CFRP布修復震損高強混凝土柱抗震性能試驗研究*

王蘇巖，曹懷超，劉 毅

(大連理工大學建設工程學部，遼寧大連 116024)

據統計，我國除個別省份外，絕大部分地區都發生過較強的破壞性地震，遵照現行規范設計的建筑物在遭遇多遇烈度地震時應控制在可修復范圍內，對于修復在地震中震損結構的研究就顯得十分有必要［1－2］。利用FRP(纖維增強復合材料)修復震損結構具有高強高效、耐腐蝕性、耐久性、不增加原構件自重和尺寸以及施工方便等優點［2－3］。根據國外關于FRP修復震損柱構件相關文獻［4－9］，發現經過FRP修復后的柱構件的抗震性能得到了較好的改善，可以將FRP加固技術應用于實際工程中修復受損的柱構件;而在國內，這方面的研究并不多，周長東［10］對GFRP(玻璃纖維)布加固不同損傷程度的混凝土柱試件的抗震性能和抗剪性能進行了研究，結果表明預損傷的破壞程度越嚴重，加固后柱的延性越差，但對試件抗剪承載力影響不大;而厲茂財［11］發現碳纖維(CFRP)布加固震損混凝土短柱不僅提高了承載力還可以避免脆性破壞。由于震損破壞后試件的承載能力和延性性能都會大幅度下降，而以往的研究主要集中于修復柱構件的變形能力。為了研發出一種能夠同時提高承載力和延性的CFRP布修復方法，本文采用了2種不同的CFRP布方式修復震損破壞的高強混凝土方柱，并與未震損柱及未震損直接加固柱進行對比研究。

1 試驗

1.1 試件設計

本試驗采用混凝土強度設計等級為C60的高強商品混凝土，共澆注4個完全相同的倒T型懸臂受力柱試件，具體尺寸及詳細配筋見圖1。箍筋為直徑6.5 mm的Ⅰ級熱軋光面鋼筋，實測屈服強度和彈性模量分別為413.9 MPa和1.96×105MPa，縱筋為直徑16 mm的Ⅱ級熱軋螺紋鋼筋，屈服強度和彈性模量分別為 364.4 MPa和 1.84×105MPa，混凝土和CFRP布的實測力學性能見表1和表2。

圖1 試件尺寸及配筋圖Fig.1 Dimension and reinforcement of specimens

表1 混凝土性能指標Table 1 Parameters of concrete

表2 碳纖維布性能性能指標Table 2 Parameters of CFRP Sheet

1.2 試件加固及處理

每個試件的加固處理方法如下:柱C－1作為對比試件直接加載;柱C－2在加載之前用3層橫向纏繞CFRP布(簡稱為橫向CFRP布)進行加固;柱C－3和柱C－4首先進行預裂至破壞，然后，柱C－3利用柱C－2的加固方式進行修復，柱C－4采用3層橫向結合2層L型豎向CFRP布(簡稱為“L型CFRP布”)進行修復。具體加固方式如圖2所示。

試件在加固之前要對混凝土表面進行打磨，直至露出骨料，并做倒角處理，倒角半徑為20 mm。粘貼橫向CFRP布時的搭接長度為150 mm。在試件的修復過程中，要去除所有松散破碎的混凝土，處理干凈后用環氧砂漿進行修補，保證試件表面平整，待環氧砂漿固化后再黏貼CFRP布。對于預裂過程中所產生的裂縫，可利用注射器將環氧樹脂注射入裂縫內，從而可將開裂兩側的混凝土連接成整體。

圖2 試件加固方案Fig.2 The strengthening scheme of specimens

1.3 試驗加載制度及測量

試驗加載裝置如圖3所示。試驗采用低周反復荷載的加載方式，豎向荷載保持恒定(720 kN，軸壓比為0.417)，水平荷載采用力和位移混合控制模式，即開始時采用力控制，分兩級加載(50 kN和75 kN)，每級加載1次，屈服后采用位移控制，按著屈服位移的整數倍進行加載，每級加載循環3次。在進行試件預裂時豎向荷載保持不變，直接加載至水平承載力下降至極限荷載的85%時，認為試件已經破壞，然后，將試件推回原來的位置，預裂過程結束。

在試驗過程中分別量測試件的豎向荷載、水平荷載、水平側移、鋼筋應變以及CFRP布應變。采用荷載傳感器量測水平荷載和豎向荷載，電阻應變片量測鋼筋應變和纖維布應變，位移計量測試件的水平側移。所有數據由IMC采集到計算機，以便進行后續數據處理。

圖3 試驗加載裝置圖Fig.3 Test setup

2 現象與結果

2.1 試件現象及破壞形態

對比試件C－1最終發生彎曲破壞，當水平荷載第一次達到75 kN時，在距離根部15 cm處出現第一條橫向水平裂縫，試件開裂，隨著荷載的不斷增大，裂縫的數量增多，裂縫的長度和寬度逐漸增加。當試件水平側移達到5 mm時，發現荷載增加很小時，水平側移變化很大，觀察鋼筋應變曲線發現鋼筋已經接近屈服，判斷試件此時已經屈服。當在2倍屈服位移加載過程中，水平荷載達到最大值，并出現下降段，試件角部混凝土保護層出現脫落，并且越來越嚴重，此加載位移循環全部完成后，發現混凝土脫落高度達到15 cm，承載力下降至85%以下，試驗結束。

試件C－2由于進行了CFRP布的加固，試驗前期沒有明顯現象，當加載至1倍屈服位移時CFRP發現試件根部出現裂縫，4倍的屈服位移時CFRP開始發出“噼啪”的響聲;5倍屈服位移時水平荷載下降嚴重，停止試驗。試件C－3首先要進行預裂，預裂結束觀察發現混凝土脫落嚴重，縱筋已經屈服，試件最大裂縫寬度超過了1 mm，此時，試件已經破壞。此外，預裂過程中發現該試件一側的承載力遠低于另外一側的承載力，這可能是施工造成的。經過修復后重新加載，在1倍屈服位移時發現CFRP布出現1條水平裂縫，在3倍屈服位移時CFRP開始發出不間斷的劇烈響聲，加載至6倍屈服位移時試驗結束。試件C－4預裂程度與柱C－3的相同，修補后的試件前期無明顯現象，當試驗進行至4倍屈服位移時發現底部CFRP布產生凸起，試驗結束時凸起部分的CFRP布部分已經斷裂，同時發現L型CFRP布在根部拉斷。

試驗結束后去除試件外面包裹的CFRP布以及松散的混凝土，清理干凈后試件的破壞形態如圖4所示。

圖4 試件破壞形態圖Fig.4 Failure modes

2.2 試驗結果

試驗計算結果見表3，試件的滯回曲線以及骨架曲線見圖5和圖6。表3中μΔ和μE的計算方法如下:

其中:Δy和Δu分別為屈服位移和極限位移;Δy按能量法計算［12］;Δu為荷載下降至值85% 時對應的水平位移。

Ey和Eu分別為屈服能量和極限能量，由骨架曲線中屈服位移和極限位移所圍成的對應面積求得。

表3 試驗結果Table 3 Test results

圖5 荷載－位移滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

3 試驗結果分析

3.1 延性分析

從圖5和圖6可以看出:經過CFRP布直接加固的未預裂柱C－2的變形能力較對比柱有了很大提高;震損修復后的2個柱試件的變形能力已經遠遠了柱C－1的變形能力，甚至接近于柱C－2的變形能力。在表3中定義了2個定量衡量延性性能的參數μΔ和μE，計算結果表明:柱C－2的延性系數接近于對比試件的2倍;而利用橫向結合L型CFRP布加固的震損柱C－4的延性系數要高于僅利用橫向CFRP布加固的震損柱C－3的延性系數，且兩者均低于未經震損僅采用橫向CFRP布加固柱C－2的延性系數。以上結果表明橫向CFRP布以及橫向結合L型CFRP布這兩種加固方式均可用于修復已經震損破壞的柱構件的延性性能，修復后的柱構件的延性性能要好于原構件，且利用橫向CFRP布結合L型CFRP布的加固方式的修復效果較好。作者認為L型加固方式增強延性的機理是當試件達到極限荷載后該方式可以保證其在水平承載力不降低或者降低較緩慢的情況下水平側移繼續增加，直至L型CFRP布在試件根部被拉斷，從而增強試件的變形能力，改善試件的延性性能。

圖6 骨架曲線Fig.6 Envelop curves of specimens

3.2 能量耗散分析

觀察發現震損修復后試件的荷載－位移滯回曲線比未破壞直接加固試件的更加飽滿，捏縮程度更小，試件C－3的滯回曲線已經基本沒有了捏縮現象。圖7所示為試件的能量耗散曲線，其中縱坐標能量耗散為加、卸載滯回環所圍成的累積面積。從圖7可以看出:所有試件在試驗前期的能量耗散十分接近，隨著位移的增加，能量耗散也不斷的增加，但是，試件C－3和C－4的增長幅度要高于試件C－2的增長幅度，試件C－3的能量耗散最大，這與從試件滯回曲線中所觀察到的現象一致。這種似乎與延性分析的結果相矛盾，分析認為試件裂縫的展開和閉合是滯回曲線出現捏縮現象的主要原因，震損破壞后的試件裂縫發展已經非常充分，這些裂縫在修補過程中通過灌入環氧樹脂膠體已經將兩側的混凝土連接成整體，而且膠體能夠滲入裂縫周圍的毛細縫隙中以形成較寬的加固帶，經過修補后的試件在重新加載過程中產生裂縫較少，而之前未震損試件中裂縫展開和閉合過程是通過拉伸和壓縮膠體來完成的，所以震損修復后的試件的滯回曲線更加飽滿，能量耗散更大。試件C－3的耗能高于試件C－4的耗能是由于施工造成試件C－3一側較弱(從骨架曲線中可以看出)，預裂時較弱一側裂縫開展較多，修補時需要灌入的膠體較多，在重新加載過程中產生的新裂縫較試件C－4少，因此，試件C－3的滯回曲線更為飽滿，能量耗散更高。

目前，發電企業、電網公司和用戶是中國電力市場中三大市場主體。為便于分析，這里所指的電力行業的市場結構由發電企業(發電商)、電網公司(購電商)和用戶組成，模型見圖1。

圖7 能量耗散Fig.7 Energy dissipation

3.3 承載力分析

表3中列出了4個試件的水平極限荷載，對比結果發現利用橫向CFRP布直接加固試件并不能顯著提高試件的承載力;震損修復后試件的承載力仍然比對比試件低，但是利用橫向結合L型CFRP布修復后的試件承載力(116.16 kN)高于僅利用橫向CFRP布修復試件的承載力(105.27 kN)，且已經接近對比試件的承載力(120.16kN)，以上結果說明:L型CFRP布加固方式可以用于修復工程中提高受損柱構件的承載力，而當利用橫向結合L型CFRP布加固方式修復震損破壞的構件時，該方式是一種同時增強延性和強度的修復方法。

本文定義了荷載退化系數λi［13］來對比各試件加載過程中承載力整體退化情況:

其中:λi為第i級加載循環時的荷載退化系數;Pi為第i級加載循環對應的峰值點荷載，采用位移控制模式時，取3次循環的平均值;Pmax為試件水平極限荷載，見表3。

圖8所示為4個試件的荷載退化曲線。從圖8可以看出:在加載初始階段除試件C－3以外，其他試件荷載退化曲線基本重合，而到試驗后期時，對比試件荷載退化較快，試件C－2與試件C－3荷載退化大致相同，試件C－4的試件的荷載退化曲線比較平緩，即經過L型CFRP布修復的試件在試驗后期可以分擔一部分水平荷載以維持試件整體承載力緩慢降低，直至被拉斷，從而增加試件的變形能力，這說明L型CFRP布加固方式提高延性的機理。試件C－3在試驗前期的荷載退化曲線中水平側移較大，因為該試件一側較弱，預裂后在弱側存在殘余變形，從而導致試驗前期的水平側移較大。

圖8 荷載退化曲線Fig.8 Load degradation curves

3.4 剛度退化分析

為了反映出試件的整體剛度退化情況，引入割線剛度 Ki［14］:

各試件的割線剛度退化曲線見圖9。對比試件的剛度退化速率較快，試件C－2的初始剛度并沒有因為橫向CFRP布而增加，基本與試件C－1的相同;經過震損修復后的試件C－3和C－4初始剛度較對比試件有所降低，而試件C－3的初始剛度下降幅度較大;除對比試件外，其余試件后期剛度退化基本相似。由此可以說明橫向CFRP布加固方式不改變原構件的初始剛度，L型CFRP布加固方式可以提高震損破壞柱構件的初始剛度，使震損后剛度降低的構件的剛度得到恢復。

圖9 剛度退化曲線Fig.9 Stiffness degradation curves

3.5 CFRP布應變分析

圖10所示分別繪出了3個試件測點1和測點2的CFRP布應變－位移滯回曲線，測點1和測點2的布置位置如圖2所示，且均位于試件的中軸線上。從圖10可以發現:當試件達到相同的水平側移時試件C－3和C－4的CFRP布應變比試件C－2的大，且發展速度更快，試件C－3的CFRP布應變比試件C－2的還要大。這主要是由于震損后的試件內部形成損傷，即使經過修復但內部損傷仍然存在，重新加載時與原試件相比在較小的水平側移下混凝土就開始膨脹，膨脹速度更快、幅度更大，因此，為試件提供約束的CFRP布參與工作時機較早，應變發展更充分。而試件C－3由于一側破壞程度嚴重，所以，其混凝土需要的約束更大，CFRP布應變發展較試件C－3的更大。從以上分析可以看出:當CFRP布應用于修復震損構件時其利用率要高于將CFRP布用于直接加固原構件的利用率。

4 結論

圖10 CFRP布應變滯回曲線Fig.10 CFRPsheets strain hysteresis curves

(1)震損破壞后的試件經過橫向CFRP布和橫向結合L型CFRP布2種方式修復后變形能力均得到提高，延性性能已經遠遠比對比試件的好，但是，比性能未震損直接利用橫向CFRP布加固的試件的延性低。

(2)當利用橫向結合L型CFRP布方式修復震損的柱構件時，該方式屬于一種同時增強延性和強度的修復方式。

(3)橫向CFRP布加固方式無論加固柱構件還是修復柱構件，均不能改變構件的剛度，而橫向結合L型CFRP布加固方式修復柱構件時可以提高震損破壞柱構件的剛度，但修復后構件仍然略低于震損前構件的剛度。

(4)當CFRP布用于震損破壞構件修復工程時其利用效率要高于其用于加固未破壞構件的加固工程中的利用效率。

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