HDPF加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

孙传智+乔燕+王振波+左工

摘要：为了研究高延性聚酯纤维加固钢筋混凝土柱的抗震性能，共进行了7根柱的低周反复试验，其中，3根在未加固状态下进行试验，4根柱粘贴高延性聚酯纤维加固后进行试验，针对位移延性系数、等效粘滞阻尼系数、总耗能、承载力和纤维带的应变进行了研究与分析。研究结果表明：未加固柱的承载力、耗能能力和延性都比较低，采用高延性聚酯纤维加固后的试件裂缝发展缓慢，加固后柱的承载能力、耗能能力、延性均有不同程度地提高；在塑性铰区域内增加局部配筋，能够提高纤维布的约束效果。

关键词：聚酯纤维；钢筋混凝土柱；加固；抗震性能

中图分类号：TU375.1文献标志码：A文章编号：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

中国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）在强度设计的同时还引入了延性设计概念。延性差的结构，后期变形能力差，从而导致结构发生脆性破坏。因此，在抗震加固设计中，应该保证结构具有较大变形能力，在地震作用下吸收较多能量，而不发生倒塌破坏。目前，在结构抗震加固领域，常见的纤维增强复合材料（包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维）由于重量轻、抗拉强度高、耐久性好和易于施工等优点，得到了广泛应用[15]。但是，一个值得注意的问题是：FRP材料，特别是碳纤维，直到破坏都基本表现为线弹性，延伸率较小，从而导致约束混凝土产生脆性破坏[1]。

高延性聚酯纤维加固是一种利用聚氨基甲酸酯胶粘贴高延性聚酯增强材料（High Ductility Polyester Fiber，简称HDPF）的加固技术[6] 。学者Kabeyasawa等[79] 、Kim等[10]、Kono等[11]利用該技术进行了加固混凝土剪力墙和框架了研究。目前，中国学者对该技术研究较少 [1214]，乔燕等[15]、左工等[16]进行了高延性聚酯纤维加固钢筋混凝土柱的轴心受压和偏心受压试验，主要针对加固形式、加固间距、长细比和混凝土强度等因素对钢筋混凝土柱力学性能的影响，并进行了公式推导。

本文进行了高延性聚酯纤维加固钢筋混凝土方柱的构件设计和低周反复试验，分析了高延性聚酯纤维对钢筋混凝土方柱滞回曲线、延性、耗能、刚度和承载力的影响。

1试验概况

1.1试件设计

试件截面尺寸为b×h=200 mm×200 mm，柱长为1 000 mm，采用C30混凝土，共3组7根，对称配筋，剪跨比均为3.575。ZⅠ组纵筋选用4根直径为14 mm的HRB400螺纹钢，配筋率为1.54%。ZⅡ组在柱边中间增加4根直径为14 mm的HRB400螺纹钢，长度为15 cm，其余部分同ZⅠ组。ZⅢ组配筋率同ZⅡ组，柱边中间钢筋长度取为30 cm。箍筋选用HPB300圆钢，直径为8 mm，间距为50 mm，配箍率为1%。采用横向包裹形式进行加固。试件尺寸及加固形式如图1所示，试件参数如表1所示。通过试验测得原材料的材料性能，HPB300钢筋弹性模量为210 GPa，屈服强度为336 MPa，极限强度为440 MPa；HRB400钢筋弹性模量为200 GPa，屈服强度为465 MPa，极限强度为597 MPa；聚酯纤维带弹性模量为6.25 GPa，断裂强度为600 MPa。

1.2试验加载及数据采集

为了研究地震作用下的HDPF加固柱抗震性能，试验采用低周反复试验。试验在宿迁学院建筑工程系结构实验室进行。水平荷载采用MTS电液伺服加载系统进行加载；轴压比均为0.2，竖向荷载采用JSKFⅣ/31.55型高精度、高稳定计算机全数字伺服液压控制台提供，千斤顶可提供最大竖向力为1 000 kN，动态精度为2%，静态精度为0.5%，千斤顶的头部连接处为球铰连接系统。同时为了保证所施加的轴向力能始终竖向作用于柱头处，在液压千斤顶与横梁之间添加滑动小车。使得柱头发生水平位移时，竖向千斤顶能始终与水平方向垂直。加载示意图如图2所示。

为了研究柱进行加固后纤维带的应力发展情况，在ZⅠ组加固柱的受力正面与受力侧面距柱底25、125、225 mm处纤维带表面粘贴了应变片，如图3所示，在ZⅡ、ZⅢ组加固柱的受力正面与受力侧面距柱底275、375、475 mm处纤维带表面粘贴应变片。为了研究纵向钢筋应力发展情况，在距各柱脚根部5、15和25 cm处的纵向钢筋上粘贴应变片。

加载制度根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）的规定。首先按照设定的轴压比施加恒定的轴向力，一次将竖向荷载施加到位并保持 30 min。水平加载时，在钢筋未屈服时，控制荷载每级10 kN，钢筋达到屈服位移Δ后，由位移控制加载，当水平荷载最大值降至峰值荷载的85%时，认为试件已经发生破坏，停止加载。

试验荷载位移值由MTS系统数据采集系统采集；位移量测采用LWH0100位移传感器，量程为±100 mm，分辨率高于0.01 mm；应变值采用DH3816N静态应变测试分析系统进行采集。

2试验现象与试验结果分析

2.1破坏形态

ZⅠ1柱为未加固试件。当水平荷载加载至44.17 kN时，钢筋屈服，柱脚侧面主裂缝较大，同时正面出现3条细微裂缝，钢筋屈服，改为位移加载。位移加载42 mm时，柱脚压碎明显，同时正面裂缝向上发展至离柱底面28 cm，此时已达到极限荷载，但为了深入研究柱抗震性能，模拟柱在地震中的受力情况，继续进行试验。位移加载49 mm时，柱脚处不再有新的裂缝开展，混凝土开始出现松动、脱落的情况，柱受力正面混凝土开裂明显，露出钢筋，在位移加载60 mm后半个周期混凝土开始大量脱落，荷载突然减小，位移急剧增大，MTS的位移限控装置启动，试验自动停止，柱的破坏形式为弯剪破坏，破坏形态如图4所示。

ZⅠ2柱为一层HDPF条带加固试件。荷载控制24.8 kN时，在下部纤维带上发现胶的折痕，如图5所示，当荷载为45.60 kN时，钢筋开始屈服，改为位移加载。当位移加载达到21 mm时，柱侧面的HDPF纤维带由于受压而鼓起，说明纤维带与混凝土之间发生分离现象。当位移加载达到49 mm时，HDPF纤维带起鼓较大。位移加载54 mm时，试件弯曲破坏。

3柱为两层HDPF条带加固试件。其破坏与ZⅠ2类似，最终的破坏都发生在柱底角处，最后因为加固带与混凝土之间裂缝太大而破坏。但ZⅠ3的柱底角处的裂缝开展更明显，如图6所示，在柱的受力正面形成裂缝后慢慢发展直至贯通。在后面的循环中随着柱顶位移的增加慢慢的向柱侧面发展形成环形裂缝。循环次数增加，柱顶的极限位移较ZⅠ2增大明显。在现象上表现为ZⅠ3的裂缝在柱底角处得到更深入的发展，裂缝的宽度大于ZⅠ2。在柱的受压侧没有发现明显的被压起鼓现象，但结构胶有泛白现象，位移加载63 mm，试件发生弯曲破坏。

ZⅡ1柱为塑性铰15 cm区域内增加纵向钢筋，未加固试件。在力控制的阶段与柱ZⅠ1相似，开裂荷载大小相近。但位移加载阶段，裂缝出现高度上移。荷载加载21.08 kN时，柱底角正面上部12 cm处出现裂缝， 荷载加载47.20 kN时，钢筋屈服，改为位移加载。位移加载28 mm时，柱底角正面上部14 cm处出现多条细微裂缝。裂缝围绕着底角15 cm处发展，开裂程度随着每个循环荷载的增大减小而变化。位移加载35 mm时，裂缝发展至柱中，同时柱脚处的混凝土开始起皮掉落。位移加载49 mm时，底部12 cm处的裂缝形成贯通裂缝同时斜向发展至底部30 cm处形成了一条斜裂缝，试件发生弯剪破坏。破坏形态如图7所示。

柱为塑性铰15 cm區域内增加纵向钢筋，采用一层HDPF条带加固试件。荷载加载51.16 kN时，钢筋屈服，改为位移加载。位移加载28 mm，柱脚底部加固带上的结构胶出现泛白。加固柱底部10 cm处的加固带之间有开裂现象，整个过程中伴随着胶水爆裂的声音。位移加载35 mm，声响加剧，柱底上部10 cm的加固带开裂增大并形成裂缝，如图8所示。位移加载36 mm，加固柱底部10 cm处的裂缝宽度增大至0.3 cm，同时在柱底上部5 cm处形成新的裂缝，位移加载63 mm，出现了贯通形环型裂缝，试件发生弯曲破坏。

ZⅢ1柱为塑性铰30 cm区域内增加纵向钢筋，未加固试件。在力控制的阶段与柱ZⅠ1、ZⅡ1相似，开裂荷载大小也相近，但位移控制阶段，裂缝出现高度上移。位移加载18 mm时，裂缝发展明显，从柱侧面底部15、35、55 cm处有3条斜裂缝形成，当水平荷载由推改为拉力时，在柱的另一侧也形成了对应的3条裂缝。位移加载42 mm时，试件发生弯剪破坏，3条斜裂缝相交，同时柱的正面在柱底15 cm左右混凝土有轻微压碎。破坏形态如图9所示。

2柱为塑性铰30 cm区域内增加纵向钢筋，采用一层HDPF条带加固试件。在荷载加载20.1 kN时出现胶的破坏声，此时荷载与混凝土开裂荷载相近。荷载加载39.8 kN时，钢筋屈服。位移加载18 mm时，柱底高30 cm处的纤维加固带的结构胶开始产生爆裂现象，随着后面每个循环中位移的增加，在30 cm处产生裂缝，裂缝由正面向侧面开展，位移加载54 mm循环阶段，试件发生弯曲破坏，侧面纤维带鼓起，如图10所示。

从上述试件破坏过程可以看出：利用HDPF加固后的柱子在混凝土破坏后，荷载下降比较缓慢，而变形较大，这一破坏过程具有先兆且较缓慢，未加固柱在混凝土破坏后，水平荷载下降速率较大。

2.2荷载位移滞回曲线分析

荷载位移滞回曲线记录了试件在低周反复荷载作用下从加载至破坏的全过程，反映了构件的抗震性能。图11为各个未加固试件的滞回曲线。图12为各个加固后试件的滞回曲线。

对各组未加固试件进行横向对比可以发现： ZⅡ1柱和ZⅢ1的曲线较ZⅠ1柱的曲线更为饱满，延性更好，说明增加塑性铰区域内的配筋率对柱的抗震性能提高有一定作用。

对各组试件内部的加固柱与未加固柱对比可以发现：1）加固柱的滞回曲线形态呈梭形，形状非常饱满。说明加固柱的塑性变形能力很强，具有很好的延性和耗能性能。2）通过分析ZⅠ组的3根柱可以发现，两层纤维加固柱的耗能性能较一层加固柱提高显著，说明纤维加固带的层数增加对抗震性能的提高起到很大作用。

对各组加固试件进行横向比较可以发现：随着塑性铰内加固纵筋高度的长度增长，承载力与延性增加明显，说明提高塑性铰区域内的钢筋配筋率使得破坏截面上升，纤维带更能发挥其加固效果。

2.3骨架曲线

骨架曲线反映构件在各个不同阶段的受力与变形特性，也是确定恢复力模型中特征点的重要依据[17]。各试件的骨架曲线如图13所示，通过对各试件骨架曲线的对比分析可以发现：1）3组柱中采用HDPF加固后的柱峰值荷载和极限荷载都在未加固柱的外围，说明采用HDPF加固后的柱顶发生相同位移时，荷载值都要大于未加固柱；2）未加固柱与加固柱在加载初期曲线重合度较高，同时斜率较大。随着位移的增加，加固柱与未加固柱在同一循环中能达到峰值荷载。但在后面的下降区段中，未加固柱下降曲线明显。其中柱ZⅠ1在达到最后一个循环时，位移突然增大失去承载作用，发生脆性破坏。通过此过程可以分析出：纤维布在加载过程初期对柱的承载力提高作出一定贡献，但承载力提高不明显。在承载力达到峰值荷载的下降区段中，随着位移的增大，纤维布起到的作用增大；3）加固柱的曲线在荷载下降区段表现的更为平缓，加固柱随着位移的增加有一定的持载现象，ZⅠ3柱表现最明显。总的来说，加固柱的抗震性能要优于未加固柱，延性更好。

2.4延性分析

延性指标有曲率延性系数、位移延性系数、能量延性系数，本文采用的延性指标为位移延性系数。位移延性系数μ的计算式为μ=Δu1Δy（1）式中：Δu表示试件的极限位移；Δu为最大承载力下降15%时所对应的位移值；Δy表示试件的屈服位移，屈服位移Δy为第一根钢筋受拉屈服时对应的位移值。位移延性系数中的取值为正负两个方向的平均值。

分析表2可以得到以下结论：1）ZⅠ组中一层加固柱相对于对比柱的位移延性系数提高49.05%，两层纤维加固柱相对于对比柱的提高101.21%。ZⅡ2柱的位移延性系数相比ZⅡ1柱提高76.67%。ZⅢ2柱的位移延性系数相比ZⅢ1柱提高5202%。可以看出，加固柱的位移延性系数较未加固柱的都有较大的提高，再结合骨架曲线的趋势可以知道，加固柱的荷载在下降区段更加缓慢，延性更好；2）通过ZⅠ1、ZⅡ1、ZⅢ1三组试件中未加固柱的位移延性系数分别为3.16、3.07、4.10。从ZⅠ1、ZⅡ2的结果可以看出，虽然在柱ZⅡ2的底部15 cm内进行了纵向钢筋的加强配筋但由于加固的高度不够，破坏都发生在柱底部。柱ZⅢ1的位移延性系数较前面两组试件有了较大的提高，说明增加縱向钢筋的增加，使得构件延性较好；3）ZⅠ2、ZⅡ2相对于各组未加固柱位移延性系数提高4905%、76.67%。说明ZⅡ2中纤维加固带在延性方面的贡献大于在ZⅠ2中的贡献。

2.5耗能分析

2.5.1等效粘滞阻尼系数试件的能量耗散能力大小是衡量抗震性能优劣的重要指标。计算等效粘滞阻尼系数的图形见图14，具体计算式如式（2）。he=112πSFAE+SECG1S△AOB+S△COD（2）式中：SFAE、SECG为滞回曲线与X轴所包围的面积；S△AOB、S△COD为△AOB、△COD的面积。

值越大，则说明结构的耗能能力越大，结构消耗的地震能量越多。根据试件破坏前的滞回环，可计算得到等效阻尼系数，如图15所示。从图15可以看出，采用HDPF加固的柱等效粘滞阻尼系数都大于0.3，未采用HDPF加固的柱都小于0.3，说明钢筋混凝土柱采用HDPF加固后，试件的能量耗散能力大大增加，抵御地震能力较强。

2.5.2总耗能等效粘滞阻尼系数只是对结构屈服之后每个滞回环内的耗能情况的反映，不能反映试件破坏前后的总的耗能能力。结构构件的总耗能是指结构构件从加载到破坏各个阶段（包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段以及下降阶段）所耗散的能量的总和，如式（3）所示。Es=n1i=1SABCDEA（3）式中：S表示每一滞回环的面积。总耗能表示柱在水平荷载低周反复试验中吸收能量的大小，与位移延性系数先比较，总耗能是力与位移的一个综合反映，更能代表柱的抗震性能。利用式（3）可得到每个构件的总耗能，如图16所示，由图16看可以看出，加固柱总耗能相对于未加固柱均有很大幅度的提高，说明利用高延性聚酯纤维加固来提高柱的抗震性能非常有效。同时可以发现存在以下规律：ZⅠ2与ZⅠ3相对于ZⅠ1的提高幅度为73.4%和1582%，说明随着纤维带层数的增加，总耗能提高显著，两层加固的形式比粘贴一层的好。在塑性铰内提高配筋的ZⅡ2、ZⅢ2相对于未加固柱提高82.23%、86.88%，提高幅度要大于ZⅠ2，说明在塑性铰区域内提高配筋率，同时加长纵向钢筋的长度，能提高纤维布的使用效率，使得柱的抗震性能提高幅度较大。

2.6水平承载力分析

在试验时，柱在拉、推两个方向的力及位移值不相等，所以在计算屈服荷载和极限荷载时，取两个方向的平均值。试件水平承载力试验结果如图17所示。从图17可以看出，各组相对于对比柱来看，在塑性铰未进行钢筋加固的ZⅠ试件中，一层与两层纤维带的提高分别为6.22%、8.77%，说明纤维带的加固层数对正截面承载力的提高影响不大； ZⅡ2、ZⅢ2相比较ZⅡ1、ZⅢ1提高程度为57%、15.8%。总的来看，纤维带加固对于提高构件水平承载力效果不显著。

2.7纖维带和纵向钢筋应变分析

选ZⅠ2（一层HDPF加固）和ZⅢ2柱的各处应变片在位移控制阶段中每个周期的发展趋势进行分析，各加固柱的纤维带应变如图18所示；ZⅠ2 、ZⅡ2和ZⅢ2柱纵向钢筋150和250 mm处受拉应变如图19所示。

从图18可以看出，ZⅠ2柱正面处的纤维带应变发展较侧面处的应变发展要充分，纤维带的最大应变发生在柱脚正面处，达到14 000 με左右，说明在正面柱脚处的纤维布约束作用发挥较大，同时，也验证了ZⅠ2柱试验过程中该试件是柱正面横向裂缝发展到足够宽度而破坏；而ZⅢ2在柱高275～475 mm处的纤维带应变，在柱高275 mm时应变的最大发展达5 000 με。相比未进行纵向钢筋加固的钢筋混凝土柱，ZⅠ2在225 mm高度时的最大应变在500 με，说明经过钢筋加固后塑性铰长度有所增加。

从图19可以看出， ZⅠ2柱距柱脚150 mm处纵向钢筋最大拉应变为1 413 με，而ZⅢ2柱距柱脚150 mm处纵向钢筋最大拉应变为2 111 με，达到了屈服；ZⅠ2柱距柱脚250 mm处纵向钢筋最大拉应变为901 με，而ZⅢ2柱距柱脚250 mm处纵向钢筋最大拉应变为1 708 με，虽然没有屈服，但是，相比较ZⅠ2柱增加了807 με，同样说明经过钢筋加固后塑性铰长度有所增加。

从上述分析可以看出，采用一层HDPF加固的柱，纤维约束效果较两层充分，局部有效利用率较高，但是采用两层HDPF加固的柱，纤维带能产生更有效的约束，使得柱正面裂缝向主侧面开展。在塑性铰区域内增加局部钢筋增加了塑性铰区域的长度，使得较大部分的纤维带能够发挥约束作用。

3结论

通过进行7根钢筋混凝土柱低周反复试验，研究了HDPF加固层数及在塑性铰区域内增加局部纵向钢筋对HDPF加固钢筋混凝土柱抗震性能的影响，得出以下结论：

1） HDPF可以有效提高钢筋混凝土柱的抗震性能，利用HDPF加固的试件，裂缝发展缓慢，变形、总耗能、延性系数都有不同程度的提高，而HDPF对其承载力影响较小。

2） HDPF的层数对加固后的钢筋混凝土柱抗震性能影响较大，随着加固层数的增加，滞回曲线更加饱满，延性更好；而采用一层HDPF纤维带加固的柱，HDPF纤维带约束效果较两层发挥充分。

3） 在柱根上部一定范围内增加局部纵向钢筋配筋率，能够发挥较多纤维带的约束作用，提高纤维布的约束效果，提高了柱的抗震性能。

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（編辑王秀玲）