碳纖維增強復合網格加固混凝土柱抗震加固技術性能研究

黃艷妮，王 津

（1.陜西工業職業技術學院，咸陽 712000；2.陜西鐵路職業技術學院，渭南 714000）

在建筑工程與土木工程中，CFRP（碳纖維增強復合材料）憑借自身耐久性與耐腐蝕性的性能，被國內外廣泛應用，尤其是在混凝土柱抗震加固技術方面。抗震性能在建筑施工過程中非常重要，備受國內外的關注。近年來，關于混凝土柱抗震性能的研究不多，特別是針對建筑物抗震加固技術。在實驗設計中，多數選用的為縮小一定比例的模型，模型與實物之間會有差別存在，因此，選用與實際建筑物相同尺寸的模型進行試驗來體現在實際施工過程中的真實反應，對于加固抗震技術的研究具有現實意義。

1 設計實驗

1.1 試件選用

抗震試驗所選用的模型是以實際工程為基礎展開進行。3根試驗模型柱選用的均為包裹一層、二層碳纖維片及裸包土柱，截面尺寸為5m×5m，高為2.4m，加載點則在柱子反彎點處，通過試驗對其抗震性能進行反復試驗。試驗選用土柱詳細參數見表1，表中編號分別表示無CFRP加固和封閉式粘貼。將反彎點設定在框架柱的1/2 處，CFRP 厚度選用為0.111mm，抗拉強度為3500MPa，彈性模為2.1×105MPa[1]。

表1 試件參數Tab.1 Specimen parameters

1.2 試驗加載制度

本次試驗3根試件加載制度相同，而裝置選用的為懸臂式。將試驗柱子豎向受力控制在一定范圍內，加載程序則采用荷載-位移混合控制，如圖1 所示。為使試件達到屈服狀態，可采用分級加載，每級為30kN，每級荷載循環一次。待試件屈服后了使用變形控制，以屈服位移倍數進行加載，每級位移循環3次，等荷載值下降至80%左右時，停止試驗[2]。

圖1 試驗加載制度Fig.1 Test loading system

1.3 抗震性能分析指標與方法

1.3.1 柱頂位移與抗剪抗震承載力

圖1 中試件柱的極限荷載和破壞荷載分別用Bu、Bd表示，屈服荷載則為By，極限位移、破壞位移及屈服位移分別為Pu、Pd、Py。

1.3.2 柱的延性

柱的延性具體指承載力無明顯下降情況下，其變形能力結構或構件超過彈性階段。彈性與極限變形差值通常用來表示結構延性，比如Δf /Δy，則Δf/Δy≥4則結構就有很好的延性[3]。因文中延伸性多用位移延伸系數來表示，以下公式是用于計算試件延伸性的大小。

公式（1）和（2）中β1、β2分別表示極限位移延性系數和破壞位移延性系數。?a為破壞位移，?b則表示屈服位移，而最大負荷對應位移則用?r表示。水平荷載為低周反復加載方式，公式（1）、（2）中?r、?b、?a采用正反方向加載平均值[4]。

1.3.3 試件的滯回曲線

混凝土柱抗震加載技術各項指標的計算主要是通過滯回曲線所翻譯的試件柱破壞機制、消耗及變形能力、強度與剛度等。而滯回曲線則為荷載-位移曲線，即第一個加載周期得到的[5]。

1.3.4 試件的骨架曲線

試件骨架曲線具體指各級別加載峰值點連接的包絡線，該骨架曲線是每次循環荷載-位移曲線的主導峰值點的軌跡曲線。試件試驗過程中破壞荷載及位移、極限荷載及位移、屈服荷載及位移的所有特點均可通過骨架曲線來體現，由此可見骨架曲線的作用在結構非彈性地震反應中是極為重要的。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗柱抗震抗剪承載力與柱頂位移

表2 所示數據中包裹CFRP 后與裸裹的試件柱By、Bu、Bd均有不同程度的增加[6]。Z-1 與Z-0 相比Dy、Du、Dd分別提高85.65%、154.64%、132.56%，Py、Pu、Pd也在之前基礎上提升至30.87%、11.20%、16.11%，；Z-2 和Z-0 相 比 較Py、Pu、Pd分 別提 高46.18%、13.92%、17.89%，而Dy、Du、Dd則提升了106.89%、184.20%和159.11%。

表2 試件抗震抗剪承載力與柱頂位移Tab.2 Seismic shear capacity and displacement of column top

通過表2 及數據比較得知，在不同荷載情況下，試件柱變形能力與抗剪承載力相比，有明顯提升。而荷載增加值明顯低于位移增加值，此時的極限位移最大增幅為184.20%。上述Z-2和Z-1比較得知，CFRP包裹層數的增加，促使試件柱的破壞荷載、屈服及極限荷載分別有不同程度的增加，試件柱的屈服位移、破壞位移及極限位移情況也如荷載情況相同，均有不同程度的增加[7]。其中，CFRP包裹層數對于柱頂位移和抗剪承載力的提升不顯著。

2.2 柱的延性

根據表3 試件柱延性系數所示，Z-0、Z-1、Z-2試驗柱包裹CFRP 加固技術后，位移延性系數逐漸增大，且增加程度不一致。但通過包裹CFRP試驗柱Z-1、Z-2的延性系數可見，CFRP層數包裹情況與延性系數之間存在的關系不大，充分體現論文CFRP 與加固柱延性的改善之間的線形增長關系并不簡單。而表中的延性系數也表明了，包裹一層CFRP 的使用效率，使加固柱的延性有了大幅度提升；包裹二層CFRP 的試驗柱，難以充分自身作用，無法與試件共同工作，所以延伸性提升幅度較小。

表3 試件延性系數Tab.3 Ductility coefficient of test piece

2.3 事件的滯回曲線

試驗柱滯回曲線，待加固試件屈服后與未加固試件相比較，曲線比較飽滿，同時，加固柱屈服荷載的滯回面積也比未加柱的大，充分體現了CFRP 加固后試驗柱變形性能的提升，且吸收消耗地震能力的能力也有顯著提高，詳細系數可見表4。

表4 試件滯回耗能系數ψTab.4 Hysteretic energy dissipation coefficient ψof specimen

“ψ”用來表示試件柱滯回耗能系數，具體是指試件柱在加載循環過程中能量與總循環過程變性能的比值。試件柱滯回系數隨著變形性能的增加而增長。由于加固屈服后的試驗柱，裂縫的閉合、張開情況與未加固柱相比更加充分，致使柱與柱之間的摩擦消耗能力逐漸加大，充分體現了試驗柱吸收能量能力也持續增大。通過表4 可見，Z-0 在不加固情況下，耗能系數與加固后的Z-1、Z-2相比系數較大，體現CFRP對混凝土柱的約束作用。而對應滯回耗能系數Z-1、Z-2 之間差別不明顯，其主要原因是CFRP 二層包裹的約束性比一層包裹要大，使其開展程度小于一層包裹試驗柱[8]。

2.4 試件的骨架曲線

屈服荷載前試件柱骨架曲線與屈服荷載后的骨架曲線有一定的相似，詳情可見圖2 所示。圖2 中骨架曲線是通過歸一化處理所得，該曲線具體表現了試驗柱在破壞階段、彈塑性階段及彈性階段不同的工作狀態。試件柱在CFRP 加固前后破壞下降趨勢呈現一致，試件屈服前后，CFRP 加固柱剛度及下降速度和未加固試件相比存在顯著差異。充分說明了屈服后試件柱的剛度退化速度與CFRP 對混凝土柱的約束性有一定關聯。圖2 中試件骨架曲線Z-2 與Z-1 相比，剛度退化速度明顯小于一層CFRP 包裹試驗柱，間接表明了CFRP 約束性套箍厚度的不斷加大與約束性加強有存在直接聯系。

圖2 試件歸一化骨架曲線Fig.2 Normalized skeleton curve of test piece

3 結語

通過試驗設計對CFRP 加固混凝土柱抗震技術性能進行研究，詳細數據顯示包裹CFRP 試件柱不僅柱頂位移有所增加，極限、屈服及破壞荷載也有不同程度的提升，且位移平均幅度與CFRP 層數包裹有直接關系[9]。混凝土柱變形能力的延伸也隨著CFRP 加固性能逐漸增強，同時，滯回曲線也變得更加的飽滿。由于鋼筋混凝土抗震消耗能力的顯著提升，其延伸性、變形能力及抗剪承載力也隨著增強，但在實際工程建設中，需根據自身具體情況合理選擇CFRP 包裹用于土柱抗震加固[10]。