碳纖維布加固柱在地震力作用下抗扭性能的試驗研究

白 禹，金英玉 ，張 敏，王四江

(1.東北電力設計院，長春 130021;2.吉林大學 建設工程學院，長春 130026)

粘貼碳纖維布加固技術是一種較新的加固技術，在混凝土結構的加固中，碳纖維布主要是分擔鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結構構件的抗拉強度。碳纖維加固易于施工，降低了人工費用，且具有良好的耐腐蝕性能，節約了維護費用。目前，由于碳纖維加固以其出色的加固效果在國內外得到了越來越廣泛的應用。目前國內外用碳纖維布加固鋼筋混凝土柱主要研究抗彎、抗剪性能，對抗扭方面的研究甚少，但是工程實際問題中如結構外形不規則、質量分布不均的樓層四角上的柱子，在地震力的作用下主要受扭而破壞。所以，本文通過試驗著重研究了碳纖維加固鋼混柱抗扭性能及承載力。

1 試驗模型簡介

模型柱采用正方形截面，截面尺寸為250 mm×250 mm，模型柱為懸臂式短柱，高h分別為900 mm和400 mm，其剪跨比分別為4.89和2.67?？v筋配筋率1.14%，體積配箍率0.23%，在柱子頂端設計了剛臂梁以便對柱子施加扭矩，為了使剛臂梁達到足夠的剛度，保證加載過程中不破壞，設計的剛臂梁的截面慣性矩 I懸為柱截面慣性矩 I柱的5倍，即 I懸=5I柱，具體工況(見表1)，模型尺寸及配筋見圖1、圖2。

2 碳纖維布粘貼方案和試驗結果

研究不同軸壓和粘貼不同層數碳纖維布對框架柱抗震性能的影響，得出不同軸壓比和不同粘貼層數的加固效果(見表2)，為工程應用提供一定的借鑒。試驗結果見表3～表6。

表1 模型柱工況

圖1 構件高h=400 mm的懸臂柱尺寸和配筋(單位:mm)

表2 碳纖維布粘貼方案一覽

圖2 構件懸臂柱高h=900 mm的尺寸和配筋(單位:mm)

表3 400 mm高試件主要參數

表4 400 mm高試件受扭承載力

表5 900 mm高試件主要參數

表6 900 mm高試件主要受扭承載力

3 應變分析

制作構件時分別在構件柱的縱筋、箍筋和碳纖維布的相應位置粘貼應變片，以此來監測鋼筋、碳纖維布的實際應變和受力情況。

3.1 縱筋應變發展

在模型柱縱筋上粘貼應變片，對不同荷載下縱筋應變進行測量，圖3為各柱側向力與縱筋應變的對應關系。

圖3 各柱上下部縱筋應變曲線

圖4 各柱上下部箍筋應變曲線

由圖3可以看出，構件縱筋在水平加載前由于先進行軸向加載，每個構件都有一定的初始應變;以上6個構件上部縱筋隨著扭矩的增大發生明顯應變，由此證明，縱筋在抗扭方面起著很大的作用;構件下部縱筋在極限荷載范圍內應變較均勻，當碳纖維布與混凝土發生剝離、斷裂時，構件混凝土被剪碎，鋼筋和混凝土之間產生滑移，部分混凝土退出工作，荷載進一步傳遞到縱向鋼筋上，使縱筋的應變大幅增加并且產生了不可恢復的變形;下部縱筋的內力由彎矩和扭矩相加而得，可以看出，下部縱筋應變增長迅速，構件下部縱筋應變都有很大變化。

3.2 箍筋應變發展

在模型柱箍筋上粘貼應變片，對不同荷載下箍筋應變進行測量，圖4為各柱側向力與箍筋應變的對應關系。

由圖4可以看出，構件1上部箍筋較下部箍筋有更大的變形，變化幅度較平緩，這是因為構件1上部扭轉大而下部扭轉微小的原因，構件1下部開始階段應變十分微小，在后期稍有增大的趨勢，但因構件上部過早屈服導致應變不能進一步發展;構件2和構件3由于柱子中部剪斷，上下箍筋應變發展較小;構件4上下箍筋應變都有較大發展，且應變量很接近，這說明碳纖維布與混凝土剝離，斜裂縫開展，構件上下變形一致;構件5由于節點處過早的破壞，上部連接處混凝土與箍筋過早的剝離，箍筋應變沒有太大發展，底部箍筋由于上部剛臂梁的破壞而失去受力點，故應變也沒有太大的發展;構件6由于上部節點處進行了碳纖維布加固，上部節點變為剛性，箍筋應變十分微小，在柱的下部雖然在連接點處柱子有明顯的扭轉，外層碳纖維布也有開裂現象，但由于包裹層數多，碳纖維布對內部混凝土有著巨大的約束作用，箍筋應變較大但沒有急劇發展。

3.3 碳纖維應變發展

在模型柱碳纖維布上粘貼應變片，對不同荷載下碳纖維應變進行測量，圖5為各柱側向力與碳纖維應變的對應關系。

圖5 各柱碳纖維應變曲線

由各柱碳纖維應變曲線發現加固后的構件，在碳纖維布與混凝土之間發生剝離以前，碳纖維布在構件的抗扭和約束構件方面起著巨大的作用，構件開裂后碳纖維應變迅速增大。構件1和構件5上部節點的過早破壞使下部碳纖維的應變不能充分的發展。構件2、構件3、構件4、構件6破壞面在柱子本身上，構件碎裂混凝土退出工作，碳纖維布對構件抵抗外荷載及約束混凝土起主要作用，因此碳纖維應變有很大發展。

4 結論

1)通過對400 mm高、不同軸壓比下相同碳纖維加固層數的試驗研究，得出軸壓比越大加固柱抗扭性能越好，柱頂與剛臂梁節點加固越牢，剪扭破壞面越接近柱底，且滯回環越飽滿，耗能能力越強，延性也越好。

2)通過對900 mm高、相同軸壓比下不同碳纖維加固層數的試驗研究得出，在軸壓比相同的情況下，包3層碳纖維布比包1層柱的剛度要大，柱的節點部位也需要多層加固;試驗還得出，柱的上下節點有相同的加固形式和加固量，那么受扭破壞一定發生在柱底部的復雜受力區，對柱進行受扭加固時一定要對柱根部進行著重加固。

3)通過對兩組不同長度的鋼筋混凝土短柱的抗扭性能研究，得出柱子長度越短，加固后極限承載力越高，柱子長度越長，極限承載力越小，但極限扭轉角增大，加固后延性增加。

4)通過對柱中鋼筋應變進行研究，得出在柱頂部區域，位于柱內四角上的縱筋在抗扭方面起著很大作用，較短的一組加固柱上下部縱筋與箍筋應變相反，當縱筋應變較小時箍筋應變較大，縱筋應變較大時箍筋應變較小;較長一組柱上下鋼筋應變變化較一致;這種現象表明，柱子長度越長，鋼筋與混凝土之間協同工作性能越好;通過對碳纖維布應變的監測，可以看出，當破壞面接近碳纖維布應變片粘貼處時，碳纖維布應變片的應變有較大的發展，這表明，碳纖維布在構件抗扭方面起了很大作用。

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