HDPF加固鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究

孫傳智+喬燕+王振波+左工

摘要：為了研究高延性聚酯纖維加固鋼筋混凝土柱的抗震性能，共進行了7根柱的低周反復試驗，其中，3根在未加固狀態下進行試驗，4根柱粘貼高延性聚酯纖維加固后進行試驗，針對位移延性系數、等效粘滯阻尼系數、總耗能、承載力和纖維帶的應變進行了研究與分析。研究結果表明：未加固柱的承載力、耗能能力和延性都比較低，采用高延性聚酯纖維加固后的試件裂縫發展緩慢，加固后柱的承載能力、耗能能力、延性均有不同程度地提高；在塑性鉸區域內增加局部配筋，能夠提高纖維布的約束效果。

關鍵詞：聚酯纖維；鋼筋混凝土柱；加固；抗震性能

中圖分類號：TU375.1文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）03008309

Abstract：Seven RC columns were tested under cyclic lateral load and constant axial load to study the seismic behavior of reinforced concrete column strengthened with high ductility polyester fiber. Three unreinforced columns were tested， and four other columns were tested after strengthened with high ductility polyester fiber sheets. The bearing capacity of three unreinforced columns was low. And the energy dissipation capacity and ductility were also relatively low. The cracks of reinforced specimen appeared relatively late and the cracks developed slowly. The strength， ductility and energy dissipating capacity of the retrofitted columns were improved at different degrees. And the ductility increase was more obvious. The efficiency of the use of fiber cloth can be improved through adopting the measures of improving the reinforcement ratio the plastic hinge region and adopting the measures of improving the length of longitudinal reinforcement， and the seismic behavior of RC column strengthened with high ductility polyester fiber increased.

Keywords：polyester fiber； reinforced concrete column； strengthen； seismic behavior

中國《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）在強度設計的同時還引入了延性設計概念。延性差的結構，后期變形能力差，從而導致結構發生脆性破壞。因此，在抗震加固設計中，應該保證結構具有較大變形能力，在地震作用下吸收較多能量，而不發生倒塌破壞。目前，在結構抗震加固領域，常見的纖維增強復合材料（包括碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維）由于重量輕、抗拉強度高、耐久性好和易于施工等優點，得到了廣泛應用[15]。但是，一個值得注意的問題是：FRP材料，特別是碳纖維，直到破壞都基本表現為線彈性，延伸率較小，從而導致約束混凝土產生脆性破壞[1]。

高延性聚酯纖維加固是一種利用聚氨基甲酸酯膠粘貼高延性聚酯增強材料（High Ductility Polyester Fiber，簡稱HDPF）的加固技術[6] 。學者Kabeyasawa等[79] 、Kim等[10]、Kono等[11]利用該技術進行了加固混凝土剪力墻和框架了研究。目前，中國學者對該技術研究較少 [1214]，喬燕等[15]、左工等[16]進行了高延性聚酯纖維加固鋼筋混凝土柱的軸心受壓和偏心受壓試驗，主要針對加固形式、加固間距、長細比和混凝土強度等因素對鋼筋混凝土柱力學性能的影響，并進行了公式推導。

本文進行了高延性聚酯纖維加固鋼筋混凝土方柱的構件設計和低周反復試驗，分析了高延性聚酯纖維對鋼筋混凝土方柱滯回曲線、延性、耗能、剛度和承載力的影響。

1試驗概況

1.1試件設計

試件截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm，柱長為1 000 mm，采用C30混凝土，共3組7根，對稱配筋，剪跨比均為3.575。ZⅠ組縱筋選用4根直徑為14 mm的HRB400螺紋鋼，配筋率為1.54%。ZⅡ組在柱邊中間增加4根直徑為14 mm的HRB400螺紋鋼，長度為15 cm，其余部分同ZⅠ組。ZⅢ組配筋率同ZⅡ組，柱邊中間鋼筋長度取為30 cm。箍筋選用HPB300圓鋼，直徑為8 mm，間距為50 mm，配箍率為1%。采用橫向包裹形式進行加固。試件尺寸及加固形式如圖1所示，試件參數如表1所示。通過試驗測得原材料的材料性能，HPB300鋼筋彈性模量為210 GPa，屈服強度為336 MPa，極限強度為440 MPa；HRB400鋼筋彈性模量為200 GPa，屈服強度為465 MPa，極限強度為597 MPa；聚酯纖維帶彈性模量為6.25 GPa，斷裂強度為600 MPa。

1.2試驗加載及數據采集

為了研究地震作用下的HDPF加固柱抗震性能，試驗采用低周反復試驗。試驗在宿遷學院建筑工程系結構實驗室進行。水平荷載采用MTS電液伺服加載系統進行加載；軸壓比均為0.2，豎向荷載采用JSKFⅣ/31.55型高精度、高穩定計算機全數字伺服液壓控制臺提供，千斤頂可提供最大豎向力為1 000 kN，動態精度為2%，靜態精度為0.5%，千斤頂的頭部連接處為球鉸連接系統。同時為了保證所施加的軸向力能始終豎向作用于柱頭處，在液壓千斤頂與橫梁之間添加滑動小車。使得柱頭發生水平位移時，豎向千斤頂能始終與水平方向垂直。加載示意圖如圖2所示。

為了研究柱進行加固后纖維帶的應力發展情況，在ZⅠ組加固柱的受力正面與受力側面距柱底25、125、225 mm處纖維帶表面粘貼了應變片，如圖3所示，在ZⅡ、ZⅢ組加固柱的受力正面與受力側面距柱底275、375、475 mm處纖維帶表面粘貼應變片。為了研究縱向鋼筋應力發展情況，在距各柱腳根部5、15和25 cm處的縱向鋼筋上粘貼應變片。

加載制度根據《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101—96）的規定。首先按照設定的軸壓比施加恒定的軸向力，一次將豎向荷載施加到位并保持 30 min。水平加載時，在鋼筋未屈服時，控制荷載每級10 kN，鋼筋達到屈服位移Δ后，由位移控制加載，當水平荷載最大值降至峰值荷載的85%時，認為試件已經發生破壞，停止加載。

試驗荷載位移值由MTS系統數據采集系統采集；位移量測采用LWH0100位移傳感器，量程為±100 mm，分辨率高于0.01 mm；應變值采用DH3816N靜態應變測試分析系統進行采集。

2試驗現象與試驗結果分析

2.1破壞形態

ZⅠ1柱為未加固試件。當水平荷載加載至44.17 kN時，鋼筋屈服，柱腳側面主裂縫較大，同時正面出現3條細微裂縫，鋼筋屈服，改為位移加載。位移加載42 mm時，柱腳壓碎明顯，同時正面裂縫向上發展至離柱底面28 cm，此時已達到極限荷載，但為了深入研究柱抗震性能，模擬柱在地震中的受力情況，繼續進行試驗。位移加載49 mm時，柱腳處不再有新的裂縫開展，混凝土開始出現松動、脫落的情況，柱受力正面混凝土開裂明顯，露出鋼筋，在位移加載60 mm后半個周期混凝土開始大量脫落，荷載突然減小，位移急劇增大，MTS的位移限控裝置啟動，試驗自動停止，柱的破壞形式為彎剪破壞，破壞形態如圖4所示。

ZⅠ2柱為一層HDPF條帶加固試件。荷載控制24.8 kN時，在下部纖維帶上發現膠的折痕，如圖5所示，當荷載為45.60 kN時，鋼筋開始屈服，改為位移加載。當位移加載達到21 mm時，柱側面的HDPF纖維帶由于受壓而鼓起，說明纖維帶與混凝土之間發生分離現象。當位移加載達到49 mm時，HDPF纖維帶起鼓較大。位移加載54 mm時，試件彎曲破壞。

3柱為兩層HDPF條帶加固試件。其破壞與ZⅠ2類似，最終的破壞都發生在柱底角處，最后因為加固帶與混凝土之間裂縫太大而破壞。但ZⅠ3的柱底角處的裂縫開展更明顯，如圖6所示，在柱的受力正面形成裂縫后慢慢發展直至貫通。在后面的循環中隨著柱頂位移的增加慢慢的向柱側面發展形成環形裂縫。循環次數增加，柱頂的極限位移較ZⅠ2增大明顯。在現象上表現為ZⅠ3的裂縫在柱底角處得到更深入的發展，裂縫的寬度大于ZⅠ2。在柱的受壓側沒有發現明顯的被壓起鼓現象，但結構膠有泛白現象，位移加載63 mm，試件發生彎曲破壞。

ZⅡ1柱為塑性鉸15 cm區域內增加縱向鋼筋，未加固試件。在力控制的階段與柱ZⅠ1相似，開裂荷載大小相近。但位移加載階段，裂縫出現高度上移。荷載加載21.08 kN時，柱底角正面上部12 cm處出現裂縫， 荷載加載47.20 kN時，鋼筋屈服，改為位移加載。位移加載28 mm時，柱底角正面上部14 cm處出現多條細微裂縫。裂縫圍繞著底角15 cm處發展，開裂程度隨著每個循環荷載的增大減小而變化。位移加載35 mm時，裂縫發展至柱中，同時柱腳處的混凝土開始起皮掉落。位移加載49 mm時，底部12 cm處的裂縫形成貫通裂縫同時斜向發展至底部30 cm處形成了一條斜裂縫，試件發生彎剪破壞。破壞形態如圖7所示。

柱為塑性鉸15 cm區域內增加縱向鋼筋，采用一層HDPF條帶加固試件。荷載加載51.16 kN時，鋼筋屈服，改為位移加載。位移加載28 mm，柱腳底部加固帶上的結構膠出現泛白。加固柱底部10 cm處的加固帶之間有開裂現象，整個過程中伴隨著膠水爆裂的聲音。位移加載35 mm，聲響加劇，柱底上部10 cm的加固帶開裂增大并形成裂縫，如圖8所示。位移加載36 mm，加固柱底部10 cm處的裂縫寬度增大至0.3 cm，同時在柱底上部5 cm處形成新的裂縫，位移加載63 mm，出現了貫通形環型裂縫，試件發生彎曲破壞。

ZⅢ1柱為塑性鉸30 cm區域內增加縱向鋼筋，未加固試件。在力控制的階段與柱ZⅠ1、ZⅡ1相似，開裂荷載大小也相近，但位移控制階段，裂縫出現高度上移。位移加載18 mm時，裂縫發展明顯，從柱側面底部15、35、55 cm處有3條斜裂縫形成，當水平荷載由推改為拉力時，在柱的另一側也形成了對應的3條裂縫。位移加載42 mm時，試件發生彎剪破壞，3條斜裂縫相交，同時柱的正面在柱底15 cm左右混凝土有輕微壓碎。破壞形態如圖9所示。

2柱為塑性鉸30 cm區域內增加縱向鋼筋，采用一層HDPF條帶加固試件。在荷載加載20.1 kN時出現膠的破壞聲，此時荷載與混凝土開裂荷載相近。荷載加載39.8 kN時，鋼筋屈服。位移加載18 mm時，柱底高30 cm處的纖維加固帶的結構膠開始產生爆裂現象，隨著后面每個循環中位移的增加，在30 cm處產生裂縫，裂縫由正面向側面開展，位移加載54 mm循環階段，試件發生彎曲破壞，側面纖維帶鼓起，如圖10所示。

從上述試件破壞過程可以看出：利用HDPF加固后的柱子在混凝土破壞后，荷載下降比較緩慢，而變形較大，這一破壞過程具有先兆且較緩慢，未加固柱在混凝土破壞后，水平荷載下降速率較大。

2.2荷載位移滯回曲線分析

荷載位移滯回曲線記錄了試件在低周反復荷載作用下從加載至破壞的全過程，反映了構件的抗震性能。圖11為各個未加固試件的滯回曲線。圖12為各個加固后試件的滯回曲線。

對各組未加固試件進行橫向對比可以發現： ZⅡ1柱和ZⅢ1的曲線較ZⅠ1柱的曲線更為飽滿，延性更好，說明增加塑性鉸區域內的配筋率對柱的抗震性能提高有一定作用。

對各組試件內部的加固柱與未加固柱對比可以發現：1）加固柱的滯回曲線形態呈梭形，形狀非常飽滿。說明加固柱的塑性變形能力很強，具有很好的延性和耗能性能。2）通過分析ZⅠ組的3根柱可以發現，兩層纖維加固柱的耗能性能較一層加固柱提高顯著，說明纖維加固帶的層數增加對抗震性能的提高起到很大作用。

對各組加固試件進行橫向比較可以發現：隨著塑性鉸內加固縱筋高度的長度增長，承載力與延性增加明顯，說明提高塑性鉸區域內的鋼筋配筋率使得破壞截面上升，纖維帶更能發揮其加固效果。

2.3骨架曲線

骨架曲線反映構件在各個不同階段的受力與變形特性，也是確定恢復力模型中特征點的重要依據[17]。各試件的骨架曲線如圖13所示，通過對各試件骨架曲線的對比分析可以發現：1）3組柱中采用HDPF加固后的柱峰值荷載和極限荷載都在未加固柱的外圍，說明采用HDPF加固后的柱頂發生相同位移時，荷載值都要大于未加固柱；2）未加固柱與加固柱在加載初期曲線重合度較高，同時斜率較大。隨著位移的增加，加固柱與未加固柱在同一循環中能達到峰值荷載。但在后面的下降區段中，未加固柱下降曲線明顯。其中柱ZⅠ1在達到最后一個循環時，位移突然增大失去承載作用，發生脆性破壞。通過此過程可以分析出：纖維布在加載過程初期對柱的承載力提高作出一定貢獻，但承載力提高不明顯。在承載力達到峰值荷載的下降區段中，隨著位移的增大，纖維布起到的作用增大；3）加固柱的曲線在荷載下降區段表現的更為平緩，加固柱隨著位移的增加有一定的持載現象，ZⅠ3柱表現最明顯。總的來說，加固柱的抗震性能要優于未加固柱，延性更好。

2.4延性分析

延性指標有曲率延性系數、位移延性系數、能量延性系數，本文采用的延性指標為位移延性系數。位移延性系數μ的計算式為μ=Δu1Δy（1）式中：Δu表示試件的極限位移；Δu為最大承載力下降15%時所對應的位移值；Δy表示試件的屈服位移，屈服位移Δy為第一根鋼筋受拉屈服時對應的位移值。位移延性系數中的取值為正負兩個方向的平均值。

分析表2可以得到以下結論：1）ZⅠ組中一層加固柱相對于對比柱的位移延性系數提高49.05%，兩層纖維加固柱相對于對比柱的提高101.21%。ZⅡ2柱的位移延性系數相比ZⅡ1柱提高76.67%。ZⅢ2柱的位移延性系數相比ZⅢ1柱提高5202%。可以看出，加固柱的位移延性系數較未加固柱的都有較大的提高，再結合骨架曲線的趨勢可以知道，加固柱的荷載在下降區段更加緩慢，延性更好；2）通過ZⅠ1、ZⅡ1、ZⅢ1三組試件中未加固柱的位移延性系數分別為3.16、3.07、4.10。從ZⅠ1、ZⅡ2的結果可以看出，雖然在柱ZⅡ2的底部15 cm內進行了縱向鋼筋的加強配筋但由于加固的高度不夠，破壞都發生在柱底部。柱ZⅢ1的位移延性系數較前面兩組試件有了較大的提高，說明增加縱向鋼筋的增加，使得構件延性較好；3）ZⅠ2、ZⅡ2相對于各組未加固柱位移延性系數提高4905%、76.67%。說明ZⅡ2中纖維加固帶在延性方面的貢獻大于在ZⅠ2中的貢獻。

2.5耗能分析

2.5.1等效粘滯阻尼系數試件的能量耗散能力大小是衡量抗震性能優劣的重要指標。計算等效粘滯阻尼系數的圖形見圖14，具體計算式如式（2）。he=112πSFAE+SECG1S△AOB+S△COD（2）式中：SFAE、SECG為滯回曲線與X軸所包圍的面積；S△AOB、S△COD為△AOB、△COD的面積。

值越大，則說明結構的耗能能力越大，結構消耗的地震能量越多。根據試件破壞前的滯回環，可計算得到等效阻尼系數，如圖15所示。從圖15可以看出，采用HDPF加固的柱等效粘滯阻尼系數都大于0.3，未采用HDPF加固的柱都小于0.3，說明鋼筋混凝土柱采用HDPF加固后，試件的能量耗散能力大大增加，抵御地震能力較強。

2.5.2總耗能等效粘滯阻尼系數只是對結構屈服之后每個滯回環內的耗能情況的反映，不能反映試件破壞前后的總的耗能能力。結構構件的總耗能是指結構構件從加載到破壞各個階段（包括彈性階段、屈服階段、強化階段以及下降階段）所耗散的能量的總和，如式（3）所示。Es=n1i=1SABCDEA（3）式中：S表示每一滯回環的面積。總耗能表示柱在水平荷載低周反復試驗中吸收能量的大小，與位移延性系數先比較，總耗能是力與位移的一個綜合反映，更能代表柱的抗震性能。利用式（3）可得到每個構件的總耗能，如圖16所示，由圖16看可以看出，加固柱總耗能相對于未加固柱均有很大幅度的提高，說明利用高延性聚酯纖維加固來提高柱的抗震性能非常有效。同時可以發現存在以下規律：ZⅠ2與ZⅠ3相對于ZⅠ1的提高幅度為73.4%和1582%，說明隨著纖維帶層數的增加，總耗能提高顯著，兩層加固的形式比粘貼一層的好。在塑性鉸內提高配筋的ZⅡ2、ZⅢ2相對于未加固柱提高82.23%、86.88%，提高幅度要大于ZⅠ2，說明在塑性鉸區域內提高配筋率，同時加長縱向鋼筋的長度，能提高纖維布的使用效率，使得柱的抗震性能提高幅度較大。

2.6水平承載力分析

在試驗時，柱在拉、推兩個方向的力及位移值不相等，所以在計算屈服荷載和極限荷載時，取兩個方向的平均值。試件水平承載力試驗結果如圖17所示。從圖17可以看出，各組相對于對比柱來看，在塑性鉸未進行鋼筋加固的ZⅠ試件中，一層與兩層纖維帶的提高分別為6.22%、8.77%，說明纖維帶的加固層數對正截面承載力的提高影響不大； ZⅡ2、ZⅢ2相比較ZⅡ1、ZⅢ1提高程度為57%、15.8%。總的來看，纖維帶加固對于提高構件水平承載力效果不顯著。

2.7纖維帶和縱向鋼筋應變分析

選ZⅠ2（一層HDPF加固）和ZⅢ2柱的各處應變片在位移控制階段中每個周期的發展趨勢進行分析，各加固柱的纖維帶應變如圖18所示；ZⅠ2 、ZⅡ2和ZⅢ2柱縱向鋼筋150和250 mm處受拉應變如圖19所示。

從圖18可以看出，ZⅠ2柱正面處的纖維帶應變發展較側面處的應變發展要充分，纖維帶的最大應變發生在柱腳正面處，達到14 000 με左右，說明在正面柱腳處的纖維布約束作用發揮較大，同時，也驗證了ZⅠ2柱試驗過程中該試件是柱正面橫向裂縫發展到足夠寬度而破壞；而ZⅢ2在柱高275～475 mm處的纖維帶應變，在柱高275 mm時應變的最大發展達5 000 με。相比未進行縱向鋼筋加固的鋼筋混凝土柱，ZⅠ2在225 mm高度時的最大應變在500 με，說明經過鋼筋加固后塑性鉸長度有所增加。

從圖19可以看出， ZⅠ2柱距柱腳150 mm處縱向鋼筋最大拉應變為1 413 με，而ZⅢ2柱距柱腳150 mm處縱向鋼筋最大拉應變為2 111 με，達到了屈服；ZⅠ2柱距柱腳250 mm處縱向鋼筋最大拉應變為901 με，而ZⅢ2柱距柱腳250 mm處縱向鋼筋最大拉應變為1 708 με，雖然沒有屈服，但是，相比較ZⅠ2柱增加了807 με，同樣說明經過鋼筋加固后塑性鉸長度有所增加。

從上述分析可以看出，采用一層HDPF加固的柱，纖維約束效果較兩層充分，局部有效利用率較高，但是采用兩層HDPF加固的柱，纖維帶能產生更有效的約束，使得柱正面裂縫向主側面開展。在塑性鉸區域內增加局部鋼筋增加了塑性鉸區域的長度，使得較大部分的纖維帶能夠發揮約束作用。

3結論

通過進行7根鋼筋混凝土柱低周反復試驗，研究了HDPF加固層數及在塑性鉸區域內增加局部縱向鋼筋對HDPF加固鋼筋混凝土柱抗震性能的影響，得出以下結論：

1） HDPF可以有效提高鋼筋混凝土柱的抗震性能，利用HDPF加固的試件，裂縫發展緩慢，變形、總耗能、延性系數都有不同程度的提高，而HDPF對其承載力影響較小。

2） HDPF的層數對加固后的鋼筋混凝土柱抗震性能影響較大，隨著加固層數的增加，滯回曲線更加飽滿，延性更好；而采用一層HDPF纖維帶加固的柱，HDPF纖維帶約束效果較兩層發揮充分。

3） 在柱根上部一定范圍內增加局部縱向鋼筋配筋率，能夠發揮較多纖維帶的約束作用，提高纖維布的約束效果，提高了柱的抗震性能。

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（編輯王秀玲）