CFRP和角鋼加固震損混凝土框架抗震性能研究

王欣，惠守江，周揚(yáng)帆，雷杰

（1．山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2．濰坊昌大建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東濰坊261031）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，山東省在歷史上曾發(fā)生過(guò)多次較大地震，全省各個(gè)地區(qū)的建筑物都普遍面臨抗震問(wèn)題。我國(guó)的相關(guān)抗震規(guī)范對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震要求和相應(yīng)的構(gòu)造措施都有具體規(guī)定，但對(duì)于20世紀(jì)70年代前建成的一批鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，如何提高其抗震能力以及震損后結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固，是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。采用外包角鋼、粘貼碳纖維布及復(fù)合加固方式的梁、柱及框架節(jié)點(diǎn)均能提高其承載力、剛度和延性等抗震性能［1］。盧亦焱等通過(guò)碳纖維布和鋼板復(fù)合加固混凝土梁的而抗彎試驗(yàn)，研究了碳纖維布用量、鋼板用量及錨固方式對(duì)加固效果的影響，此種加固方法提高了梁的抗彎承載力，有效控制了裂縫的發(fā)展，同時(shí)，研究了采用此種加固方法加固混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)，加固后混凝土柱的抗震承載力和耗能能力均有較大提高［2－3］。許成祥等研究了碳纖維布加固震損方管混凝土柱、節(jié)點(diǎn)的抗震性能，表明碳纖維布加固后的混凝土柱的承載力和剛度明顯提高，采用此種方法保證了“墻柱弱梁”設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)，提高了節(jié)點(diǎn)的抗震承載力和抗震性能［4－6］。肖德后等開(kāi)展了無(wú)機(jī)膠粘貼碳纖維布加固混凝土柱的軸壓性能試驗(yàn)，并給出了此種加固方法的軸壓承載力計(jì)算公式，同時(shí)指出，無(wú)機(jī)膠黏貼碳纖維布比有機(jī)膠具有更好的粘貼穩(wěn)定性［7］。常正非等研究了碳纖維加固受損混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，此種加固方法不僅提高了試件的承載力和變形能力，還改變了原有的脆性破壞模式［8］。唐愛(ài)華等研究了粘貼碳纖維布法對(duì)偏心受壓柱的的加固效果，隨著偏心距的減小，加固效果明顯提高［9］。王新玲等推導(dǎo)了碳纖維布和角鋼復(fù)合加固損傷混凝土柱抗震性能的理論，給出了加固后混凝土柱的正截面承載力計(jì)算公式［10］。但是，目前有關(guān)角鋼和粘貼碳纖維布復(fù)合加固的試驗(yàn)研究都是針對(duì)單個(gè)構(gòu)件，而實(shí)際工程中對(duì)于整體混凝土框架結(jié)構(gòu)采用角鋼和粘貼碳纖維布復(fù)合加固的試驗(yàn)研究還尚未起步［11］。

為了研究無(wú)機(jī)膠植筋連接的抗震性能，王欣等對(duì)不同梁柱植筋節(jié)點(diǎn)形式和植筋膠種類抗震性能研究表明，植筋節(jié)點(diǎn)形式和植筋膠種類對(duì)抗震性能有較大影響，采用無(wú)機(jī)膠植筋的梁具有良好的抗震能力［12］。文章在此文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)不同植筋節(jié)點(diǎn)方式和植筋膠種類震損后的試件，分別采用碳纖維布、角鋼及復(fù)合加固3種加固方式進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)與試驗(yàn)前的植筋試件進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同加固方式框架在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線、剛度退化曲線、延性系數(shù)等抗震能力。

1 試驗(yàn)概況

1．1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)所用四榀框架均為文獻(xiàn)［12］所述震損后鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，具體截面尺寸分別為：梁150 mm ×200 mm、柱250 mm ×250 mm、地梁500 mm×500 mm，試件梁柱的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)均為C30，試件具體尺寸如圖1所示。鋼筋錨固長(zhǎng)度滿足GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定［13］。根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］要求，梁的配筋為 414的縱向鋼筋，梁箍筋為 Φ8＠150／50；柱的縱向鋼筋為420，箍筋為 Φ8＠100。四榀單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的加固方式及參數(shù)如表1所示。其中，DBKJ為不加固構(gòu)件；TXWKJ為碳纖維布加固構(gòu)件；JGKJ為角鋼加固構(gòu)件；FHKJ為復(fù)合加固構(gòu)件；ZJ為整澆試件；YJ－LZ為有機(jī)膠梁柱植筋；WJ－L為無(wú)機(jī)膠梁植筋；WJLZ為無(wú)機(jī)膠梁柱植筋。

圖1 試件尺寸圖／mm

表1 試件參數(shù)表

1．2 加載方式

試驗(yàn)試件是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)前通過(guò)地錨螺桿將構(gòu)件固定于實(shí)驗(yàn)室地板上，在框架結(jié)構(gòu)兩柱上布置分配梁施加豎向荷載，在試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中，保持柱子的軸壓比約為0．3。在框架梁的端部通過(guò)MTS電液伺服作動(dòng)器模擬水平地震力。依據(jù)JGJ／T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》的規(guī)定［15］，確定試驗(yàn)的加載方案。加載之前，將試件進(jìn)行安裝就位，柱子用鉛垂吊垂直，使其保持豎直，防止在施加水平荷載過(guò)程中發(fā)生傾斜，影響試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)采用變形控制的加載方式。正式試驗(yàn)前，首先進(jìn)行預(yù)加載，以檢驗(yàn)試件各部分是否接觸良好；每次預(yù)加載值的大小不超過(guò)開(kāi)裂荷載理論計(jì)算值的30%。加載過(guò)程中，應(yīng)保持反復(fù)荷載的均勻性和連續(xù)性，且加載及卸載的速率要保持恒定。試件屈服前以1 mm的步幅遞增，達(dá)到屈服后，以3 mm的步幅遞增，每級(jí)循環(huán)2次；當(dāng)荷載下降至0．85 Pmax或者試件不能承受規(guī)定的豎向力而分配鋼梁發(fā)生失穩(wěn)時(shí)停止加載，試驗(yàn)終止，加載方式如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)加載方式圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

DBKJ框架的東側(cè)柱的西側(cè)面柱體根部混凝土壓酥；框架的東側(cè)柱的東側(cè)面柱體根部有部分混凝止被壓碎，西柱根部混凝土有部分被壓碎現(xiàn)象?？蚣芷茐臅r(shí)，鋼筋應(yīng)變?yōu)?00με，應(yīng)力為144．2 MPa，未達(dá)到屈服。TXWKJ試件在拉力達(dá)到106 kN時(shí)，西柱西側(cè)出現(xiàn)細(xì)小裂縫，東柱在作動(dòng)器加載時(shí)聽(tīng)見(jiàn)劈裂聲，碳纖維布和混凝上柱體個(gè)別出現(xiàn)剝離現(xiàn)象；隨著荷載的增加，裂縫變寬變長(zhǎng)。最終碳纖維布與混凝土剝離，鋼筋應(yīng)變?yōu)?78με，應(yīng)力為140 MPa，未達(dá)到屈服。JGKJ試件在拉力達(dá)到149 kN時(shí)，兩側(cè)的柱子的表層和地梁與柱子交叉處混凝土起鼓脫皮，裂縫繼續(xù)發(fā)展；當(dāng)推拉力達(dá)到174 kN時(shí)，在加載過(guò)程中聽(tīng)見(jiàn)噼啪的異響聲音，角鋼與混凝土表面部分分離。FHKJ試件水平推拉力最大為150 kN，框架結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)處，碳纖維布和角鋼與混凝土表面剝離，裂縫迅速發(fā)展，形成了局部破壞，水平位移很大，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)比四榀鋼筋混凝土框架的試驗(yàn)現(xiàn)象，加固了的TXWKJ、JGKJ、FHKJ構(gòu)件的裂縫要明顯比DBKJ少，且 TXWKJ、JGKJ、FHKJ構(gòu)件的破壞多出現(xiàn)在結(jié)點(diǎn)附近，最終發(fā)生粘結(jié)壞。兩榀單一材料加固的鋼筋混凝土框架TXWKJ、JGKJ均表現(xiàn)出加固材料和結(jié)構(gòu)混凝土的粘結(jié)破壞，在復(fù)合加固框架中，由加固材料的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)角鋼并未達(dá)到屈服應(yīng)變，表現(xiàn)出的是加固材料與混凝土的粘結(jié)破壞。JGKJ、FHKJ鋼筋混凝土柱底鋼板與混凝土面剝離后，柱底裂縫發(fā)展迅速，可見(jiàn)加固材料對(duì)裂縫的開(kāi)展起到了極大地限制作用。在柱底鋼板鼓起時(shí)，可以看到鋼板仍與碳纖維相連，這說(shuō)明2種加固材料之間的粘結(jié)效果較好。TXWKJ框架破壞時(shí)，加固材料與結(jié)構(gòu)之間發(fā)生了粘結(jié)破壞，柱底出現(xiàn)了空骨剝離的現(xiàn)象；達(dá)到相同的裂縫寬度時(shí)，F(xiàn)HK框架所對(duì)應(yīng)的荷載值較高，即在相同荷載等級(jí)下，JGKJ框架的裂縫較寬；這表明復(fù)合加固法可以更為有效地限制框架結(jié)構(gòu)裂縫的開(kāi)展。與未加固的鋼筋混凝土框架相比，加固框架破壞時(shí)裂縫的寬度和長(zhǎng)度都明顯地減小，這說(shuō)明加固可以有效地延緩框架的開(kāi)裂，并能限制框架梁、柱以及節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫的發(fā)展，對(duì)于貫通裂縫的形成，能夠起到極大的延緩作用。破壞時(shí)，加固框架表面裂縫的間距也較未加固框架小些。FHKJ構(gòu)件也比TXWKJ構(gòu)件和JGKJ構(gòu)件更能有效地限制框架結(jié)構(gòu)開(kāi)裂以及裂縫的發(fā)展。

3 結(jié)果與分析

3．1 承載力

四榀框架結(jié)構(gòu)加固前、后承載力及位移試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、3。其中，Pcr和Δcr為開(kāi)裂荷載及對(duì)應(yīng)的位移；Py和Δy為屈服荷載及對(duì)應(yīng)的位移；Pu和Δu為極限荷載及對(duì)應(yīng)的位移；Pd為試件破壞時(shí)的荷載；μ為延性系數(shù)。

由表2、3可知，采用碳纖維布、角鋼及復(fù)合加固3種方式的開(kāi)裂荷載及破壞荷載均低于加固前的荷載值且FHKJ的開(kāi)裂荷載、開(kāi)裂位移、極限荷載和極限位移分別為 DBKJ構(gòu)件的 2．36、2．00、1．68、1．27倍，說(shuō)明復(fù)合加固與簡(jiǎn)單處理加固方式相比能顯著提高承載力。再者，DBKJ、TXWKJ、JGKJ和 FHKJ的極限荷載分別相當(dāng)于震損前整澆框架的46．8%、68．8%、76．2%、78．8%，但除 TXWKJ外，較加固前對(duì)應(yīng)構(gòu)件均有所降低。

表2 加固前承載力及位移試驗(yàn)結(jié)果表

表3 加固后承載力及位移試驗(yàn)結(jié)果表

3．2 滯回曲線

通過(guò)試驗(yàn)得到四榀框架的滯回曲線如圖3所示。各個(gè)框架在加載初期，滯回環(huán)面積很小，各個(gè)框架基本處于線彈性工作階段；隨著荷載進(jìn)一步增大，框架柱開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，剛度明顯下降，卸荷后有殘余變形，滯回曲線成梭形，滯回環(huán)面積增大。DBKJ的滯回環(huán)明顯沒(méi)有TXWKJ、JGKJ和FHKJ的滯回環(huán)豐滿，說(shuō)明3種加固方式均能提高構(gòu)件的耗能能力，且TXWKJ、JGKJ和FHKJ 3個(gè)構(gòu)件的耗能能力依次增大。JGKJ在循環(huán)加載初期，試件處于彈性工作階段，滯回曲線基本上呈線性，卸載后變形恢復(fù)充分；試件開(kāi)裂以后，滯回曲線呈梭形，滯回環(huán)面積逐漸增大；角鋼屈服后，隨著位移的增大和循環(huán)次數(shù)的增多，滯回環(huán)面積越來(lái)越大，說(shuō)明試件具有很好的耗能能力；加載后期，滯回曲線逐漸倒向位移軸，滯回環(huán)形狀逐漸由梭形變?yōu)楣危@說(shuō)明角鋼和試件之間出現(xiàn)剝離，開(kāi)始產(chǎn)生位移。復(fù)合加固的滯回環(huán)面積最大，其滯回環(huán)面積是DBKJ的3．25倍，是角鋼加固的1．21倍，約為震損前整澆框架的85．1%，說(shuō)明復(fù)合加固比單一加固方式具有較好的吸收能量能力。

圖3 滯回曲線圖

總體來(lái)看，未加固框架的承載力及其延性與變形能力較差，復(fù)合加固框架的滯回曲線較未加固柱明顯飽滿，在試驗(yàn)的后期其滯回曲線表現(xiàn)在承載力、延性、變形能力以及耗能能力均有較大幅度的提升，表現(xiàn)出良好的變形性能和耗能能力。未加固框架的滯回曲線接近于反S形，說(shuō)明未加固框架的延性以及耗能能力比較差，而加固柱的滯回曲線比較豐滿，但也出現(xiàn)了“捏縮”現(xiàn)象。這主要是由于在反復(fù)加、卸載過(guò)程中，混凝土受拉裂縫的張、合以及出現(xiàn)的殘余變形，從而反映出構(gòu)件在彈塑性階段耗能能力衰減相對(duì)較快。

3．3 延性系數(shù)

根據(jù)表3可知，DBKJ、TXWKJ、JGKJ、FHKJ 4個(gè)構(gòu)件延性系數(shù)依次增大。TXWKJ、JGKJ、FHKJ的延性系數(shù)分別比DBKJ延性系數(shù)增大了36%、66%、78%。通過(guò)表2～3對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用角鋼、碳纖維布及復(fù)合加固3種方式相比加固前延性系數(shù)分別提高86%、89%、95．6%，這說(shuō)明3種加固方式均可以提高框架結(jié)構(gòu)的延性。

3．4 剛度退化

圖4為各試件的剛度退化曲線。由圖4可以看出，加載初期，構(gòu)件處于彈性階段，曲線斜率較大，說(shuō)明剛度下降較快，在試件開(kāi)裂前后，曲線斜率很小，剛度不大，此時(shí)的剛度退化主要因?yàn)槲⒘芽p的形成，若卸載，試件將恢復(fù)變形；從試件開(kāi)始出現(xiàn)裂縫到屈服時(shí)，由于試件裂縫的形成與發(fā)展，剛度退化異常劇烈，曲率下降較快；從試件出現(xiàn)明顯的屈服特征至達(dá)到極限荷載，這一階段主裂縫逐步形成，剛度進(jìn)一步下降，但是下降比較緩慢。

圖4 剛度退化曲線圖

JGKJ和FHKJ的初始剛度要明顯大于TXWKJ和DBKJ的初始剛度，且JGKJ和FHKJ框架的剛度退化曲線基本吻合，說(shuō)明角鋼加固可以大幅度提高框架的剛度。加載初期，由于角鋼的作用，F(xiàn)HKJ和JGKJ剛度較大。當(dāng)水平位移接近5 mm時(shí)，隨著位移的增大，角鋼發(fā)生剝離，整體性變差，剛度急劇下降，當(dāng)位移＞7 mm后，剛度緩慢下降?？傊?，采用復(fù)合加固方法可以延緩框架的剛度以及承載力的退化，從而提高其抵抗反復(fù)荷載的能力。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

（1）采用碳纖維布、角鋼及復(fù)合加固3種方式與簡(jiǎn)單處理加固方式相比在開(kāi)裂荷載、開(kāi)裂位移、極限荷載和極限位移方面均有提高且分別提高了2．36、2．00、1．68、1．27倍，表明復(fù)合加固與簡(jiǎn)單處理加固方式相比能顯著提高承載力。

（2）復(fù)合加固滯回環(huán)面積最大，其滯回環(huán)面積是DBKJ的3．25倍，是角鋼加固的1．21倍。復(fù)合加固的變形性能、耗能能力及延緩結(jié)構(gòu)剛度退化能力優(yōu)于角鋼與碳纖維布加固。

（3）采用碳纖維布、角鋼及復(fù)合加固3種方式較加固前對(duì)應(yīng)構(gòu)件的延性系數(shù)分別提高了89%、86%、95．6%，表明3種加固方式均可以有效提高構(gòu)件的延性。復(fù)合加固方法可以延緩框架的剛度以及承載力的退化，從而提高其抵抗反復(fù)荷載的能力。