碳纖維布加固方鋼管混凝土柱抗震性能試驗研究

楊炳，盧夢瀟 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

彭威 （海航實業集團有限公司，海南 海口570100）

查昕峰，付晨曦 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

近年來，鋼管混凝土結構因其獨特的結構形式和良好的抗震性能在抗震設防區的高層和超高層建筑中有著廣泛應用。作為結構主要抗側力構件，柱的抗震性能的好壞直接決定著整體結構的抗震性能，地震來臨時，柱的坍塌則會引起整體結構的坍塌。而相關現行規范，如《建筑抗震鑒定標準》（GB50023－2009）、《混凝土結構加固技術規范》（CECS25：90）、《鋼結構加固技術規范》（CECS77：96）及《建筑抗震加固技術規程》（JGJ116－2009）均未涉及到鋼管混凝土抗震加固問題。因此，研究鋼管混凝土結構的抗震加固問題對于提高此類結構抗震能力顯得尤為迫切和重要［1～3］。

碳纖維布（CFRP）具有輕質高強、耐腐蝕、施工便捷和不增加構件尺寸等優點，逐步受到工程人員的重視，并在土木工程界得到廣泛運用。碳纖維布在加固鋼筋混凝土結構具有良好的加固效果［4～8］，國內學者曹靖［9］、鄭云［10］、許成祥［1］等進行了碳纖維布加固鋼結構理論分析和試驗研究。但碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的研究尚無人進行，也沒有檢索到相關文獻及報道。為此，筆者擬進行碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗研究，考察軸壓比對碳纖維布加固效果的影響。通過對比加固柱的極限承載力、極限位移和耗能能力，檢驗基于碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的可行性，以期為方鋼管混凝土柱抗震加固設計提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試驗設計及制作

試驗是在長江大學結構實驗室完成的。基于現行設計規范，一共設計并制作了3根方鋼管混凝土柱，其中1根作為對比柱，不加固直接進行破壞加載試驗。其余2根均經碳纖維布加固后再進行加載試驗，試件編號為C－0、C－1、C－2。試件示意如圖1所示，設計試驗軸壓比為0.4，對應柱頂軸壓力為500kN，柱的有效高度為1120mm。

1.2 試件材料性能

柱截面選用200mm×200mm×4mm的冷彎薄壁方鋼管，管內填充C40商品混凝土，實測混凝土平均抗壓強度為39.2N／mm2，柱截面含鋼率ρa＝8.5%。鋼材力學性能實測值見表1。采用CJ200－Ⅱ碳纖維布，其計算厚度為0.111mm，抗拉強度為3209.4MPa，彈性模量為2.5×105MPa，伸長率為1.5。結構膠選用環氧樹脂，加固示意見圖2。廠家提供結構膠的抗拉強度為50MPa，抗壓強度為81.3MPa，抗剪強度為16.4MPa。

圖1 試件構造示意

表1 鋼材力學性能實測值

表2 試件柱加固參數

1.3 碳纖維布加固

各試件加固參數見表2，加固設計參照《碳纖維布片材加固修復混凝土結構技術規程》（CECS146：2003）及《碳纖維加固規程》，在柱加勁肋板頂端處向上560mm的范圍內環箍3層碳纖維布，碳纖維布加固如圖2所示。

1.4 加載裝置、加載制度及量測內容

圖2 柱碳纖維布加固示意

圖3 試驗加載示意

試驗通過液壓伺服作動器提供水平低周反復荷載來模擬地震作用，軸力通過油壓千斤頂和反力梁提供，加載示意如圖3所示。規定加載端那側為試件的后側，其相對一側即為前側，加載端的左右兩側分別為試件的左右側。

圖4 加載制度

根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ101－96）的有關規定，該試驗采用位移控制的方法。加載點距柱底加勁肋板1120mm，加載程序如下：軸力通過液壓千斤頂一次性施加并保持恒定直至試驗結束，往復水平力是通過施加位移來控制實現。加載初期，側移率×100%）為0.25%、0.5%、0.75%時，各循環加載1次；直到側移率為1%，按照側移率為1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%實施3次循環加載，直到試件水平承載力下降至極限承載力的85%時才終止加載。其中，Δ為水平位移，L為試件凈高度。加載制度如圖4所示。

試驗量測主要內容如下：用位移計量測每級水平循環加載中柱頂部的水平位移，位移計布置與加載點齊平，荷載－位移滯回曲線及應變經液壓伺服系統和電腦采集，應變片布置如圖5所示。

圖5 鋼管表面應變片布置

2 試驗現象及破壞形態

所有試件的加載程序及儀器布置都相同，為方便描述，規定作動器向前推為負，向后拉為正。

2.1 試件C－0

試件C－0的軸壓比為0.4，不加固直接進行破壞加載試驗。位移±16.8mm的第1個循環加載過程中，位移－13mm時，測點22、23應變均超過屈服應變；位移－15mm時，試件根部前側出現微小鼓曲，距加勁肋板50mm；同級位移反向加載時，鼓曲被拉平且后側出現微小鼓曲；位移±22.4mm的循環加載過程中，前后側鼓曲的程度和范圍進一步加大，卸載后鼓曲不可恢復；位移±33.6mm的第2個循環加載過程中，位移＋33mm時，鼓曲范圍漸向環向發展，試件根部左右側腹板出現微小鼓曲現象；位移±44.8mm的循環加載過程中，試件根部鼓曲區域迅速膨脹變大，前后側鋼管漆皮紛紛起皺脫落，伴隨著混凝土碎裂的聲音；位移±56mm的第1個循環加載過程中，柱根部出現嚴重鼓曲變形，承載能力下降，試件破壞。

2.2 試件C－1

試件C－1的軸壓比為0.4，經碳纖維布加固后進行破壞加載試驗。位移±16.8mm的循環加載過程中，碳纖維布表面無明顯變化，偶爾會發出膠體的脆裂聲；位移±22.4mm的第1個循環加載過程中，位移－14mm時，測點24應變超過屈服應變；第2個循環加載過程中，位移＋18mm時，試件后側產生微小的鼓曲。位移－20mm時，試件前側也產生微小鼓曲且后側的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的第2個循環加載過程中，柱前后側與左右側轉角處的碳纖維布均出現不同程度裂縫，試件前后側鼓曲進一步加大，膠體的脆裂聲持續且變得更加密集；位移±44.8mm的第1個循環加載過程中，試件的左右側碳纖維也開始出現起鼓現象，轉角處碳纖維布裂縫進一步向兩側延伸；位移±55.6mm的第2個循環加載過程中，試件前后側碳纖維布產生層狀撕裂，轉角處碳纖維布進一步被拉斷；位移±66.8mm的第1個循環加載過程中，因位移角過大，軸力不能穩定，終止試驗。

2.3 試件C－2

試件C－2的軸壓比為0.6，經碳纖維布加固后進行破壞加載試驗。位移±16.8mm的循環加載過程中，碳纖維布無明顯變化，不時會發出膠體的脆裂聲；位移±22.4mm的第1個循環加載過程中，位移－16mm時，測點24應變超過屈服應變；第2個循環加載過程中，位移＋20mm時，試件后側產生微小的鼓曲。位移－20mm時，試件前側也產生微小鼓曲且后側的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的前2個循環加載過程中試件前后側鼓曲逐漸加大，且卸載后不能恢復；位移±33.6mm的第3個循環加載過程中，試件柱鋼管轉角處的碳纖維布出現斷裂現象；位移±44.8mm的第2個循環加載過程中，試件左右側也發生鼓曲現象；位移±55.6mm的循環加載過程中，試件柱根部碳纖維布產生不同程度破壞，表現在柱的四側的層狀破壞和轉角處的撕裂破壞；位移±66.8mm的第一個循環加載過程中，因水平荷載下降至極限荷載85%以下，試件宣告破壞，終止試驗。

對比試件C－0和碳纖維布加固試件C－1、C－2的破壞形態，主要表現為壓彎破壞（見圖6）。從破壞特征及破壞區域來看，最終破壞位置位于柱根部，構件具有較好的變形能力和較大的延性。塑性鉸沒有轉移，是最為理想的破壞模式。試驗結束后，很難剝離包裹的碳纖維布，說明結構膠工作性能較好，碳纖維布能較好的發揮約束作用。

圖6 試件破壞形態

3 滯回曲線

圖7為各試件柱頂荷載－位移滯回曲線。各試件具有一些共同的滯回特點：試件在屈服之前剛度基本保持不變，加卸載剛度基本相同。試件屈服之后，隨著加載位移的逐漸增加，加載曲線的斜率逐漸減小。同級位移情況下，第3次加載荷載要低于第1次加載荷載，說明在往復荷載作用下結構出現了損傷和一定程度的強度、剛度退化。越到加載后期，滯回曲線變得越加飽滿，表明塑性鉸的轉動能力逐漸加強。

圖7 試件滯回曲線

對比可知，加固試件C－1、C－2的滯回曲線要比試件C－0飽滿，說明碳纖維布加固效果明顯。其他參數相同時，軸壓比較大的試件C－2具有比試件C－1更高的極限荷載，但是在達到極限荷載后，其承載力和剛度衰減要快于試件C－1，且破壞過程具有突然性，且破壞時達到的破壞位移下降，表現出延性性能要差于試件C－1。

4 骨架曲線

將各試件滯回曲線上每級循環的峰值點連接起來就可以得到骨架曲線。試件的荷載－位移骨架曲線見圖8。

從圖8中可以看出：

1）從試件屈服到達極限荷載之前，試件C－2骨架曲線的斜率要大于試件C－1的，說明在其他條件均相同時，高軸壓比時碳纖維布加固柱的剛度要高于軸壓比低的加固柱；

2）碳纖維布加固能不同程度提高試件極限承載力，軸壓比較大試件經碳纖維布加固后其極限承載力提高程度更大；

3）試件C－0到達極限荷載后，荷載下降較快。而試件C－1、C－2骨架曲線出現較大的水平段，且下降段更平緩，說明碳纖維布加固方鋼管混凝土柱能明顯改善試件的延性性能。

5 位移延性系數及耗能能力

位移的延性系數μ采用公式μ＝Δu／Δy計算，式中Δu為破壞位移，即荷載下降至0.85Pmax時所對應的位移；Δy為屈服時所對應的位移。試件承載力、位移和延性系數見表3。

圖8 試件骨架曲線

表3 試件承載力、位移和位移延性系數

由表3可知，碳纖維布加固方鋼管混凝土柱可以一定程度提高其極限承載力，極限位移也有一定程度提高，故可以明顯改善試件的延性。筆者認為碳纖維布提高方鋼管混凝土柱延性的機理是碳纖維可以充分發揮受拉作用，限制了柱根部塑性鉸的發展速度，從而大大改善了試件的延性。比較試件C－0、C－2發現，軸壓比對碳纖維布加固效果有一定程度影響，軸壓比越大，碳纖維布加固柱的極限承載力提高程度可達18.66%，同時其延性提高率會下降。這主要是由于較大的軸壓力使得方鋼管混凝土柱的主壓應力增大，降低了鋼管內核心混凝土后期變形能力，較大的軸壓力還導致了P－Δ效應增大，從而導致試件在達到極限荷載后承載力和剛度退化速度加快，這也和試驗現象相吻合。

試件在加載過程中形成的滯回環越飽滿，其包圍的面積也就越大，則表示其耗能能力較好。筆者選用滯回曲線包絡線所包圍的面積來代表試件的耗能值作為比較。

實測各試件耗能值如表4。由表4可知，試件C－1、C－2較試件C－0的耗能值分別提高42.2%、31.9%，軸壓比對碳纖維布加固柱的耗能能力有著明顯的影響，軸壓比越大，加固柱的耗能能力提升率反而下降。

表4 實測各試件耗能值

6 剛度退化

根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ－1996）規定：剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來描述，割線剛度又稱等效剛度。Ki按照同一級加載第一次循環的峰值荷載進行計算。筆者采用剛度退化率λ來描述剛度退化，計算公式為：

式中，Ki為第i次加載循環的剛度；K0為初始剛度［11］。

根據實測試驗數據計算得到的剛度退化率曲線（見圖9）。由圖9可知，試件C－1、C－2剛度退化與試件C－0相比要更加平緩，說明碳纖維布加固可以延緩柱的剛度衰減，使柱在加載后期仍有一定的抵抗變形能力。

7 結論

通過對3根柱的低周反復荷載破壞試驗，研究了碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的有效性，考察了軸壓比對加固效果的影響，研究其試驗相關參數并進行計算分析，可以得到如下結論：

1）碳纖維布加固對試件承載力影響不大，但能明顯提高試件的延性性能和變形能力，延性的最大提高率為26.95%。

2）軸壓比對碳纖維布的加固效果有重要的影響，軸壓比越大，加固試件極限承載力提高程度越高，延性及耗能提高率有所下降。

3）與對比試件相比，碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的滯回曲線和骨架曲線形狀更加飽滿，從剛度退化程度來看，經加固的試件剛度退化能夠得到延緩，說明碳纖維布加固方鋼管混凝土柱是一種有效的加固方式。

圖9 剛度退化曲線

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