CFRP加固震损钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

王家磊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063)

0 引言

随时代的不断发展，依据早期规范设计的混凝土结构工程逐渐不适应当前的使用需求，修建已久的结构逐渐开裂并呈现老化现象[1]，既有结构的修复加固已成为工程领域的重要方向。CFRP(碳纤维增强复合材料)由于具有高强度比、良好的耐腐蚀性、不增加结构自重、施工便捷等优点，能够有效提高结构的使用期限，在土木工程加固领域得到了广泛的应用[2-5]。

目前国内外学者已对CFRP加固后钢筋混凝土柱的抗震性能进行了研究。陈俊[6]等研究了CFRP加固震损钢筋混凝土短柱的抗震性能，分析了CFRP加固层数、轴压比对震损钢筋混凝土短柱加固后抗震性能的影响，结果表明采用CFRP加固震损钢筋混凝土短柱可避免脆性破坏，加固后试件具有较好的延性与耗能能力。Ozcan[7]等通过试验分析了修复过程中持续轴向荷载与CFRP圆角半径对钢筋混凝土柱加固效果的影响，结果表明CFRP能够有效提高试件的延性、耗能与抗剪刚度。Elsouri[8]等提出一种将内部钢带与CFRP结合的混凝土柱加固方法，研究证明该方法有效降低了拼接区混凝土的损伤并提高了试件的承载能力与延性。王新玲[9]等通过试验研究分析CFRP布和反贴底部角钢加固方法对震损钢筋混凝土柱抗震性能的影响，结果表明此加固方法能够有效提高震损试件的耗能能力，且角钢肢长增加能有效提高震损试件的承载能力。劳晓杰[10]研究了采用外包CFRP布加固的损伤钢筋混凝土方柱的轴压性能，分析了不同配筋率、CFRP层数以及预损伤水准等因素的影响，基于试验结果提出CFRP约束损伤钢筋混凝土的本构模型。

这些研究成果为实际工程中CFRP加固混凝土结构提供了指导，但尚需要研究CFRP的加固方式对震损钢筋混凝土柱抗震性能的影响规律。本文通过设计并进行不同CFRP加固方式震损钢筋混凝土柱的拟静力试验，分析CFRP加固对震损钢筋混凝土柱抗震性能的恢复程度，并分析不同加固方式对试件抗震性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试件设计与材料力学性能

基于现行设计规范[11-12]，设计并制作了3个钢筋混凝土柱用于开展前期震损试验与加固后试验，3个震损试验试件分别命名为Z1，Z2，Z3。试件Z1，Z2，Z3的几何尺寸、材料参数、配筋等均保持一致，以试件Z1为例(图1)，其柱截面尺寸为400mm×400mm，基础梁截面尺寸为400mm×600mm，柱顶加载梁截面尺寸为400mm×400mm，纵筋采用HRB400级热轧带肋钢筋，截面配筋率为1.86%，箍筋采用HPB235级钢筋，配箍率为1.11%，试件采用的钢筋及钢板的力学性能实测值见表1。试件Z1采用C30混凝土，实测混凝土立方体抗压强度为28.3MPa，试件Z2与试件Z3采用C40混凝土，实测混凝土立方体抗压强度为43.91MPa，混凝土保护层厚度为20mm，所有试件同批次浇筑。

图1 试件尺寸及配筋图

震损试件加固过程中使用的高强灌浆料力学性能测试方法参照混凝土材料，实测灌浆料立方体抗压强度为68.41MPa。用于加固试件的CFRP材料力学性能参数见表2，用于加固的CFRP浸渍胶材料力学性能以及裂缝修补胶材料力学性能分别见表3与表4。

钢材力学性能实测值 表1

CFRP材料力学性能 表2

CFRP浸渍胶材料力学性能 表3

裂缝修补胶材料力学性能 表4

1.2 试件预损和加固方法

试件预损即为模拟遭遇多遇地震作用下框架柱的震损，试验中，通过对框架柱试件预先进行低周反复预损加载来实现[13]。对各试件先进行低周反复加载至破坏，模拟地震作用形成预损。各试件卸载后经修复与加固后，再加载至破坏，试件Z1，Z2，Z3加固后分别命名为Z1-R，Z2-R，Z3-R，各试件的加固参数见表5。

试件Z1-R仅使用高强灌浆料修复塑性铰区域裂缝，未采用CFRP加固，该试件为试验对比柱。试件Z2-R在Z1-R加固形式基础上，在柱身距梁柱交界处600mm内横向粘贴两层CFRP套箍进行加固。试件Z3-R在Z2-R加固形式基础上，沿纵向粘贴两层600mm长CFRP，其底部延伸至底部梁作端部锚固，并使用槽形钢板进行锚固，然后在柱底部横向粘贴两层CFRP进行加固。试件Z2-R与Z3-R的加固示意图如图2所示。为便于说明，分别将试件Z1-R，Z2-R，Z3-R的加固方式命名为方式1、方式2、方式3。

预损试件加固参数 表5

图2 试件Z2-R与Z3-R加固示意图

1.3 加载制度和装置

试件基础梁通过高强螺栓与地面刚性锚固。试验开展时，竖向荷载通过2个100t液压千斤顶施加在柱顶，设计轴压比为0.2，在试件Z1顶施加400kN竖向荷载，在试件Z2与Z3顶施加560kN竖向荷载。试件顶部低周反复水平荷载由电液伺服作动器施加，试验加载装置与加载现场如图3所示。

图3 试验加载装置和加载现场

本试验中试件预损阶段与加固后两阶段均采用力-位移控制方法[14]，柱端加载在纵筋屈服前采用荷载控制，每级循环1次，确定试件的屈服位移Δy；试件屈服后采用位移控制，每级增加1Δy，每级循环3次，当试件的水平承载力下降至峰值荷载的85%以下或试件出现明显破坏特征时，停止试验，试验加载制度如图4所示。

图4 试验加载制度

加固后对各试件首先施加竖向荷载，检查各仪表是否正常工作，后进入水平加载阶段。为便于描述，规定作动器加载方向拉为正，推为负。

2 加固后试件加载现象及破坏形态

试件Z1-R使用方式1进行加固，即使用高强灌浆料修补裂缝后加载至破坏。在加载初期，试件Z1-R处于弹性阶段，残余变形较小，当负向水平加载至60kN时，柱右侧根部距底部地基梁100mm处出现初始裂缝；当负向加载至80kN时，柱脚右侧两根钢筋受拉屈服，此时加载由力控制转为位移控制，试件Z1-R屈服位移Δy=12mm。当位移加载至1Δy第2循环时，距柱脚200mm截面出现一条沿45°斜向下发展的裂缝，随着位移的不断增大，原有裂缝不断延伸贯通；当位移加载至5Δy时，柱脚出现较多竖向裂缝，受压区灌浆料开始压碎，混凝土大面积剥落，柱脚箍筋、主筋外露；当位移加载至7Δy第2循环时，加固区域混凝土灌浆料严重压溃，钢筋压屈并出现较大外鼓变形，试件的承载力下降至峰值荷载的85%以下，停止加载，试件最终呈现弯曲型破坏。试件Z1-R破坏形态及破坏时裂缝分布如图5所示。

图5 试件Z1-R破坏形态及破坏时裂缝分布

试件Z2-R使用方式2进行加固，即经高强灌浆料修补裂缝后，在距柱脚600mm内横向粘贴两层CFRP套箍。在加载初期，试件Z2-R处于弹性状态，残余变形较小，当水平加载至90kN时，柱脚出现水平初始裂缝；当水平加载至120kN时，柱脚受拉钢筋屈服，在CFRP包裹范围内敲击未发现有空洞声，CFRP上也无裂缝产生，此时加载由力控制转为位移控制，试件Z2-R屈服位移Δy=14mm。当位移加载至1Δy第3循环时，柱左侧距柱底7cm处拐角处CFRP出现第一条裂缝并向两侧面延伸；当位移加载至3Δy时，柱左侧距柱底6cm处CFRP受压鼓曲，敲击有空洞声；当位移加载至4Δy时，柱右侧距柱底35cm处，即CFRP与混凝土交界处，CFRP压屈鼓曲，敲击伴随空洞声，当加载位移继续增大，柱4个侧面出现多条水平裂缝，柱脚部分CFRP由于鼓曲严重被撑裂，裂缝宽度3mm左右；当位移加载至8Δy第3循环时，柱脚地梁裂缝溢出大量灌浆料碎末，试件承载力下降至峰值荷载的85%以下，停止加载，试件最终呈现弯曲型破坏。试件Z2-R破坏形态及破坏时裂缝分布如图6所示。

图6 试件Z2-R破坏形态及破坏时裂缝分布

试件Z3-R采用方式3进行加固，即经高强灌浆料修补裂缝后，在距柱脚600mm内横向粘贴两层CFRP套箍，并沿纵向粘贴两层CFRP，其底部延伸至底部梁作端部锚固，然后横向粘贴两层CFRP加固。在加载初期，试件Z3-R处于弹性状态，残余变形较小，当水平加载至100kN时，柱脚出现第一条裂缝；当水平加载至140kN时，柱脚受拉钢筋屈服，CFRP上无裂缝产生，此时加载由力控制转移为位移控制。当位移加载至2Δy时，柱右侧距底部14cm拐角处出现第一条CFRP裂缝，并向两侧面延伸；当位移加载至3Δy时，柱左侧面距底部35cm处(即灌浆料与原混凝土交界处)CFRP受压鼓曲；当位移加载至5Δy时，CFRP出现清脆的开裂声，裂缝中外溢出灌浆料碎末；当位移加载至7Δy时，柱脚地梁裂缝中大量灌浆料碎末渗出，承载力下降至峰值荷载的85%以下，停止加载，试件最终呈现弯曲型破坏。试件Z3-R破坏形态及破坏时裂缝分布如图7所示。

图7 试件Z3-R破坏形态及破坏时裂缝分布

试件Z1-R，Z2-R，Z3-R虽然采用了不同的修复加固方式，但在柱顶水平低周反复荷载作用下均呈现弯曲型破坏，采用CFRP加固的试件符合“强剪弱弯”的抗震设计要求。

3 主要试验结果及分析

3.1 滞回曲线分析

试件Z1与Z1-R，Z2与Z2-R，Z3与Z3-R的实测滞回曲线如图8所示，从图中曲线可以看出：

图8 各试件实测滞回曲线

图9 各试件实测骨架曲线

(1)各试件具有部分共同的滞回特征，在水平荷载加载初期，试件处于弹性阶段，试件总体变形较小，卸载后的残余应力也较小，加载时滞回曲线斜率变化较小，正向和反向加卸载循环一周形成的滞回环不明显。弹塑性工作阶段，加载时滞回曲线的斜率随水平加载位移的增大而减小，卸载后的残余变形不断增大。在同一级位移控制加载阶段的3个循环中，后一次循环曲线的斜率和最大荷载均小于前一次循环，试件的承载力和刚度随加载位移增大而不断退化。随水平位移进一步增大，试件进入塑性阶段，位移迅速增大，卸载曲线陡峭，变形恢复较小，位移滞后明显。

(2)试件加固后捏拢现象相对较小，试件出现捏拢现象的原因在于裂缝在闭合过程中不需要外力做功，试件卸载时恢复力有指向原点的趋势，试件加固后灌浆料与环氧树脂的添加提高了柱的抗拉变形能力，减小了裂缝的宽度，从而减小了试件的捏拢现象。

(3)加固后各试件的承载力相对于原框架柱都有所降低，说明试件损伤后，修复加固只能部分恢复损伤，修复后各柱仍存在残余损伤。

(4)加固后各试件的延性均得到不同程度的提高，原因在于高强灌浆料强度高于混凝土，且外包CFRP会使核心区混凝土处于三向受压状态，因此各柱纵向受力钢筋受力性能充分发挥，提高了加固后试件的抗震性能。

3.2 骨架曲线分析

试件Z1与Z1-R，Z2与Z2-R，Z3与Z3-R的实测骨架曲线及对比如图9，10所示，试件在柱恒定轴力和水平反复荷载作用下经历了弹性、弹塑性、屈服和破坏四个阶段，从图中曲线可以看出：

图10 各修复后试件骨架曲线对比

(1)由图9可知，加固后试件Z1-R，Z2-R，Z3-R与试件Z-1，Z-2，Z-3相比，承载能力与刚度有较大的降低，说明采用上述3种方式进行震损柱的加固不能完全恢复结构原有的承载能力与刚度。

(2)由图10对比各加固后试件的骨架曲线可知，加固后试件Z2-R与Z3-R的初始刚度均大于试件Z1-R，说明与仅采用高强灌浆料进行修复相比，采用CFRP加固能够有效提高震损柱的初始刚度，同时试件Z3-R的刚度大于试件Z2-R，说明采用方式3加固与采用方式2加固相比能够更为有效地提高震损柱的刚度。

(3)由图10对比各加固后试件的骨架曲线可知，试件Z2-R的承载力高于试件Z1-R，原因在于采用横向CFRP套箍加固能够使核心区灌浆料处于三向应力状态。试件Z3-R的承载力高于试件Z2-R，原因在于加固方式3在横向粘贴CFRP套箍的基础上再沿纵向粘结CFRP，提高了修复后试件的承载能力。

3.3 延性分析

各试件位移延性使用延性系数Δu度量[15]，延性系数按照式(1)计算：

(1)

式中：Δx为试件屈服时所对应的加载位移；Δy为试件滞回曲线中荷载下降至峰值承载力的85%所对应的加载位移。

各试件加固前后延性系数及耗能指标见表6，由表6可以看出：

(1)加固后试件Z1-R，Z2-R，Z3-R延性系数较加固前试件Z1，Z2，Z3分别提升了15.3%，58.8%，29.6%，说明3种加固方式均能够提升试件的延性。

(2)试件Z2-R与Z3-R延性的提升高于试件Z1-R，说明采用CFRP加固能够更有效地提升试件的变形能力，有利于提高柱的抗震性能。

图11 各试件承载力退化曲线对比

各试件位移延性系数表6

3.4 承载力恢复特性分析

试件的承载力恢复系数βi按式(2)计算：

(2)

式中：Fra为加固后试件峰值承载力平均值；Fura为加固前试件峰值承载力平均值。

各试件加固前后的峰值承载力对比见表7，由表7可以看出：

(1)各试件加固后的承载力能均低于原框架柱，试件Z1-R，Z2-R，Z3-R的承载力恢复程度分别为55.2%，68.3%和60.8%，加固后各试件承载力不能恢复到原有水平。

(2)试件Z2-R，Z3-R的承载力恢复程度高于试件Z1-R，说明采用横向CFRP套箍加固能够有效约束核心区混凝土，提高试件受损后的承载力恢复程度。

各试件峰值承载力对比 表7

3.5 承载力退化分析

承载力退化反映结构的累积损伤，是结构抗震性能的重要指标。本文采用承载力退化系数αi来反映试件在加载过程中的荷载整体退化特征，承载力退化系数αi按式(3)[16]计算：

(3)

式中：Vi为第i次加载循环时对应的峰值荷载；Vmax为试件整个加载过程中所得到的最大荷载。

根据试验得到各试件承载力退化曲线及对比如图11,12所示，由图可知：

(1)随加载位移的增大，各试件的承载力总体呈退化的趋势，这主要是因为试件累积的损伤导致的，宏观表现为试件纵筋的屈服以及塑性铰的产生。

(2)如图11(b)所示，试件Z2-R承载力达到峰值后，随水平位移的增加，承载力表现较为稳定，承载力退化曲线较为平稳，表现出良好的延性，说明在较大侧移条件下，横向CFRP套箍加固对试件起到良好的加固作用。

(3)如图11(c)所示，试件Z3-R达到峰值荷载后承载力不够稳定，主要原因为加载至峰值荷载后，试件Z3-R纵向CFRP受拉撕裂，端部荷载转由纵筋承担，此时纵筋处于二次损伤状态，导致试件承载力退化曲线不稳定。

(4)如图12所示，各试件加载至第27循环时，试件Z1-R，Z2-R，Z3-R的承载力分别下降至峰值承载力的76.2%，96%，88.8%，说明CFRP加固能够有效约束混凝土，延缓试件侧向刚度的降低。

图12 各修复后试件承载力退化曲线对比

图13 各试件刚度退化曲线对比

3.6 刚度退化分析

刚度退化采用不同加载位移下滞回曲线的割线刚度ki表征[17]，ki按照式(4)计算：

(4)

式中：±Fi为第i次循环正、反方向加载时对应的峰值点荷载；±Δi为第i次循环正、反加载时对应的峰值点位移。

根据试验曲线得到的各试件割线刚度ki如图13所示，由图可知：

(1)各试件刚度退化曲线呈倾斜的阶梯状，随加载循环次数的增多，试件割线刚度逐渐降低，且退化速度随加载位移增大逐渐降低。

(2)各试件加固后的初始刚度较加固前有明显降低，试件Z1-R，Z2-R，Z3-R的初始刚度分别为试件Z1，Z2，Z3的52%，65%，75%，说明震损柱内部的残余变形和裂缝对加固后柱的初始刚度影响较大，CFRP加固不能修复震损柱的初始刚度。

(3)对比各加固后试件的刚度，试件Z2-R的刚度大于试件Z1-R，说明方式2加固与方式1加固相比，能够有效地提高震损柱的刚度。试件Z3-R的刚度大于试件Z2-R，说明方式3加固与方式2加固相比能够更为有效地提高震损柱的刚度。

4 结论

(1)经过3种加固方式加固后的试件在水平低周反复荷载作用下经历了弹性、屈服、极限、破坏等阶段，最终因柱底产生塑性铰破坏，各加固后试件均呈现弯曲型破坏特征，说明采用CFRP对震损混凝土柱进行加固能够满足“强剪弱弯”的抗震设计要求。

(2)采用3种方式进行加固后的试件，其承载能力与刚度均低于原框架柱，但延性均高于震损试件，同时荷载退化水平与刚度退化水平有显著降低，说明采用CFRP进行加固不能完全修复因柱内残余变形与裂缝导致的承载力与刚度损失，但CFRP材料良好的抗拉性能与变形能力能够提高震损试件的延性以及试件的承载力稳定性。

(3)本文采用的3种加固方式均能够有效恢复震损柱的抗震性能，其中采用方式2进行加固的试件具有较高的延性与承载力恢复水平，采用方式3加固的试件具有较高的承载力与刚度。