高层建筑CFRP加固钢筋混凝土柱结构抗震性能研究*

2021-12-23李培

合成材料老化与应用 2021年6期

李培

(上海建桥学院商学院, 上海 201306)

我国是一个地震灾害多发的国家，然而，由于目前对于地震预测的研究尚不成熟，地震的活动难以得到有效预报，因此结构抗震性能研究成为了工程抗震减灾领域的重要研究方向[1-3]。

纤维增强复合材料（FRP）具有强度高、耐腐蚀、材料成本低等特殊优势，在混凝土结构加固中得到了广泛的应用。曹玉贵等[4]构建了FRP包裹预损伤混凝土柱的应变模型，提出该模型能够准确描述FRP束缚下损伤混凝土的环向应变-轴向应变关系。郑植等[5]依托于某双塔三跨斜拉桥工程，基于材料性能试验及缩尺模型结构拉伸强度试验验证了加固后的连接结构可靠性高，能够保证防撞套箱防护性能的充分发挥。

但随着对FRP材料研究的逐渐推进与不断创新，学者们发现碳纤维增强复合材料（CFRP）具有更卓越的工程性能，CFRP材料的应用能够有效延迟混凝土裂缝的出现时间，大幅提高混凝土的变形能力[6-9]。陈华等[10]基于试验等对CFRP材料的失效机制展开了深入研究，发现在CFRP筋锚固体系界面粘结应力主要是由摩擦力和机械咬合力两种因素承担。王作虎等[11]室内设计了3组CFRP加固钢筋混凝土柱并对其开展了轴心受压破坏试验，指出CFRP加固钢筋混凝土柱的强度要高于素混凝土。

综上所述，CFRP复合材料能够大幅加强混凝土结构的工程性能，然而，目前对CFRP材料在工程结构抗震性能应用方面的研究还比较缺乏。本文将基于室内不同尺寸的未加固、CFRP加固的钢筋混凝土的分级增量加载振动试验，根据结果结合理论知识深入研究CFRP材料对钢筋混凝土柱构件抗震性能的影响及其工程应用前景。

1 试验设计

1.1 试件制备

本次试验共设计制作了有、无CFRP材料包裹层的钢筋混凝土柱，此外，为进一步探讨CFRP在不同工况、不同条件下的应用情况，进一步考虑了尺寸效应对CFRP材料加固效果的影响。室内制作边长分别为100mm、200mm和300mm的钢筋混凝土柱，采用C40级混凝土，测得平均抗压强度为38.97MPa。根据相关规范[12-13]的标准要求，对钢筋混凝土柱的配筋进行计算，纵筋采用HRB400级，箍筋采用HRB300级，得出混凝土柱的配筋如表1所示。试验采用的CFRP材料及养护制作完成并加固后的钢筋混凝土柱如图1所示。

表1 钢筋混凝土柱基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of reinforced concrete column

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

1.2 试验方案

本次试验研究对象为不同尺寸、不同层数条件下的CFRP复合材料加固钢筋混凝土柱。利用MTS150液压伺服设备进行加载，该设备最大可实现1000kN轴向加载；利用大量程应变片对钢筋混凝土柱的表面横向变形进行监测，应变片贴合位置为构件两端各4个、构件中部4个。计算得出上述不同尺寸的钢筋混凝土柱的屈服强度Fy，对混凝土柱进行分级增量振动加载，每级荷载下振荡次数为3个循环。其中第一级荷载为0.5Fy，此后每级增量为0.5Fy，直至达到峰值并进入残余阶段后停止试验。

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线分析

图2为钢筋混凝土柱抗震试验滞回曲线结果，反映了材料在反复受力作用下的变形特征。其中(a)、(c)、(e)为不同尺寸的未加固的钢筋混凝土柱的试验结果，(b)、(d)、(f)为不同尺寸的CFRP加固的钢筋混凝土柱的试验结果。由图2可以看出，在分级加载振动试验条件下，钢筋混凝土柱的滞回曲线均具表现出了典型的材料滞回曲线特征，其滞回曲线整体明显呈“弓”形，在滞回环中部均出现了明显的“捏拢”现象，这表明在振动荷载作用下，混凝土柱在各节点区域均出现纵筋的屈服与滑移。“弓”形滞回曲线形态表明，钢筋混凝土柱具有较强的塑性变形能力，结构的低周反复荷载试验性能好，能够较好地吸收地震荷载产生的能量，因此其抗震性能优。

图2 钢筋混凝土柱抗震试验滞回曲线Fig.2 Seismic test hysteresis curve of reinforced concrete column

CFRP加固钢筋混凝土柱的滞回曲线的滞回环较未加固构件的更加饱满，这表明CFRP复合材料加固后的钢筋混凝土柱在卸载过程中所释放的能量更少，其在反复加载过程中吸收的能量更多。进一步分析曲线可知，不同尺寸的CFRP加固混凝土柱的塑性变形能力均高出未加固混凝土柱，以100mm×100mm×250mm混凝土柱为例，未加固构件的最大位移为16.12mm，CFRP加固后构件最大位移为24.33mm。塑性变性能力相对提高了50.93%，变形能力提升效果明显。此外，随着钢筋混凝土柱尺寸的增大，结构的最大位移也逐渐增大，承受的荷载也越大，但由于需要考虑到本身尺寸的原因，因此将在讨论章节结合各种因素对材料变形能力及抗震性能尺寸效应进行深入探讨。

2.2 骨架曲线分析

图3 为各钢筋混凝土构件的骨架曲线。由图3可知，钢筋混凝土柱在弹性阶段后曲线呈线性，而当达到钢筋的屈服点以后，构件内部钢筋开始屈服，但构件整体仍然持续硬化，荷载水平依旧在提高。而随着荷载的持续增大，构件整体达到了峰值，构件端部的混凝土开始破裂、剥落，钢筋混凝土构件整体承载力开始下降。不同尺寸的CFRP加固后的钢筋混凝土柱构件的变形能力均要强于未加固钢筋混凝土柱构件，这表明CFRP材料在混凝土柱发生破坏的过程中起到了很好的束缚作用，增强了其塑性变形能力，抑制了混凝土柱产生横向破坏的趋势。

图3 不同尺寸混凝土柱节点Fig.3 Concrete column joints of different sizes

2.3 刚度退化分析

图4为不同钢筋混凝土柱构件的刚度退化曲线。在加载初期，钢筋混凝土柱的刚度迅速下降，而在振动荷载的作用下，混凝土产生了很大的横向变形，混凝土柱表面产生剥落，构件内部产生了一定程度的裂隙且损伤程度不断提高。随着损伤程度的提高，构件刚度退化速率不断降低。相同比例条件下，尺寸效应对钢筋混凝土柱构件的初始相对刚度产生了明显的影响，随着混凝土柱尺寸的增大，其初始刚度逐渐降低。此外，加固后的钢筋混凝土柱的相对刚度要略高于未加固的钢筋混凝土柱。

对相对刚度与粘性系数之间的关系进行深入分析拟合，建立了相对刚度-粘性系数拟合关系如图4所示。由图4可知，振动荷载作用下钢筋混凝土柱的相对刚度与粘性系数之间成负指数函数关系，即随着粘性系数的增大，构件的相对刚度不断降低但降低速度逐渐变慢。线性回归系数R2均高于0.96，二者之间相关性高，拟合函数能够有效表达相对刚度与粘性系数之间的关系。进一步观察到，CFRP加固钢筋混凝土柱的拟合指数函数的指数的绝对值均小于未加固构件，这表明CFRP加固构件的刚度衰减更慢。

图4 不同钢筋混凝土柱构件的刚度退化曲线Fig.4 Stiffness degradation curve of reinforced concrete column

3 讨论

大量研究表明，材料的强度随着高径比的增大逐渐减小[14-15]，而相同高径比试样的抗压强度随着试样尺寸的增大而不断增大[16]。随着钢筋混凝土柱尺寸的不断增大，其塑性变形能力也持续增大，但考虑到主体本身尺寸的原因，因此需要进行归一化处理。在归一化处理过程中，通过引入位移角与承载应力比参数分别对位移与应力进行表征，其计算方法为：

式中，θ为位移角，Δl为水平位移（mm），h为混凝土构件高度(mm)，P为承载力(MPa)，Fc为混凝土抗压强度（MPa）。

3.1 尺寸效应

归一化后承载应力比-位移角曲线如图5所示，由图可知，尺寸效应造成钢筋混凝土构件的承载能力呈现出下降趋势。对于未加固与CFRP加固的钢筋混凝土构件，大尺寸构件的归一化承载能力均低于小构件与中构件，以未加固的钢筋混凝土构件为例，小、中、大构件最大承载应力比分别为0.111、0.109及0.073，大构件的承载力相对小、中构件分别下降34.23%、33.03%。由此可见，在高径比相同条件下，尽管钢筋混凝土构件的承载能力不断提高，但其归一化后的承载能力降低。对于不同尺寸的钢筋混凝土构件，尺寸越大，塑性变形能力越强，其归一化后用于表征变形能力的位移角最大值也越大。

图5 钢筋混凝土构件抗应力比-位移角关系Fig.5 Relationship between stress ratio and displacement angle of reinforced concrete members

3.2 CFRP材料加固效果

根据钢筋混凝土柱构件的滞回曲线可知，CFRP复合材料加固的构件的滞回环更加饱满，其对地震能量吸收能力更强。由表2可知，CFRP材料加固后的钢筋混凝土柱的承载能力并未产生加强，不同尺寸下构件的屈服荷载与峰值荷载均比较接近；但是，由于加固后的钢筋混凝土柱表面有CFRP复合材料的包裹，因此混凝土柱的侧向变形得到了束缚，因此加固后的钢筋混凝土柱的变形能力产生了明显的提高，其在屈服点、峰值点及最终破坏点的变形均远大于未加固材料。相较于未加固的钢筋混凝土柱构件，不同尺寸的CFRP加固钢筋混凝土柱的最大位移相对分别提高33.56%、7.09%、21.78%，延性系数分别相对提高20.85%、31.24%、35.35%。