涂浸树脂，同时撒上一层细砂，待古塔表面干燥后，抹上水泥砂浆保护层进行保护。

8）若有特别防护，应采取相应的防护措施。

4.3加固后验算

    加固后进行了有限元程序分析计算，与加固前相比，这种加固方法使得加固后的古塔结构承载力提高了20％左右，同时刚度变化不大，说明碳纤维加固方法对结构刚度影响不大，比其他加固方式更适合于古建筑抗震性能的改善。

另外。碳纤维加固方法还能够减小古塔结构的顶部位移反应、加速反应以及结构的底部剪力和倾覆力矩，对于古塔结构防止其他地震作用下倾斜，倒塌有较为明显的效果。

5结论

    碳纤维加固技术由于避免了其他加固方法增大结构尺寸、增加自重、施工周期等缺点，在达到相同加固效果的情况下，它操作方便，工期较短，节约投资，同时还能够最大限度地保证原有古塔的外部建筑风貌。特别符合古建筑“修旧如旧”的加固思路，在古建加固领域具有较好的应用前景。

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