反复荷载作用下复合加固损伤混凝土柱性能的试验研究

王新玲， 李 静， 牛学娇

(1.郑州大学 土木工程学院 河南 郑州 450001; 2.河南工程学院 土木工程系 河南 郑州450003)

0 引言

采用碳纤维增强复合材料(CFRP)布或钢板加固混凝土框架结构的研究已趋成熟，也得到了较广泛的应用.单一材料加固混凝土结构存在其局限性，用碳纤维材料横向围裹约束混凝土柱时承载力提高程度较小，但可以显著约束混凝土柱的横向变形及提高其延性[1-2]，用外包角钢加固混凝土柱可以显著地提高其承载力，但对柱横向变形的约束能力却较低[3]，且钢板加固混凝土框架结构，通常需要沿柱高和梁跨度进行全部加固，造价高且工期较长.因此，近年来，CFRP布和钢板(角钢)复合加固混凝土结构的技术逐渐得以应用.国内外学者已对钢板和CFRP布复合加固混凝土柱及节点的方法进行研究[4-7]，其中，CFRP布横向缠绕加固混凝土柱及节点，钢板仅需要在柱端及节点进行加固，试验结果表明，CFRP布约束应力限制了混凝土的横向变形，端部角钢提高了柱的承载力，即使柱的承载力和延性大幅度提高，对复合加固柱的破坏也更具有可预测性.目前的研究主要针对未发生明显损伤的混凝土柱，而针对损伤钢筋混凝土框架柱，采用CFRP布和角钢复合加固的研究尚未见报道.作者对CFRP布和角钢复合加固损伤钢筋混凝土柱进行了反复荷载作用下的试验及加固柱性能的研究.

1 试验概况

1.1 试件概况

损伤的钢筋混凝土柱试件为文献[8]中的截面及配筋相同的2榀钢筋混凝土框架，在水平低周反复荷载作用下试验至最大承载力，卸载后，将2榀框架梁从柱顶切掉，成为3根柱底严重损伤的钢筋混凝土悬臂柱.采用以下加固方法：首先对柱沿高度方向进行CFRP布箍加固(3个构件相同，CFRP布宽度为100 mm)，为了使已形成塑性铰的柱底重新成为固定端，在柱底采用反贴角钢进行加固，并用螺栓连接和结构胶黏结.角钢采用3 mm厚钢板焊接而成，为防止钢板过早屈曲，在角钢的直角处加腋，如图1和表1所示，其中，L1和L2均为加固角钢的长度，柱子的截面尺寸为170 mm×120 mm，混凝土强度为C30，柱顶缠绕的CFRP布是为防止加荷点混凝土局部压碎.加固用钢板、CFRP布及结构胶的力学性能[9]见表2.

表1各试件加固角钢尺寸表

Tab.1The sizes of the strengthened angle steel mm

JZD-XL1L2tJZD-A2002003JZD-B2003003JZD-C2564003

注：JZD-X中的“X”为柱子的编号.

表2钢板、CFRP布及结构胶的力学性能

Tab.2Mechanical properties of steel, CFRP sheet and structural adhesive MPa

项目屈服强度极限强度抗压强度抗剪强度钢板320400CFRP布3200结构胶70.319.4

1.2 试验装置及方案设计

1.2.1模拟地震作用试验加载装置 采用如图2所示的液压伺服加载装置，试件通过卧梁用地槽螺栓固定在台座上.水平荷载由水平伺服作动器，通过水平反力墙提供作用于试件，水平伺服作动器通过在柱端设置的拉杆和压梁与柱相连接.其中，压梁通过半球铰与柱端连接，从而形成铰接点.竖向荷载通过液压千斤顶施加11.85 kN的力，并保持不变.

图1 JZD-X加固图Fig.1 The figure of reinforced JZD-X

图2 试验加载图Fig.2 The figure of loading equipment

1.2.2试验加载制度 采用力-位移混合控制加载方法[10]，将柱底加固的钢板上最大应变达到屈服或CFRP布最大拉应变达到极限拉应变对应的荷载为屈服荷载.屈服前，每级水平荷载下反复2次；屈服后，以Δy的倍数为加载等级，每一级荷载下反复3次，直至试件破坏或水平荷载大幅度下降至最大荷载的85%以下，停止试验.其试验现象及分析见文献[9].

2 复合加固损伤混凝土柱的性能分析

2.1 加固柱延性分析

表3列出了加固柱的屈服位移、极限位移和延性系数，其中JZD-C的延性系数最大，3根柱随着角钢肢长的增加，极限位移和延性系数逐步增大.

表3 加固柱的位移及延性系数Tab.3 Displacement and ductility of strengthened columns

2.2 加固柱刚度衰减分析

在水平低周反复荷载试验中，当保持相同的峰值荷载时，峰值位移往往随循环次数的增加而增加，这种现象称为刚度退化.它反映了结构累积损伤的影响，是结构动力性能的重要特点之一.

试验构件的刚度退化可以取同一级变形下的环线刚度来计算，公式如下：

(1)

将各柱在不同延性系数下的环向刚度与延性系数为1时的环向刚度相比，即n=Kj/K1(j=1,2,3)，其曲线如图3所示，可以看出，各试件随着荷载和位移的增大，环向刚度逐渐降低，而且刚度退化均匀，未出现刚度突然下降的现象，而是发生较大的位移，可给人们明显的警示.

图3 加固柱刚度变化曲线Fig.3 The stiffness change curve of strengthened columns

2.3 加固柱承载力退化性能分析

承载力退化是指在循环往复荷载作用下，当保持峰值位移恒定不变时，经常出现峰值荷载随循环次数增加而降低的现象.它反映了结构累积损伤的影响，是结构抗震性能的重要组成部分.

承载力退化可以用承载力降低系数计算，公式如下：

(2)

依式(2)计算各柱在不同延性系数下的承载力降低系数，并将各延性系数下的承载力降低系数关系曲线绘于图4.由图可见,复合加固的试件在反复荷载下几乎没有承载力下降的现象,说明复合加固的试件抵抗反复荷载的能力较强.

图4 加固柱承载力降低系数曲线Fig.4 The capacity reduction curve of strengthened columns

3 加固材料的性能分析

3.1 CFRP布箍的滞回曲线分析

图5为加固柱JZD-A的CFRP布箍的滞回曲线，可以看出，无论是推拉荷载，CFRP布箍均处于受拉状态.说明在竖向荷载和水平荷载的作用下，混凝土发生横向膨胀，CFRP布箍限制了混凝土的横向膨胀，增大了其变形能力，提高了柱的抗震性能.其中，图5(a)为紧贴角钢顶部CFRP布箍的滞回曲线，该处弯矩相对较大，所以其微应变最大，达到800 με；图5(b)为柱最上端的CFRP布箍的滞回曲线，对应弯矩最小，其应变最小，仅达到250 με；图5(c)为图5(a)和图5(b)之间的CFRP布箍的滞回曲线，其应变介于最大和最小之间，为350 με.但图5(a)中CFRP布箍最大应变值较图5(b)中最大应变值的增加量550 με，远远大于图5(c)和图5(b)之间的差值100 με，说明在角钢顶端试件刚度突变，故此截面出现应力集中现象，使CFRP布箍应变大幅度增加.

图5 JZD-A的CFRP布箍的滞回曲线Fig.5 The hysteresis curve of CFRP for JZD-A

3.2 加固柱钢板的滞回曲线分析

(1)竖向钢板的滞回曲线

图6为JZD-B竖向钢板的滞回曲线，其中，图6(a)、(b)分别为两侧钢板底部对应的测点，可以看出，底部测点的滞回曲线应变很大，均超过钢板的屈服应变1 600 με，同时滞回环面积也较大，表明此处钢板承担的应力较大，可充分发挥其强度.而图6(c)、(d)分别为两侧钢板上部对应的测点，同样可以看出，上部测点应变较小，均小于600 με，滞回曲线面积也较小，说明此处钢板均未达到屈服，未充分发挥其强度.综合分析说明，角钢加固钢筋混凝土框架柱时，距离柱端部越来越远的位置的竖向钢板发挥的作用大幅度减小，所以沿柱高均加固钢板的方法，柱中间大部分钢板不能充分发挥作用，会造成一定的浪费.

图6 JZD-B竖向钢板的滞回曲线Fig.6 The hysteresis curve of vertical steel for JZD-B

(2)水平钢板的滞回曲线

图7为JZD-C水平钢板的滞回曲线，其中图7(a)、(c)为左侧钢板的滞回曲线，图7(a)为两锚栓之间的测点，钢板应变较小，仅达到250 με，即受力较小；图7(c)为锚栓一侧测点且比图7(a)测点靠近竖向钢板，滞回曲线位于二、四象限，压应变明显大于拉应变，滞回曲线较饱满，钢板应变大大超过了受压屈服应变-1 600 με，出现压曲情况，和试验现象一致[9].图7(b)、(d)为右侧钢板的滞回曲线，图7(b)、(d)均为锚栓两侧的测点，其滞回曲线位于一、三象限，压应变大于拉应变，在接近极限荷载时，滞回曲线偏向荷载轴，最大压应变接近屈服，滞回曲线较饱满.由此说明，柱底水平钢板在柱达到极限承载力时，均为压曲破坏，这和试验现象(水平钢板屈曲)一致[9].

图7 JZD-C水平钢板的滞回曲线Fig.7 The hysteresis curve of horizontal steel for JZD-C

4 结论

1)加固角钢肢长越长，复合加固柱延性系数越大；复合加固柱在水平反复荷载作用下刚度衰减均匀；同级荷载下，承载力降低很小.

2)加固CFRP布箍起到了约束混凝土柱横向膨胀的作用，且弯矩越大，发挥作用越大，但均未达到极限拉应变.

3)加固竖向钢板的底部滞回曲线最饱满、应变最大，均达到钢板屈服应变，距离柱底部位置越远，钢板应变越小，说明钢板沿柱高全截面加固柱并不经济.

4)加固水平钢板的压应变大于拉应变而达到钢板的屈服应变，表明水平钢板均发生压曲破坏，和试验结果一致.

5)即使已经严重损伤的混凝土柱通过CFRP布和角钢复合加固，亦可具有较好的抗震能力.

参考文献：

[1] Saadatmanesh H,Ehsani M R,Li M W.Strength and ductility of concrete columns externally reinforced with fiber composite straps[J]. Structural Journal,1994,91(4):434-447.

[2] Pantelides C P,Gergely J,Reaveley L D,et al.Retrofit of RC bridge pier with CFRP advanced composites[J].Journal of Structural Engineering,1999,125(10):1094-1099.

[3] 刘匀,张林绪,姜维山,等.外包钢新材料灌浆加固钢筋混凝土柱的研究与实践[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版,1997,29(4):68-71.

[4] Sheikh S A,Yau G. Seismic behavior of concrete columns confined with steel and fiber-reinforced polymers[J]. Structural Journal, 2002,99(1):72-80.

[5] 陈少雄.CFRP布和角钢复合加固钢筋混凝土柱抗震性能研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[6] 卢亦焱，史健勇，赵国藩.碳纤维布和角钢复合加固轴心受压混凝土柱的试验研究[J].建筑结构学报，2003，24(5):18-23.

[7] 王步,夏春红,王溥，等.碳纤维布-角钢组合加固混凝土框架节点抗震性能试验研究[J].施工技术，2006,35(4):74-78.

[8] 吕林．CFRP加固震后严重损伤混凝土框架的抗震试验研究[D]．郑州：郑州大学，2009.

[9] 王新玲，牛学娇，黄小许. CFRP和角钢共同加固损伤钢筋混凝土柱的抗震试验分析[J]. 建筑结构，2010，40(S2):376-379.

[10] 中国建筑科学研究院.JGJ101—96建筑抗震试验方法规程[S].北京：中国建筑工业出版社,1997.