高層建筑CFRP加固鋼筋混凝土柱結構抗震性能研究*

李 培

(上海建橋學院商學院, 上海 201306)

我國是一個地震災害多發的國家，然而，由于目前對于地震預測的研究尚不成熟，地震的活動難以得到有效預報，因此結構抗震性能研究成為了工程抗震減災領域的重要研究方向[1-3]。

纖維增強復合材料（FRP）具有強度高、耐腐蝕、材料成本低等特殊優勢，在混凝土結構加固中得到了廣泛的應用。曹玉貴等[4]構建了FRP包裹預損傷混凝土柱的應變模型，提出該模型能夠準確描述FRP束縛下損傷混凝土的環向應變-軸向應變關系。鄭植等[5]依托于某雙塔三跨斜拉橋工程，基于材料性能試驗及縮尺模型結構拉伸強度試驗驗證了加固后的連接結構可靠性高，能夠保證防撞套箱防護性能的充分發揮。

但隨著對FRP材料研究的逐漸推進與不斷創新，學者們發現碳纖維增強復合材料（CFRP）具有更卓越的工程性能，CFRP材料的應用能夠有效延遲混凝土裂縫的出現時間，大幅提高混凝土的變形能力[6-9]。陳華等[10]基于試驗等對CFRP材料的失效機制展開了深入研究，發現在CFRP筋錨固體系界面粘結應力主要是由摩擦力和機械咬合力兩種因素承擔。王作虎等[11]室內設計了3組CFRP加固鋼筋混凝土柱并對其開展了軸心受壓破壞試驗，指出CFRP加固鋼筋混凝土柱的強度要高于素混凝土。

綜上所述，CFRP復合材料能夠大幅加強混凝土結構的工程性能，然而，目前對CFRP材料在工程結構抗震性能應用方面的研究還比較缺乏。本文將基于室內不同尺寸的未加固、CFRP加固的鋼筋混凝土的分級增量加載振動試驗，根據結果結合理論知識深入研究CFRP材料對鋼筋混凝土柱構件抗震性能的影響及其工程應用前景。

1 試驗設計

1.1 試件制備

本次試驗共設計制作了有、無CFRP材料包裹層的鋼筋混凝土柱，此外，為進一步探討CFRP在不同工況、不同條件下的應用情況，進一步考慮了尺寸效應對CFRP材料加固效果的影響。室內制作邊長分別為100mm、200mm和300mm的鋼筋混凝土柱，采用C40級混凝土，測得平均抗壓強度為38.97MPa。根據相關規范[12-13]的標準要求，對鋼筋混凝土柱的配筋進行計算，縱筋采用HRB400級，箍筋采用HRB300級，得出混凝土柱的配筋如表1所示。試驗采用的CFRP材料及養護制作完成并加固后的鋼筋混凝土柱如圖1所示。

表1 鋼筋混凝土柱基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of reinforced concrete column

圖1 CFRP加固混凝土柱Fig.1 Concrete columns strengthened with CFRP

1.2 試驗方案

本次試驗研究對象為不同尺寸、不同層數條件下的CFRP復合材料加固鋼筋混凝土柱。利用MTS150液壓伺服設備進行加載，該設備最大可實現1000kN軸向加載；利用大量程應變片對鋼筋混凝土柱的表面橫向變形進行監測，應變片貼合位置為構件兩端各4個、構件中部4個。計算得出上述不同尺寸的鋼筋混凝土柱的屈服強度Fy，對混凝土柱進行分級增量振動加載，每級荷載下振蕩次數為3個循環。其中第一級荷載為0.5Fy，此后每級增量為0.5Fy，直至達到峰值并進入殘余階段后停止試驗。

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線分析

圖2為鋼筋混凝土柱抗震試驗滯回曲線結果，反映了材料在反復受力作用下的變形特征。其中(a)、(c)、(e)為不同尺寸的未加固的鋼筋混凝土柱的試驗結果，(b)、(d)、(f)為不同尺寸的CFRP加固的鋼筋混凝土柱的試驗結果。由圖2可以看出，在分級加載振動試驗條件下，鋼筋混凝土柱的滯回曲線均具表現出了典型的材料滯回曲線特征，其滯回曲線整體明顯呈“弓”形，在滯回環中部均出現了明顯的“捏攏”現象，這表明在振動荷載作用下，混凝土柱在各節點區域均出現縱筋的屈服與滑移。“弓”形滯回曲線形態表明，鋼筋混凝土柱具有較強的塑性變形能力，結構的低周反復荷載試驗性能好，能夠較好地吸收地震荷載產生的能量，因此其抗震性能優。

圖2 鋼筋混凝土柱抗震試驗滯回曲線Fig.2 Seismic test hysteresis curve of reinforced concrete column

CFRP加固鋼筋混凝土柱的滯回曲線的滯回環較未加固構件的更加飽滿，這表明CFRP復合材料加固后的鋼筋混凝土柱在卸載過程中所釋放的能量更少，其在反復加載過程中吸收的能量更多。進一步分析曲線可知，不同尺寸的CFRP加固混凝土柱的塑性變形能力均高出未加固混凝土柱，以100mm×100mm×250mm混凝土柱為例，未加固構件的最大位移為16.12mm，CFRP加固后構件最大位移為24.33mm。塑性變性能力相對提高了50.93%，變形能力提升效果明顯。此外，隨著鋼筋混凝土柱尺寸的增大，結構的最大位移也逐漸增大，承受的荷載也越大，但由于需要考慮到本身尺寸的原因，因此將在討論章節結合各種因素對材料變形能力及抗震性能尺寸效應進行深入探討。

2.2 骨架曲線分析

圖3 為各鋼筋混凝土構件的骨架曲線。由圖3可知，鋼筋混凝土柱在彈性階段后曲線呈線性，而當達到鋼筋的屈服點以后，構件內部鋼筋開始屈服，但構件整體仍然持續硬化，荷載水平依舊在提高。而隨著荷載的持續增大，構件整體達到了峰值，構件端部的混凝土開始破裂、剝落，鋼筋混凝土構件整體承載力開始下降。不同尺寸的CFRP加固后的鋼筋混凝土柱構件的變形能力均要強于未加固鋼筋混凝土柱構件，這表明CFRP材料在混凝土柱發生破壞的過程中起到了很好的束縛作用，增強了其塑性變形能力，抑制了混凝土柱產生橫向破壞的趨勢。

圖3 不同尺寸混凝土柱節點Fig.3 Concrete column joints of different sizes

2.3 剛度退化分析

圖4為不同鋼筋混凝土柱構件的剛度退化曲線。在加載初期，鋼筋混凝土柱的剛度迅速下降，而在振動荷載的作用下，混凝土產生了很大的橫向變形，混凝土柱表面產生剝落，構件內部產生了一定程度的裂隙且損傷程度不斷提高。隨著損傷程度的提高，構件剛度退化速率不斷降低。相同比例條件下，尺寸效應對鋼筋混凝土柱構件的初始相對剛度產生了明顯的影響，隨著混凝土柱尺寸的增大，其初始剛度逐漸降低。此外，加固后的鋼筋混凝土柱的相對剛度要略高于未加固的鋼筋混凝土柱。

對相對剛度與粘性系數之間的關系進行深入分析擬合，建立了相對剛度-粘性系數擬合關系如圖4所示。由圖4可知，振動荷載作用下鋼筋混凝土柱的相對剛度與粘性系數之間成負指數函數關系，即隨著粘性系數的增大，構件的相對剛度不斷降低但降低速度逐漸變慢。線性回歸系數R2均高于0.96，二者之間相關性高，擬合函數能夠有效表達相對剛度與粘性系數之間的關系。進一步觀察到，CFRP加固鋼筋混凝土柱的擬合指數函數的指數的絕對值均小于未加固構件，這表明CFRP加固構件的剛度衰減更慢。

圖4 不同鋼筋混凝土柱構件的剛度退化曲線Fig.4 Stiffness degradation curve of reinforced concrete column

3 討論

大量研究表明，材料的強度隨著高徑比的增大逐漸減小[14-15]，而相同高徑比試樣的抗壓強度隨著試樣尺寸的增大而不斷增大[16]。隨著鋼筋混凝土柱尺寸的不斷增大，其塑性變形能力也持續增大，但考慮到主體本身尺寸的原因，因此需要進行歸一化處理。在歸一化處理過程中，通過引入位移角與承載應力比參數分別對位移與應力進行表征，其計算方法為：

式中，θ為位移角，Δl為水平位移（mm），h為混凝土構件高度(mm)，P為承載力(MPa)，Fc為混凝土抗壓強度（MPa）。

3.1 尺寸效應

歸一化后承載應力比-位移角曲線如圖5所示，由圖可知，尺寸效應造成鋼筋混凝土構件的承載能力呈現出下降趨勢。對于未加固與CFRP加固的鋼筋混凝土構件，大尺寸構件的歸一化承載能力均低于小構件與中構件，以未加固的鋼筋混凝土構件為例，小、中、大構件最大承載應力比分別為0.111、0.109及0.073，大構件的承載力相對小、中構件分別下降34.23%、33.03%。由此可見，在高徑比相同條件下，盡管鋼筋混凝土構件的承載能力不斷提高，但其歸一化后的承載能力降低。對于不同尺寸的鋼筋混凝土構件，尺寸越大，塑性變形能力越強，其歸一化后用于表征變形能力的位移角最大值也越大。

圖5 鋼筋混凝土構件抗應力比-位移角關系Fig.5 Relationship between stress ratio and displacement angle of reinforced concrete members

3.2 CFRP材料加固效果

根據鋼筋混凝土柱構件的滯回曲線可知，CFRP復合材料加固的構件的滯回環更加飽滿，其對地震能量吸收能力更強。由表2可知，CFRP材料加固后的鋼筋混凝土柱的承載能力并未產生加強，不同尺寸下構件的屈服荷載與峰值荷載均比較接近；但是，由于加固后的鋼筋混凝土柱表面有CFRP復合材料的包裹，因此混凝土柱的側向變形得到了束縛，因此加固后的鋼筋混凝土柱的變形能力產生了明顯的提高，其在屈服點、峰值點及最終破壞點的變形均遠大于未加固材料。相較于未加固的鋼筋混凝土柱構件，不同尺寸的CFRP加固鋼筋混凝土柱的最大位移相對分別提高33.56%、7.09%、21.78%，延性系數分別相對提高20.85%、31.24%、35.35%。

表2 鋼筋混凝土構件力學參數指標Table 2 Mechanical parameters of reinforced concrete members

考慮到尺寸效應，對最大位移與最大荷載參數進行歸一化，得到歸一化曲線如圖6所示，由圖6可知，不同尺寸的鋼筋混凝土柱的最大應力比相近，小構件與中構件強度接近；加固后的鋼筋混凝土柱變形能力遠高于未加固鋼筋混凝土柱，提升幅度在36.25%～124.07%之間，且中構件與大構件的變形能力接近。

圖6 不同鋼筋混凝土柱強度與變形歸一化曲線Fig.6 Normalized curves of strength and deformation of different reinforced concrete columns

4 結論

為研究CFRP加固的鋼筋混凝土柱結構抗震性能，室內展開了不同尺寸的未加固、CFRP加固的鋼筋混凝土的分級增量加載振動試驗，得出主要結論如下。

（1）鋼筋混凝土柱具有較強的塑性變形能力，其滯回曲線整體明顯呈“弓”形，能夠較好地吸收地震荷載產生的能量，抗震性能較好。CFRP加固鋼筋混凝土柱構件在反復加載過程中吸收地震能量的能力更強，其滯回曲線的滯回環更加飽滿。

（2）振動荷載作用下，鋼筋混凝土柱構件的相對剛度隨著粘性系數的增大而不斷降低但降低速度逐漸變慢，相對剛度與粘性系數之間成負指數函數關系，線性回歸系數R2均高于0.96，二者之間相關性高； CFRP加固鋼筋混凝土柱的剛度衰減較慢，變形能力更好。

（3）受CFRP復合材料的束縛作用，加固后的鋼筋混凝土柱構件的變形能力產生明顯的提升，相較于未加固的鋼筋混凝土柱構件，不同尺寸的CFRP加固鋼筋混凝土柱的最大位移相對分別提高33.56%、7.09%、21.78%，延性系數分別相對提高20.85%、31.24%、35.35%。

（4）隨著鋼筋混凝土的尺寸增大，其歸一化承載能力逐漸下降，歸一化變形能力逐漸增強。小、中構件的歸一化承載能力相對較接近，大構件的承載能力較差；中、大尺寸構件的變形能力接近，小構件的變形能力較差。