反復荷載作用下復合加固損傷混凝土柱性能的試驗研究

王新玲， 李 靜， 牛學嬌

(1.鄭州大學 土木工程學院 河南 鄭州 450001; 2.河南工程學院 土木工程系 河南 鄭州450003)

0 引言

采用碳纖維增強復合材料(CFRP)布或鋼板加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究已趨成熟，也得到了較廣泛的應用.單一材料加固混凝土結(jié)構(gòu)存在其局限性，用碳纖維材料橫向圍裹約束混凝土柱時承載力提高程度較小，但可以顯著約束混凝土柱的橫向變形及提高其延性[1-2]，用外包角鋼加固混凝土柱可以顯著地提高其承載力，但對柱橫向變形的約束能力卻較低[3]，且鋼板加固混凝土框架結(jié)構(gòu)，通常需要沿柱高和梁跨度進行全部加固，造價高且工期較長.因此，近年來，CFRP布和鋼板(角鋼)復合加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)逐漸得以應用.國內(nèi)外學者已對鋼板和CFRP布復合加固混凝土柱及節(jié)點的方法進行研究[4-7]，其中，CFRP布橫向纏繞加固混凝土柱及節(jié)點，鋼板僅需要在柱端及節(jié)點進行加固，試驗結(jié)果表明，CFRP布約束應力限制了混凝土的橫向變形，端部角鋼提高了柱的承載力，即使柱的承載力和延性大幅度提高，對復合加固柱的破壞也更具有可預測性.目前的研究主要針對未發(fā)生明顯損傷的混凝土柱，而針對損傷鋼筋混凝土框架柱，采用CFRP布和角鋼復合加固的研究尚未見報道.作者對CFRP布和角鋼復合加固損傷鋼筋混凝土柱進行了反復荷載作用下的試驗及加固柱性能的研究.

1 試驗概況

1.1 試件概況

損傷的鋼筋混凝土柱試件為文獻[8]中的截面及配筋相同的2榀鋼筋混凝土框架，在水平低周反復荷載作用下試驗至最大承載力，卸載后，將2榀框架梁從柱頂切掉，成為3根柱底嚴重損傷的鋼筋混凝土懸臂柱.采用以下加固方法：首先對柱沿高度方向進行CFRP布箍加固(3個構(gòu)件相同，CFRP布寬度為100 mm)，為了使已形成塑性鉸的柱底重新成為固定端，在柱底采用反貼角鋼進行加固，并用螺栓連接和結(jié)構(gòu)膠黏結(jié).角鋼采用3 mm厚鋼板焊接而成，為防止鋼板過早屈曲，在角鋼的直角處加腋，如圖1和表1所示，其中，L1和L2均為加固角鋼的長度，柱子的截面尺寸為170 mm×120 mm，混凝土強度為C30，柱頂纏繞的CFRP布是為防止加荷點混凝土局部壓碎.加固用鋼板、CFRP布及結(jié)構(gòu)膠的力學性能[9]見表2.

表1各試件加固角鋼尺寸表

Tab.1The sizes of the strengthened angle steel mm

JZD-XL1L2tJZD-A2002003JZD-B2003003JZD-C2564003

注：JZD-X中的“X”為柱子的編號.

表2鋼板、CFRP布及結(jié)構(gòu)膠的力學性能

Tab.2Mechanical properties of steel, CFRP sheet and structural adhesive MPa

項目屈服強度極限強度抗壓強度抗剪強度鋼板320400CFRP布3200結(jié)構(gòu)膠70.319.4

1.2 試驗裝置及方案設計

1.2.1模擬地震作用試驗加載裝置 采用如圖2所示的液壓伺服加載裝置，試件通過臥梁用地槽螺栓固定在臺座上.水平荷載由水平伺服作動器，通過水平反力墻提供作用于試件，水平伺服作動器通過在柱端設置的拉桿和壓梁與柱相連接.其中，壓梁通過半球鉸與柱端連接，從而形成鉸接點.豎向荷載通過液壓千斤頂施加11.85 kN的力，并保持不變.

圖1 JZD-X加固圖Fig.1 The figure of reinforced JZD-X

圖2 試驗加載圖Fig.2 The figure of loading equipment

1.2.2試驗加載制度 采用力-位移混合控制加載方法[10]，將柱底加固的鋼板上最大應變達到屈服或CFRP布最大拉應變達到極限拉應變對應的荷載為屈服荷載.屈服前，每級水平荷載下反復2次；屈服后，以Δy的倍數(shù)為加載等級，每一級荷載下反復3次，直至試件破壞或水平荷載大幅度下降至最大荷載的85%以下，停止試驗.其試驗現(xiàn)象及分析見文獻[9].

2 復合加固損傷混凝土柱的性能分析

2.1 加固柱延性分析

表3列出了加固柱的屈服位移、極限位移和延性系數(shù)，其中JZD-C的延性系數(shù)最大，3根柱隨著角鋼肢長的增加，極限位移和延性系數(shù)逐步增大.

表3 加固柱的位移及延性系數(shù)Tab.3 Displacement and ductility of strengthened columns

2.2 加固柱剛度衰減分析

在水平低周反復荷載試驗中，當保持相同的峰值荷載時，峰值位移往往隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，這種現(xiàn)象稱為剛度退化.它反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)動力性能的重要特點之一.

試驗構(gòu)件的剛度退化可以取同一級變形下的環(huán)線剛度來計算，公式如下：

(1)

將各柱在不同延性系數(shù)下的環(huán)向剛度與延性系數(shù)為1時的環(huán)向剛度相比，即n=Kj/K1(j=1,2,3)，其曲線如圖3所示，可以看出，各試件隨著荷載和位移的增大，環(huán)向剛度逐漸降低，而且剛度退化均勻，未出現(xiàn)剛度突然下降的現(xiàn)象，而是發(fā)生較大的位移，可給人們明顯的警示.

圖3 加固柱剛度變化曲線Fig.3 The stiffness change curve of strengthened columns

2.3 加固柱承載力退化性能分析

承載力退化是指在循環(huán)往復荷載作用下，當保持峰值位移恒定不變時，經(jīng)常出現(xiàn)峰值荷載隨循環(huán)次數(shù)增加而降低的現(xiàn)象.它反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要組成部分.

承載力退化可以用承載力降低系數(shù)計算，公式如下：

(2)

依式(2)計算各柱在不同延性系數(shù)下的承載力降低系數(shù)，并將各延性系數(shù)下的承載力降低系數(shù)關(guān)系曲線繪于圖4.由圖可見,復合加固的試件在反復荷載下幾乎沒有承載力下降的現(xiàn)象,說明復合加固的試件抵抗反復荷載的能力較強.

圖4 加固柱承載力降低系數(shù)曲線Fig.4 The capacity reduction curve of strengthened columns

3 加固材料的性能分析

3.1 CFRP布箍的滯回曲線分析

圖5為加固柱JZD-A的CFRP布箍的滯回曲線，可以看出，無論是推拉荷載，CFRP布箍均處于受拉狀態(tài).說明在豎向荷載和水平荷載的作用下，混凝土發(fā)生橫向膨脹，CFRP布箍限制了混凝土的橫向膨脹，增大了其變形能力，提高了柱的抗震性能.其中，圖5(a)為緊貼角鋼頂部CFRP布箍的滯回曲線，該處彎矩相對較大，所以其微應變最大，達到800 με；圖5(b)為柱最上端的CFRP布箍的滯回曲線，對應彎矩最小，其應變最小，僅達到250 με；圖5(c)為圖5(a)和圖5(b)之間的CFRP布箍的滯回曲線，其應變介于最大和最小之間，為350 με.但圖5(a)中CFRP布箍最大應變值較圖5(b)中最大應變值的增加量550 με，遠遠大于圖5(c)和圖5(b)之間的差值100 με，說明在角鋼頂端試件剛度突變，故此截面出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使CFRP布箍應變大幅度增加.

圖5 JZD-A的CFRP布箍的滯回曲線Fig.5 The hysteresis curve of CFRP for JZD-A

3.2 加固柱鋼板的滯回曲線分析

(1)豎向鋼板的滯回曲線

圖6為JZD-B豎向鋼板的滯回曲線，其中，圖6(a)、(b)分別為兩側(cè)鋼板底部對應的測點，可以看出，底部測點的滯回曲線應變很大，均超過鋼板的屈服應變1 600 με，同時滯回環(huán)面積也較大，表明此處鋼板承擔的應力較大，可充分發(fā)揮其強度.而圖6(c)、(d)分別為兩側(cè)鋼板上部對應的測點，同樣可以看出，上部測點應變較小，均小于600 με，滯回曲線面積也較小，說明此處鋼板均未達到屈服，未充分發(fā)揮其強度.綜合分析說明，角鋼加固鋼筋混凝土框架柱時，距離柱端部越來越遠的位置的豎向鋼板發(fā)揮的作用大幅度減小，所以沿柱高均加固鋼板的方法，柱中間大部分鋼板不能充分發(fā)揮作用，會造成一定的浪費.

圖6 JZD-B豎向鋼板的滯回曲線Fig.6 The hysteresis curve of vertical steel for JZD-B

(2)水平鋼板的滯回曲線

圖7為JZD-C水平鋼板的滯回曲線，其中圖7(a)、(c)為左側(cè)鋼板的滯回曲線，圖7(a)為兩錨栓之間的測點，鋼板應變較小，僅達到250 με，即受力較小；圖7(c)為錨栓一側(cè)測點且比圖7(a)測點靠近豎向鋼板，滯回曲線位于二、四象限，壓應變明顯大于拉應變，滯回曲線較飽滿，鋼板應變大大超過了受壓屈服應變-1 600 με，出現(xiàn)壓曲情況，和試驗現(xiàn)象一致[9].圖7(b)、(d)為右側(cè)鋼板的滯回曲線，圖7(b)、(d)均為錨栓兩側(cè)的測點，其滯回曲線位于一、三象限，壓應變大于拉應變，在接近極限荷載時，滯回曲線偏向荷載軸，最大壓應變接近屈服，滯回曲線較飽滿.由此說明，柱底水平鋼板在柱達到極限承載力時，均為壓曲破壞，這和試驗現(xiàn)象(水平鋼板屈曲)一致[9].

圖7 JZD-C水平鋼板的滯回曲線Fig.7 The hysteresis curve of horizontal steel for JZD-C

4 結(jié)論

1)加固角鋼肢長越長，復合加固柱延性系數(shù)越大；復合加固柱在水平反復荷載作用下剛度衰減均勻；同級荷載下，承載力降低很小.

2)加固CFRP布箍起到了約束混凝土柱橫向膨脹的作用，且彎矩越大，發(fā)揮作用越大，但均未達到極限拉應變.

3)加固豎向鋼板的底部滯回曲線最飽滿、應變最大，均達到鋼板屈服應變，距離柱底部位置越遠，鋼板應變越小，說明鋼板沿柱高全截面加固柱并不經(jīng)濟.

4)加固水平鋼板的壓應變大于拉應變而達到鋼板的屈服應變，表明水平鋼板均發(fā)生壓曲破壞，和試驗結(jié)果一致.

5)即使已經(jīng)嚴重損傷的混凝土柱通過CFRP布和角鋼復合加固，亦可具有較好的抗震能力.

參考文獻：

[1] Saadatmanesh H,Ehsani M R,Li M W.Strength and ductility of concrete columns externally reinforced with fiber composite straps[J]. Structural Journal,1994,91(4):434-447.

[2] Pantelides C P,Gergely J,Reaveley L D,et al.Retrofit of RC bridge pier with CFRP advanced composites[J].Journal of Structural Engineering,1999,125(10):1094-1099.

[3] 劉勻,張林緒,姜維山,等.外包鋼新材料灌漿加固鋼筋混凝土柱的研究與實踐[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版,1997,29(4):68-71.

[4] Sheikh S A,Yau G. Seismic behavior of concrete columns confined with steel and fiber-reinforced polymers[J]. Structural Journal, 2002,99(1):72-80.

[5] 陳少雄.CFRP布和角鋼復合加固鋼筋混凝土柱抗震性能研究[D].武漢：武漢大學，2004.

[6] 盧亦焱，史健勇，趙國藩.碳纖維布和角鋼復合加固軸心受壓混凝土柱的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2003，24(5):18-23.

[7] 王步,夏春紅,王溥，等.碳纖維布-角鋼組合加固混凝土框架節(jié)點抗震性能試驗研究[J].施工技術(shù)，2006,35(4):74-78.

[8] 呂林．CFRP加固震后嚴重損傷混凝土框架的抗震試驗研究[D]．鄭州：鄭州大學，2009.

[9] 王新玲，牛學嬌，黃小許. CFRP和角鋼共同加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震試驗分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(S2):376-379.

[10] 中國建筑科學研究院.JGJ101—96建筑抗震試驗方法規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.