碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能研究

刘灿

碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能研究

刘灿

广东交通职业技术学院 土木工程学院, 广东 广州 510650

为了保证混凝土柱构件有很好的延性机制，对碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能进行研究。实验选用的四榀框架为震后混凝土柱结构，给出四榀混凝土柱结构的加固方式和参数。实验加载设备选择液压伺服加载设备，通过力与位移共同调控荷载加载，针对水平荷载，逐级加载直到试件出现开裂、柱底角钢屈服，每级荷载均重复2次，直到试件被损毁，或水平荷载值迅速降低到低于最大荷载的85%，终止实验。对实验现象进行分析，发现在试件损坏的过程中，复合加固试件表面裂缝的间隔比单个加固方式更小。将承载力、延性分析、滞回曲线和骨架曲线、刚度退化情况作为衡量混凝土抗震性能的指标，结果表明，复合加固下试件极限荷载、延性系数以及承载力比单一加固试件更高，说明复合加固方式抗震性能更优，滞回曲线、骨架曲线与刚度退化分析结果也验证了这一结论，与单一角钢加固方式和碳纤维布加固方式相比，复合加固方式对试件刚度退化有更大的延缓作用。

碳纤维布; 角钢加固; 混凝土柱; 抗震性能

我国地震灾害频发，很多地区建筑物均面临抗震问题。我国有关抗震规范对建筑的抗震要求以及对应的建立方案均有详细规定，然而针对20世纪70年代前建立的混凝土柱来说，怎样增强其抗震能力和震损后结构的加固，成为亟需解决的问题[1]。

文献[2]以混凝土工作系数为参数，研究部分包裹高强混凝土柱(PEC柱)的抗震性能，对6根焊接H形钢部分包裹高强混凝土柱进行低周反复荷载试验。结果表明：不同设计参数下PEC柱的柱顶荷载-位移滞回曲线均为饱满的梭形，在柱翼缘厚度不变的情况下，混凝土工作系数从0.36提升至0.39时，PEC柱的极限荷载提升了7.5%，极限位移减小了16.98%，这是由于高强混凝土的脆性导致的。位移角为1/35时，PEC柱承载力退化系数在0.95～0.99之间，位移延性系数在3.61～4.25之间，纤维掺量和截面形式下各试件的抗震性能指标。结果表明：TRC能够有效约束RC柱核心混凝土，掺入一定体积掺量的PVA纤维后，TRC的限裂效果进一步增强，提高了加固柱的开裂荷载和峰值荷载；PVA纤维体积掺量在0.5%以内时，加固柱的延性得到改善，刚度退化速率减慢，耗能能力增强，但随着体积掺量继续增大，延性和耗能能力均有所降低，刚度退化速率增大；TRC加固圆柱的承载能力较低，但延性、刚度退化以及耗能能力均优于其他两种截面形式的TRC加固柱。PVA纤维体积掺量在0.5%以内较为合理，且TRC加固后圆柱的抗震性能更好。

本研究制作混凝土柱试件，通过碳纤维布、角钢以及碳纤维布与角钢符合加固的方式进行实验，分析上述加固方式在模拟荷载作用下的抗震性能，为提高混凝土柱抗震性能提供依据。

1 试件设计和制作

实验选用的四榀框架是震后混凝土柱结构，钢筋锚固长度符合《混凝土结构设计规范》规定。按照要求，给出四榀混凝土柱结构的加固方式和参数，用表1进行描述。除此之外，还制作了相同情况下未经加固的试件，编号依次是T1、T2和T3。

表1 混凝土柱结构的加固方式和参数

T1代表碳纤维布加固构件，T2代表角钢加固构件，T3代表碳纤维布与角钢复合加固构件。

实验采用的碳纤维布、角钢、碳纤维布用黏接剂性能指标用表2～表4进行描述。

表2 碳纤维布性能指标

表3 角钢的材料特性

表4 碳纤维布采用黏接剂的性能指标

2 实验设备和加载制度设计

2.1 实验加载设备

实验选择的加载设备是液压伺服加载设备，利用压梁用地槽螺栓将试件固定于台座，见图1。

图1 试件加载设备示意图

混凝土柱竖向荷载通过同步液压设备完成，利用竖向反力架施加，为了降低竖向荷载造成的水平摩阻力，在竖向反力架与垫板间安装一个滚动支座，竖向荷载在液压千斤顶的作用下实现，水平荷载通过水平伺服作动器实现[4,5]。

2.2 加载制度设计

实验在实际存在的建筑工程背景下完成，依据剪力技术求出底部等效剪力，并将其当成实验加载的主要依据[6]。通过力与位移共同对荷载加载进行调控，针对水平荷载，逐级加载直到试件出现开裂、柱底角钢屈服，每级荷载均重复2次，直到试件被损毁，或水平荷载值迅速降低到低于最大荷载的85%[7]，终止实验。

3 实验现象分析与电算验算

3.1 实验现象分析

只采用碳纤维布加固时，试件在拉力为110 kN的情况下，西混凝土柱西侧位置有小裂缝出现，东混凝土柱在作动器工作过程中产生劈裂的声音，碳纤维布与混凝土柱存在一定的剥离现象。在荷载级数逐渐升高的情况下，裂缝越来越大，最后出导致碳纤维布和混凝土柱剥离，钢筋应变是691 με，应力是135 MPa，没有达到屈服。

只采用角钢加固时，试件在拉力为120 kN的情况下，两侧混凝土柱的表面以及地梁和混凝土柱交界位置出现混凝土起鼓脱皮的现象，裂缝逐渐变大。在拉力为140 kN的情况下，随着荷载的逐渐增加，会出现噼啪的声响，角钢和混凝土表面剥离。

采用碳纤维布和角钢复合加固的方式时，在试件水平拉力达到170 kN的情况下，混凝土柱的损毁主要集中于梁柱节点位置，碳纤维布与角钢均和混凝土柱表面剥离，裂缝在短时间内变大。

比较不同加固方式下试件的实验现象发现，经加固后试件损毁的位置一般在结点周围，最终出现粘结损坏。只采用碳纤维布和角钢加固的混凝土柱试件加固材料与混凝土出现粘接损坏，而采用碳纤维布和角钢复合加固时，分析应变测量结果可以看出，在试件出现损坏的情况下角钢没有达到屈服应变，而加固材料和混凝土柱出现粘接损坏。除此之外，混凝土柱地板和表面剥离后，柱底部位置的裂缝在短时间内增大，可以看出加固材料对裂缝的变大有很好的约束作用。在混凝土柱底钢板鼓起的情况下，钢板和碳纤维材料依旧相连，表明加固材料间的粘接效果很好。

采用碳纤维布进行加固时，碳纤维布和试件间出现粘连损坏，混凝土柱底有剥离现象。在裂缝宽度一致的情况下，与复合加固方式下试件相应荷载值相对较高，也就是在荷载相同时，只采用角钢加固的试件裂缝更宽，说明复合加固的方式能够对试件结构裂缝产生约束作用，对贯通裂缝的产生有很大的延缓作用。在试件损坏的过程中，复合加固试件表面裂缝的间隔比单个加固方式更小。

3.2 电算和实验结果比较

图2所示的是实验试件实验值和计算值的比较结果。分析图2可知，试件实验结果和计算结果相比，屈服前和屈服后上升阶段曲线有较好的吻合结果，而下降阶段实验值与计算值相比相对较高，也就是计算结果相对保守，计算过程中选用的试件模型与加载制度是合理的。

图2 实验值和计算值比较结果

4 碳纤维布和角钢加固的混凝土柱抗震性能研究

4.1 承载力研究

表5所示的是三种试件加固结果。由表5中的数据可知，T3的极限荷载比T1与T2更高，说明复合加固方式和只采用碳纤维布、只采用角钢脚骨的方式相比，有更高的承载能力，抗震性能更优。

表5 承载力比较结果

4.2 延性研究

混凝土柱在地震环境下变形能力的优劣为评价混凝土柱抗震性能的主要指标，而变形能力通常通过延性系数与层间位移角衡量[8,9]。

在对混凝土柱抗震性能进行研究的过程中，延性为非常重要的一个指标，其是试件塑性变形能力的体现，可有效衡量抗震性能的优劣[10]。按照《建筑抗震试验方法规程》，混凝土柱试件延性系数可通过下式求出：

式中，∆用于描述极限位移，∆用于描述屈服位移。

现阶段在进行混凝土柱抗震设计的过程中，一般把层间位移角当成衡量变形能力的指标，从具体的建筑工程应用的角度分析，层间位移角和延性分析非常关键。

表6和表7所示不同试件加固前后层间位移角和位移延性系数变化。其中，Δ用于描述开裂荷载相应位移，Δ用于描述屈服荷载相应位移，Δ用于描述极限荷载相应位移，用于描述延性系数。

表6 试件加固前层间位移角和位移延性系数变化情况

表7 试件加固后层间位移角和位移延性系数变化情况

分析表6与表7可以看出，通过碳纤维布、角钢和二者复合加固的方式层间位移与延性系数有很大差异，加固后开裂位移、屈服位移低于加固前，极限位移和延性系数高于加固前，说明加固方式能够提高混凝土柱抗震能力。碳纤维布与外包钢复合加固混凝土弯压构件可同时发挥两种材料的约束作用，加固后试件可取得比单一材料加固试件更好的延性性能。

4.3 滞回曲线和骨架曲线分析

图3 试件滞回曲线

由图3所示的不同试件的滞回曲线可知，只采用碳纤维布进行加固，试件有一定的弯压损坏现象，滞回环形状相对饱满。采用角钢加固的方式，试件滞回环变长，依旧较为饱满。采用复合加固的方式，试件极限承载力和只采用一种加固方式相比有很大的提高。对被不同方式加固处理的试件进行比较可以看出，所有加固试件都有很好的变形性能与耗能性能，复合加固方式对混凝土柱抗震性能有很好的改善作用。

图4 试件骨架曲线

由图4所示的实验骨架曲线可知，采用复合加固方式的试件骨架曲线有显著的屈服点，在试件达到最大荷载后，下降较为平稳，有较优的延性效果。角钢对混凝土柱的承载力有很大的影响，复合加固方式和角钢加固方式下试件屈服前刚度基本一致，说明角钢加固为增强试件刚度的关键。碳纤维布对试件承载力提高有一定的作用，然而作用不显著，其对试件耗能性能的提高有显著作用。

4.4 刚度退化分析

取各级荷载下正方向与负方向荷载的绝对值的和，将其和对应方向位移绝对值的和作比，当成各级荷载下的平均刚度。不同试件刚度衰减曲线用图5进行描述。

图5 试件刚度衰减曲线

由图5可知，在位移逐渐增加的情况下，不同加固方式下试件刚度逐渐降低，荷载加载的前期与后期，三种加固方式下试件刚度衰减曲线在后期都逐渐趋于稳定，但只采用碳纤维布加固试件刚度衰减速度比复合加固试件的刚度衰减速度更快，只采用角钢加固试件和复合加固方式相比刚度衰减速度差异相对较小，说明角钢加固方式对试件刚度退化有更大的延缓作用，而复合加固方式和采用单一方式加固试件相比刚度衰减最少，抗震性能最优。

5 讨论

复合加固的方式能够对试件结构裂缝产生约束作用，对贯通裂缝的产生有很大的延缓作用。CFRP筋高韧性纤维混凝土柱表现出明显的多缝开展特征和良好的变形能力；水平荷载下降至峰值荷载的85%，轴压比越大，峰值荷载越大，滞回曲线的形状越饱满；剪跨比越大，极限水平位移越大，但峰值荷载越小。加固后试件的累积耗能较未加固试件提高2.0～4.2倍，仍具有良好的耗能能力，说明CFRP筋高韧性纤维混凝土柱具有良好的可修复性,，且碳纤维布加固的方法有效可行[11]。实验结果和计算结果相比，屈服前和屈服后上升阶段曲线有较好的吻合结果。开裂荷载与极限荷载较高。滞回环形状相对饱满且滞回环变长。试件滞回曲线呈饱满的梭形，试验结束时试件的等效黏滞阻尼系数均达到0.3以上，表现出了良好的抗震耗能性能[12]。骨架曲线有显著的屈服点，在试件达到最大荷载后，下降的较为平稳，有较优的延性效果。刚度衰减较小。箍筋锈蚀后,混凝土受到的约束作用降低，导致混凝土柱抗震性能退化；随着箍筋锈蚀量增大，柱破坏时的极限位移减小，滞回曲线出现捏拢现象且逐渐明显，强度降低程度和刚度衰减程度均增大[13]。

碳纤维布与角钢复合加固混凝土弯压构件，两种材料均能发挥自己的作用,并且共同工作，说明该加固法对于框架柱的抗震加固是适用的。但是，受试件数量的限制，因而未能建立复合加固弯压构件在往复荷载下的恢复力模型，因此，对复合加固弯压构件在动力作用下的抗震性能与其在拟静力作用下抗震性能的异同有待进一步研究。

6 结论

（1）复合加固下试件的极限荷载比单一加固试件更高，说明复合加固方式有更高的承载能力，抗震性能更优；

（2）加固后开裂位移、屈服位移低于加固前，极限位移和延性系数高于加固前，说明加固方式能够提高混凝土柱抗震能力。经复合加固处理试件的开裂位移和屈服位移与角钢加固方式相差不大，低于碳纤维布加固，极限位移和延性系数高于只采用角钢加固与碳纤维布加固方式，也就是说三种加固方式都有助于混凝土柱抗震，但复合加固方式抗震效果最好；

（3）由滞回曲线可知，所有加固试件都有很好的变形性能与耗能性能，复合加固方式对混凝土柱抗震性能有很好的改善作用；

由骨架曲线可知，采用复合加固方式的试件骨架曲线有显著的屈服点，在试件达到最大荷载后，下降的较为平稳，有较优的延性效果。角钢对混凝土柱的承载力有很大的影响，碳纤维布对试件承载力提高作用不显著；

（4）只采用碳纤维布加固试件刚度衰减速度比复合加固试件的刚度衰减速度更快，只采用角钢加固试件和复合加固方式相比刚度衰减速度差异相对较小，说明角钢加固方式对试件刚度退化有更大的延缓作用。

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Study on Aseismatic Performance of Concrete Columns Strengthened with Carbon Fiber Sheets and Angle Steel

LIU Can

510650,

In order to ensure the ductility of concrete columns, the seismic behavior of concrete columns strengthened with CFRP and angle steel was studied. The four frames selected in the experiment are post earthquake concrete column structures, and the strengthening methods and parameters of four concrete column structures are given. The hydraulic servo loading equipment is selected as the experimental loading equipment. The load is controlled by force and displacement. For the horizontal load, the load is loaded step by step until the specimen cracks and the angle steel at the bottom of the column yields. Each load is repeated twice until the specimen is damaged, or the horizontal load value is rapidly reduced to 85% lower than the maximum load. The experiment is terminated. Through the analysis of the experimental phenomena, it is found that in the process of specimen damage, the surface crack interval of composite reinforcement is smaller than that of single reinforcement. The results show that the ultimate load, ductility coefficient and bearing capacity of the composite reinforced concrete are higher than that of the single reinforced concrete, which shows that the composite reinforced concrete has better seismic performance, and the results of the hysteretic curve, skeleton curve and stiffness degradation analysis also verify this At the same time, it is found that the angle steel reinforcement and the CFRP reinforcement have a greater delay effect on the stiffness degradation of the specimens.

Carbon fiber cloth; angle steel reinforcement ; concrete column; aseismatic performance

TU375.3

A

1000-2324(2021)03-0515-06

2019-04-02

2019-06-01

广东省科技厅课题(2015A030310168)

刘灿(1977-),女,博士,讲师,研究方向:结构工程教学、科研. E-mail:xkywh@sohu.com