不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響1

王作虎 杜修力 鄧宗才

（北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響1

王作虎 杜修力 鄧宗才

（北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

在簡要分析了汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害后，通過芳綸布（AFRP）加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)，研究了不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：采用AFRP加固后的梁柱節(jié)點(diǎn)，極限承載力和抗震性能得到了顯著改善，破壞形式由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?/p>

汶川地震 節(jié)點(diǎn) 加固 抗震性能

引言

2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣發(fā)生了里氏8.0級特大地震，震中位于汶川縣映秀鎮(zhèn)，震源深度14km。此次地震是繼唐山地震后我國境內(nèi)發(fā)生的破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣的一次特大地震。纖維增加塑料（FRP）是一種新型、高效的結(jié)構(gòu)加固材料（余瓊等，2004；王布等，2005；吳波等，2005；Antonopoulos等，2003；Prota等，2004；王布等，2006），本文在簡要分析了汶川地震中鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的震害后，針對混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，通過對芳綸布（AFRP）加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)，研究了不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

1 汶川地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害分析

在汶川地震中，多數(shù)框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害較輕，破壞主要發(fā)生在填充墻和維護(hù)結(jié)構(gòu)上（熊立紅等，2008；韓軍等，2008；清華大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組等，2008）?？蚣芰?、柱的破壞表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”式破壞，震害的特征主要是柱頭和柱腳的破壞，輕則表現(xiàn)為框架柱混凝土開裂、剝落，鋼筋裸露；重則表現(xiàn)為混凝土壓酥，縱向鋼筋屈服，呈“燈籠”狀。分析其原因，主要是地震的反復(fù)作用使梁柱節(jié)點(diǎn)處于剪壓復(fù)合應(yīng)力的條件下，所以節(jié)點(diǎn)更容易發(fā)生破壞。梁柱節(jié)點(diǎn)典型的破壞照片如圖1所示。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)與加載裝置

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4個試件，試驗(yàn)變化參數(shù)主要有AFRP布的層數(shù)和加固方式。構(gòu)件所使用的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，實(shí)測立方體的抗壓強(qiáng)度平均為42.5MPa。AFRP布為深圳海川實(shí)業(yè)股份有限公司提供的AFS-40型芳綸纖維布，其名義極限抗拉強(qiáng)度為2060MPa，彈性模量為1.18×105MPa，設(shè)計(jì)厚度為0.193mm。節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绾团浣钜妶D2。

試驗(yàn)加載方案采用柱端加載，試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)中試件豎向荷載由液壓千斤頂一次施加，并在試驗(yàn)中保持恒定。柱端的水平低周反復(fù)荷載由推拉千斤頂施加，每級荷載循環(huán)2次。試驗(yàn)加載過程采用荷載-位移混合控制，即構(gòu)件開裂前采用荷載進(jìn)行控制，開裂之后采用位移控制。

2.2 加固方案

每個加固構(gòu)件梁端、柱端的加固方法為先沿梁頂柱側(cè)、梁底柱側(cè)粘貼縱向AFRP布，然后在橫向纏繞AFRP箍。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域采用粘貼“X”形AFRP的加固方案，具體的加固方案和試驗(yàn)變化參數(shù)分別見圖4和表1。節(jié)點(diǎn)JDП-3的核心區(qū)域未進(jìn)行加固，代表有正交梁的情況。

表1 試驗(yàn)變化參數(shù)Table 1 Experimental parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

節(jié)點(diǎn)JDII-0的破壞由核心區(qū)域斜裂縫交叉處的混凝土脫落導(dǎo)致，屬于剪切破壞。各加固節(jié)點(diǎn)由于AFRP的加固，不能觀察裂縫的發(fā)展過程。但在各加固構(gòu)件最后的加載階段，均可觀察到核心區(qū)域的豎向壓條和梁端的“L”形AFRP布有部分?jǐn)嗔?，并在柱端處形成很大的水平裂縫。從裂縫處可以看見里面的混凝土已被壓酥，為防止突然破壞，終止了試驗(yàn)。各加固構(gòu)件都屬于典型的柱端彎曲破壞，各構(gòu)件典型的破壞形態(tài)、滯回曲線分別見圖5和圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖5 節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of joints

圖6 構(gòu)件的滯回曲線Fig.6 Hysteresis curves of specimens

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results from experiments

由表2可以看出：①AFRP布加固能夠改變節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，由剪切破壞變?yōu)閺澢茐?，對提高鋼筋混凝土框架?jié)點(diǎn)的抗剪承載力效果明顯；②試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件有脫粘破壞的現(xiàn)象，說明采用的錨固方式很有效；③相對于未加固的節(jié)點(diǎn)，加固節(jié)點(diǎn)的承載力提高系數(shù)為15.99%—53.40%，位移提高系數(shù)為35.12%—43.29%；④對于核心區(qū)域有正交梁的節(jié)點(diǎn)JDII-3，用AFRP布進(jìn)行加固后，其承載力和水平位移也得到了很大的提高。

3.2 延性

借用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)常用的圖解法，根據(jù)實(shí)測P-Δ骨架曲線來確定構(gòu)件的屈服位移Δy，再取骨架曲線下降段相應(yīng)于0.85Pmax處的位移作為極限位移Δu，位移延性系數(shù)μΔ的計(jì)算公式為：

各構(gòu)件實(shí)測延性系數(shù)和加固構(gòu)件延性提高系數(shù)見表3。

表3 構(gòu)件的位移延性系數(shù)Table 3 Ductility indices of specimens

由表3可以看出，相對于標(biāo)準(zhǔn)對比節(jié)點(diǎn)，加固構(gòu)件的延性系數(shù)提高了4.04%—21.81%（即使是有正交梁的情況下，延性系數(shù)也提高了4.04%），這對提高混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能有利。

3.3 耗能和剛度退化

滯回曲線是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合表現(xiàn)，滯回環(huán)包絡(luò)線面積E的大小表明結(jié)構(gòu)耗散地震能力的多少，累積滯回耗能Q等于試件最終破壞前各實(shí)測滯回環(huán)的面積之和。各構(gòu)件的耗能能力E、累積滯回耗能Q和耗能能力的提高系數(shù)分別見圖7和圖8及表4。

圖7 試件的耗能能力Fig.7 Energy dissipation of specimens

圖8 試件的累積滯回耗能Fig.8 Cumulative energy dissipation of specimens

表4 加固構(gòu)件耗能能力的提高系數(shù)Table 4 The improvement of energy dissipation coefficients of strengthened specimens

由表4可以看出，加固節(jié)點(diǎn)的耗能能力E相對于對比節(jié)點(diǎn)有顯著的提高。相對于對比節(jié)點(diǎn)，加固構(gòu)件耗能能力的提高系數(shù)為121.50%—229.71%，說明AFRP加固能增加混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能。另外，節(jié)點(diǎn)JDII-2相對于節(jié)點(diǎn)JDII-1，雖然AFRP的層數(shù)增加了一層，但是耗能能力增加卻并不大，這說明AFRP層數(shù)超過2層后，再增加加固層數(shù)對節(jié)點(diǎn)耗能能力的提高效果并不明顯。

結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì)反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)動力性能的重要特點(diǎn)之一。下面引入環(huán)線剛度來評價結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì)。結(jié)構(gòu)的剛度退化可以取同一級變形下的環(huán)線剛度來表示，其計(jì)算式為：

圖9 各構(gòu)件的環(huán)線剛度Fig.9 Typical curves of stiffness versus displacement

式中，Ki為環(huán)線剛度，單位kN/mm；為位移延性為j時，第i次循環(huán)的峰值荷載值；為位移延性為j時，第i次循環(huán)的峰值位移值；n為循環(huán)總次數(shù)。

構(gòu)件的環(huán)線剛度與柱端水平位移的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可見，在整個試驗(yàn)過程中加固節(jié)點(diǎn)的環(huán)線剛度均大于對比構(gòu)件的環(huán)線剛度，這說明加固構(gòu)件的剛度退化有明顯的減弱趨勢。

本文提出的加固方法是針對沒有樓板影響的梁柱節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際工程中的梁柱節(jié)點(diǎn)很可能受到樓板的影響，因此本文提出的加固方法還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變。梁側(cè)面的AFRP不能再環(huán)向纏繞了，而是應(yīng)向上粘貼至樓面板后再延伸一定距離，以確保錨固的效果，至于具體的加固效果還需做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

通過上述4個節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到了以下主要結(jié)論：

（1）采用AFRP加固后的梁柱節(jié)點(diǎn)，承載力和極限水平位移均得到顯著提高，最大提高值分別為53.40%和43.29%；破壞形式從核心區(qū)域的剪切破壞變?yōu)橹说膹澢茐?，由脆性破壞變?yōu)檠有云茐??？梢娪肁FRP進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加固是一種有效的加固方式，具有推廣應(yīng)用的價值。

（2）用AFRP加固后的梁柱節(jié)點(diǎn)，抗震性能也得到了顯著改善。加固后滯回環(huán)的形狀更加豐滿，節(jié)點(diǎn)的延性提高，剛度退化減緩，耗能能力可提高0.2—2.3倍。

（3）當(dāng)AFRP加固層數(shù)超過2層后，再增加加固層數(shù)對節(jié)點(diǎn)耗能能力的提高效果并不明顯。

（4）建議在實(shí)際加固工程中，宜適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域豎向壓條的層數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況靈活布置。

韓軍，李英民，劉立平等，2008. 5.12汶川地震綿陽市區(qū)房屋震害統(tǒng)計(jì)與分析. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報，30（5）：21—27.

清華大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專家組，2008. 汶川地震建筑震害分析. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，29（4）：1—9.

王布，王溥，夏春紅，2005. 核心區(qū)外碳纖維布增強(qiáng)混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗剪性能試驗(yàn)研究與機(jī)理. 工業(yè)建筑，35（7）：29—33.

王布，夏春紅，王溥等，2006. 碳纖維布-角鋼組合加固混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究. 施工技術(shù)，35（4）：74—78.

吳波，王維俊，2005. 碳纖維布加固鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究. 土木工程學(xué)報，38（4）：60—65.

熊立紅，杜修力，陸鳴等，2008. 5.12汶川地震中多層房屋典型震害規(guī)律研究. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，34（11）：1166—1172.

余瓊，陸洲導(dǎo)，2004. 受損對碳纖維加固框架節(jié)點(diǎn)的影響. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，32（2）：177—181.

Antonopoulos C.P., Triantafillou T.C., 2003. Experimental investigation of FRP strengthened RC beam-column joints. Journal of Composites for Construction, 7 (1): 39—49.

Prota Andrea, Nanni Antonio, Manfredi Gaetano, Cosenza Edoardo, 2004. Selective upgrade of underdesigned reinforced beam-column joints using carbon fiber-reinforced concrete. ACI Structural Journal, 101 (5): 699—707.

An Experimental Study on the Seismic Behavior of Beam-Column Joints Strengthened with AFRP Sheets

Wang Zuohu, Du Xiuli and Deng Zongcai

（The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）

Based on the field surveys in seismic regions after the Wenchuan Earthquake, damage features of beam-column joints are summarized and analyzed. Three steel reinforced concrete beam-column joints strengthened with AFRP sheets and one un-strengthened joints are tested for comparing their seismic performances. Based on the experimental results the effect of different rehabilitation schemes area is analyzed. It is found that the ultimate strength and seismic behavior of the joints strengthened with AFRP are improved remarkably, the failure model of strengthening joints was changed from brittleness failure to ductility failure.

Wenchuan earthquake; Beam-column joints; Rehabilitation; Seismic behavior

北京市教委基金（4700001401509）和北京市教委科技項(xiàng)目（JC004013200801）資助

2009-09-20

王作虎，男，生于1979年。博士研究生。主要從事FRP混凝土結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用。E-mail: wangzuohu@emails.bjut.edu.cn

王作虎，杜修力，鄧宗才，2010. 不同加固方式對混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（1）：1—8.