玄武巖纖維加固震損混凝土框架節(jié)點的抗震性能

周運瑜，余江滔，陸洲導(dǎo)，張克純

(1. 同濟大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海，200092；2. 江蘇省無錫市高鐵站商務(wù)區(qū)建設(shè)局，江蘇 無錫，214105)

隨著土木工程的不斷發(fā)展，玻璃纖維、芳綸纖維及碳纖維等各種高性能纖維被先后引入工程領(lǐng)域[1]，并通過試驗研究開發(fā)應(yīng)用，擴大高性能纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，國內(nèi)開發(fā)的玄武巖纖維增強復(fù)合材料(簡稱BFRP)[2?3]，由于其具有強度高、延性好、化學(xué)穩(wěn)定性強等特點，被逐漸應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，與碳纖維材料相比，玄武巖纖維價格雖然力學(xué)性能略差，但其市場價格僅為碳纖維的1/3左右。我國對玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究還處于起步階段，其中歐陽煜等[4?7]對玄武巖纖維加固鋼筋混凝土梁、柱進行了抗震性能研究，了解玄武巖纖維的加固效果。目前，應(yīng)用玄武巖纖維對框架節(jié)點的加固研究很少，眾多“抗震性能鑒定與加固”的研究對象大都是未受地震損壞的建筑物[8?9]。在“5·12汶川大地震”中，大量建筑物受到震損，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的損傷集中于節(jié)點處，亟需采用有效的加固修復(fù)技術(shù)進行加固修復(fù)。為此，本文作者以受地震預(yù)損的框架節(jié)點為研究對象，運用玄武巖纖維進行加固、補強，進而研究其修復(fù)后的抗震性能，以便為指導(dǎo)抗震損傷修復(fù)工作提供參考依據(jù)。

1 試驗方法的選擇

(1) 設(shè)計帶板帶和正交梁的三維框架節(jié)點試件。在“5·12汶川大地震”中，有些按照“強柱弱梁”設(shè)計的框架房屋出現(xiàn)了“強梁弱柱”的現(xiàn)象，而在以往科研性試驗中，低周反復(fù)荷載作用下的二維“十”字節(jié)點常出現(xiàn)“強柱弱梁”的形式破壞，且節(jié)點核心區(qū)常出現(xiàn)斜交叉裂縫。其原因之一為二維十字節(jié)點[10?11]沒有平面外混凝土樓板和正交框架梁的約束，忽略了樓板與框架梁的作用，因此，試驗采用三維空間框架節(jié)點更符合試驗要求。

(2) 為了模擬中小地震中受損的房屋框架節(jié)點，試驗對框架節(jié)點試件預(yù)先進行低周反復(fù)破損加載。

(3) 采用環(huán)氧樹脂漿對裂縫進行修補。近年來，環(huán)氧樹脂漿普遍用于裂縫修補，但在震損結(jié)構(gòu)修復(fù)中應(yīng)用不多。

(4) 采用玄武巖纖維對震損的框架節(jié)點進行修復(fù)和加固，評價玄武巖纖維黏貼加固方法的效果。

(5) 施加低周反復(fù)荷載模擬地震作用。

2 試驗設(shè)計與實施方法

2.1 試件的制作及加固方法

各個試件的尺寸、配筋量和配筋形式均相同，主梁截面面積(長×寬)為150 mm×300 mm，柱截面面積為200 mm×200 mm，板寬為800 mm，厚為60 mm，垂直于平面內(nèi)的框架梁截面面積(長×寬)為 150 mm×250 mm，梁和柱的長度取反彎點之間的距離。試件設(shè)計如圖1所示。

試驗共制作了 5個試件，為 J0～J4。其中：試件J0為對比試件，不經(jīng)加固直接加載至破壞；對試件J1～J3，先進行模擬地震荷載(低周反復(fù))的預(yù)損，再用玄武巖纖維加固后加載至破壞(試件J1和J2在加固前采用環(huán)氧樹脂漿進行裂縫修補)；對試件 J4不進行預(yù)損，用玄武巖纖維加固后加載至破壞，對試驗節(jié)點J1，J2，J3和J4的加固方式均相同，如圖2所示。加固材料玄武巖纖維布抗拉強度為3.2 GPa，彈性模量為90GPa，延伸率為2.7，混凝土強度等級為C25。所有試件是同批澆筑而成。

圖1 試驗C-BJ構(gòu)件配筋圖Fig.1 Details of C-BJ

圖2 節(jié)點玄武巖試件C-BJ纖維加固圖Fig.2 Details of C-BJ strengthened with basalt fiber sheets

2.2 試驗加載制度

試驗中試件豎向荷載一次性施加，且保持恒定，柱端加載豎向軸力為200 kN，保持軸壓比為0.5。水平荷載的施加采用荷載和變形雙重控制方法：梁受拉鋼筋屈服前采用荷載控制加載，每級荷載循環(huán)2次，梁受拉鋼筋達到屈服時的加載點屈服位移為δy，梁受拉鋼筋屈服后采用水平位移控制等幅、變幅加載，每級等幅循環(huán)3次。接著再增大試件加載點位移進行下一步加載。當(dāng)試件承載力下降到最大荷載Pmax的85%或滯回環(huán)出現(xiàn)不穩(wěn)定時，終止試驗。試驗所有測點數(shù)據(jù)由DH3817靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀自動采集。節(jié)點的試驗結(jié)果見表1。

表1 節(jié)點的加載制度和加固方式Table 1 Loading regime and strengthened scheme of C-BJ

2.3 試驗現(xiàn)象

2.3.1 試件J0的試驗現(xiàn)象

當(dāng)試件J0柱頂位移達到24 mm時，主梁底與柱交接處開裂，正交梁底與柱交接處開裂；當(dāng)位移為36 mm時，板沿正交梁邊出現(xiàn)貫穿性裂縫；板面與柱交界處混凝土開始變得疏松、剝落，梁下部柱角開裂，出現(xiàn)橫向裂縫；當(dāng)位移為48 mm時，柱下角部混凝土持續(xù)剝落，板在4個角部沿正交梁邊均出現(xiàn)貫穿性裂縫；當(dāng)位移為60 mm時，柱角部裂縫連成一片，主梁底部與柱交界處混凝土壓碎，露出骨料；當(dāng)位移為72 mm時，下柱核心區(qū)混凝土剝離，主梁底部出現(xiàn)裂縫；當(dāng)位移為84 mm時，上、下柱的角部混凝土剝落，柱縱筋外露，柱根箍筋外露；當(dāng)位移為90 mm時，節(jié)點承載力明顯下降，節(jié)點失效，試驗終止。

2.3.2 J1～J4試件的試驗現(xiàn)象

將試件J1預(yù)損至33 mm，試件J2(灌縫)和J3(不灌縫)均預(yù)損至26 mm，試件J4未經(jīng)預(yù)損，當(dāng)位移為33 mm時，縱向鋼筋達到屈服。對試件J1～J4用玄武巖纖維加固后進行加載試驗，4個構(gòu)件的宏觀試驗現(xiàn)象類似，以試件J1的試驗現(xiàn)象為例：當(dāng)柱端水平荷載加載至30 kN時，膠體薄弱部位拉裂，發(fā)出零星脆裂聲；當(dāng)位移控制在24 mm時，節(jié)點區(qū)纖維內(nèi)有脆裂聲，板底沿正交梁方向出現(xiàn)裂縫；當(dāng)位移為36 mm時，節(jié)點的脆裂聲變得較密集和劇烈，板裂縫已經(jīng)貫穿板面；當(dāng)位移為 60 mm時，主梁底和柱的交界處出現(xiàn)裂縫，主梁底與柱交界處的部分纖維被撕裂，上柱角出現(xiàn)裂縫；當(dāng)位移為72 mm時，梁底與柱交接處混凝土剝落，正交梁至板底的纖維脫離混凝土表面；當(dāng)位移為96 mm時，主梁頂部分纖維鼓起，脫離混凝土表面，正交梁底柱側(cè)纖維U形箍斷裂，上柱四周混凝土鼓起，局部混凝土碎裂；當(dāng)位移為108 mm時，混凝土發(fā)出很大的爆裂聲，正交梁端面出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)裂縫；當(dāng)位移為120 mm時，核心區(qū)處混凝土酥松，剝落嚴(yán)重。試驗后撕開纖維發(fā)現(xiàn)：柱根處混凝土碎裂，主梁與節(jié)點有脫離跡象。

2.3.3 構(gòu)件承載力對樓板的影響

當(dāng)加載位移達到24～36 mm時，樓板即開裂，是最先開裂的構(gòu)件之一。隨著位移的增大，板裂縫的數(shù)量很快增加并貫通，裂縫的寬度在各構(gòu)件中為最大，這從側(cè)面說明了受力過程中樓板鋼筋被充分利用。樓板鋼筋進入強化階段后，對節(jié)點受拉的約束會增強，說明樓板對于框架梁抗彎承載力的貢獻不容忽視。

2.3.4 正交梁對于構(gòu)件承載力的影響

在整個試驗過程中，節(jié)點核心區(qū)未出現(xiàn)斜向?qū)橇芽p或交叉裂縫。臨界破壞面與二維十字平面框架節(jié)點的情況不同：二維十字平面框架節(jié)點在水平力作用下，往往易出現(xiàn)對角裂縫或交叉裂縫，核心區(qū)易發(fā)生剪切破壞[12]；而正交梁與主梁、柱、板組合成一個空間框架節(jié)點，使節(jié)點核心區(qū)具有較好的受力性能[13]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試件的破壞模式分析

試件J0首先在梁柱交界處出現(xiàn)“梁鉸”。隨著位移增大，節(jié)點處柱端出現(xiàn)裂縫，逐漸形成“柱鉸”，最終上、下柱端與節(jié)點相交處發(fā)生破壞，使承載力喪失，破壞模式為柱端彎曲和核心區(qū)剪切的混合破壞。

由試件J1～J4的試驗現(xiàn)象可知：板先于梁開裂，其原因是梁、柱在灌縫后加固變強。初始階段的膠體開裂表明：玄武巖纖維參與受力的時間較早；與試件J0相比，試件J1，J2和J3的纖維加固效果明顯，最終因梁與節(jié)點脫離(同時也有柱端混凝土壓碎現(xiàn)象)，承載力喪失，近似于“強柱弱梁”型破壞。

3.2 試件的滯回和骨架曲線

試件J0和J1的滯回和骨架曲線分別如圖3和圖4所示。從圖3可以看出：試件J0在位移為8 mm左右保持較好的線彈性；在位移為24 mm時，滯回曲線開始出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象；隨著水平位移的增大，“捏攏”現(xiàn)象更加明顯，當(dāng)位移達到48 mm時，滯回曲線每一輪開始加載時會出現(xiàn)水平段(零滑移)，之后，滯回曲線呈倒“S”形并逐漸向位移軸傾倒，節(jié)點的初始剛度越來越小。

加固節(jié)點以試件J2節(jié)點為例。試件J2在位移為12 mm左右時不再保持較好線彈性；在位移為36 mm時，滯回曲線開始出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象；當(dāng)位移達到60 mm時，滯回曲線呈倒“S”形并向位移軸傾倒，如圖5所示。

需要指出的是：加固節(jié)點的“捏攏”形成機制與試件J0的“捏攏”形成機制不同。試件J0強烈的“捏攏”現(xiàn)象主要是柱端破壞和節(jié)點核心區(qū)剪切破壞后變形所致；而加固節(jié)點的“捏攏”是梁端根部縱筋屈服后，因受拉產(chǎn)生的裂縫在反向加載初期未能閉合，彎矩只能由鋼筋內(nèi)力偶提供，導(dǎo)致構(gòu)件剛度下降。當(dāng)裂縫閉合后，梁受壓區(qū)混凝土參與工作，滯回曲線再次變得陡峭。

圖3 試件J0滯回和骨架曲線Fig.3 Hysteresis and skeleton curves of J0

圖4 試件J1滯回和骨架曲線Fig.4 Hysteresis and skeleton curves of J1

圖5 試件J2滯回和骨架曲線Fig.5 Hysteresis and skeleton curves of J2

試樣J3和J4的滯回和骨架曲線分別如圖6和圖7所示?？梢姡杭庸毯笤嚰厍€的捏攏現(xiàn)象和零滑移現(xiàn)象與試件 J0的相比均有所減少，滯回環(huán)更加飽滿，可見節(jié)點的耗能能力和抗震性能在加固后有明顯提高。預(yù)損程度對于試件彈性狀態(tài)下的剛度影響不大，這是灌縫與混凝土黏結(jié)的結(jié)果。裂縫灌漿在彈性階段較明顯，但當(dāng)混凝土的裂縫逐漸增大時，灌漿對于預(yù)損裂縫的修復(fù)作用不再明顯。

3.3 玄武巖纖維布(BFH)及鋼筋荷載?應(yīng)變分析

3.3.1 柱環(huán)向玄武巖纖維布應(yīng)變分析

圖6 試件J3滯回和骨架曲線Fig.6 Hysteresis and skeleton curves of J3

圖7 試件J4滯回和骨架曲線Fig.7 Hysteresis and skeleton curves of J4

圖8 試件J4柱端環(huán)向纖維布滯回曲線Fig.8 Hysteresis curves of circumferential BFH of J4 on column

圖8 所示為未受損直接加固節(jié)點J4的柱端環(huán)向纖維布荷載?應(yīng)變滯回曲線。可見：在循環(huán)加載初期，環(huán)向玄武巖纖維的應(yīng)變非常小，基本上低于1.5×10?4ε，直到柱頂端位移達60 mm之后，應(yīng)變才有較大幅度增長。經(jīng)分析可知：在加載初期，混凝土處于單向受力狀態(tài)，而環(huán)向玄武巖纖維布對柱混凝土提供被動約束，試驗測得的應(yīng)變并不大；隨著位移的增大，混凝土柱產(chǎn)生較大的橫向膨脹和變形，玄武巖纖維布的環(huán)箍效應(yīng)逐漸體現(xiàn)出來。在整個加載過程中，柱環(huán)向玄武巖纖維布的應(yīng)變低于8×10?4ε。試驗現(xiàn)象表明：加固節(jié)點柱子剪切變形很小，最終破壞也并非剪切破壞。

3.3.2 梁縱向玄武巖纖維布應(yīng)變分析

試件J1和J2的梁頂、梁底玄武巖纖維應(yīng)變片的滯回曲線如圖9～10所示。梁端彎曲裂縫最先出現(xiàn)在梁根。由圖9可知：玄武巖纖維布的拉應(yīng)變隨著荷載的增加而增加，最大應(yīng)變?yōu)?7.3×10?3ε，說明縱向纖維充分發(fā)揮了受拉的作用，雖然存在水平滑移，梁、板開裂后纖維依然發(fā)揮作用；在加載后期，板上及梁底的裂縫穿過玄武巖纖維，纖維保持高應(yīng)力，直至纖維被拉斷為止。與未預(yù)損的試件 J4的纖維布應(yīng)變相比，被預(yù)損的J1和J2構(gòu)件的纖維布應(yīng)變較大，隨著梁根部彎曲裂縫的發(fā)展，當(dāng)位移超過36 mm后，應(yīng)變增加較快。

圖11～12所示為試件J0和J1節(jié)點柱縱筋應(yīng)變。經(jīng)比較可知：J0在鋼筋未屈服時就出現(xiàn)了黏結(jié)滑移現(xiàn)象，而加固后柱在加載中后期才出現(xiàn)柱縱筋屈服(此時梁鋼筋已經(jīng)屈服，梁已開裂)、鋼筋滑移，說明柱端裂縫遠(yuǎn)滯后于梁端裂縫，近似實現(xiàn)了“強柱弱梁”要求。

圖9 J1梁頂縱向纖維滯回曲線圖Fig.9 Hysteresis curves longitudinal BFH of J1 at top of beam

圖10 J2梁底玄武巖纖維布滯回曲線Fig.10 Hysteresis curves of circumferential BFH of J2 at bottom of beam

圖12 J1節(jié)點柱縱筋滯回曲線Fig.12 Hysteresis curves of longitudinal bar of J1 on column

3.4 加固節(jié)點抗震性能評價

3.4.1 不同試件極限承載力和0.85Pmax時的位移

加固方法的效果可以從節(jié)點的極限承載力和0.85Pmax時的位移等比較結(jié)果進行判斷，結(jié)果如表 2所示。

表2 構(gòu)件極限承載力和延性的加固效果對比Table 2 Comparison of C-BJs’ ultimate strength and ductility after rehabilitation

由表2可知：玄武巖纖維加固后節(jié)點極限承載力提高有限，最大提高了11.50%，但在0.85Pmax時，位移和承載力峰值位移提高顯著，最大達48.88%。這表明玄武巖纖維加固可明顯提高節(jié)點延性。對比玄武巖纖維加固節(jié)點J1和J4可知：預(yù)損對于極限承載力來說其影響并不顯著；對比節(jié)點J2和J3可知：灌縫處理提高極限承載力影響較小。

3.4.2 承載力退化

圖13 玄武巖纖維加固構(gòu)件承載力降低系數(shù)Fig.13 Degradation factor of C-BJs’ strength

由圖13可見：隨著柱端位移的不斷加大，各節(jié)點試件均發(fā)生承載力退化現(xiàn)象。其中：試件J0呈直線下降趨勢，承載力衰減最嚴(yán)重，強度退化很明顯，這與其柱端和節(jié)點近似于脆性破壞的特征一致；試件J1～J4位移達到36 mm之前承載力降低很快，趨勢與J0的承載力降低趨勢基本一致，其后，承載力下降的趨勢明顯趨緩，甚至有所上升，一般在位移為120 mm之后才緩慢下降，表現(xiàn)出明顯的延性破壞的特征。其原因是玄武巖纖維提供的是被動約束，只有節(jié)點產(chǎn)生較大變形之后才會充分作用，承載力退化的逆勢提高則說明加固材料逐漸參與工作。因此，可以認(rèn)為這種加固方法有效地提高了節(jié)點在加載后期的承載性能。

3.4.3 延性系數(shù)

采用極限位移δu和初始屈服位移δy的比值即位移延性系數(shù) μ =δu/δy來評價結(jié)構(gòu)在承受大的變形而承載力無顯著降低的性質(zhì)，它是構(gòu)件延性的宏觀反映，各節(jié)點的位移延性系數(shù)見表 3。本文中采用的是梁縱筋達到屈服時的位移為屈服位移，而極限位移采用的是0.85Pmax時的位移。

表3 不同試件的節(jié)點延性系數(shù)比較Table 3 Comparisons of C-BJs’ ductility for different fibers

未經(jīng)加固節(jié)點J0的延性系數(shù)為3.00，而加固后節(jié)點的延性系數(shù)基本上大于4.00。無論從延性系數(shù)還是極限位移，加固節(jié)點抗震性能有明顯提高，預(yù)損程度和灌縫對延性系數(shù)的影響不大。

4 結(jié)論

(1) 玄武巖纖維加固提高了節(jié)點極限承載力，最大提高11.50%。在整個加載過程中，節(jié)點剛度的提高比較明顯。此外，未預(yù)損節(jié)點的承載力和剛度比受損后加固試件的承載力和剛度高，預(yù)損程度略小的節(jié)點加固后的承載力也略提高；灌縫處理對極限承載力的影響并不明顯。

(2) 玄武巖纖維加固的作用明顯。相對于未加固的節(jié)點，經(jīng)玄武巖纖維加固的節(jié)點的極限位移提高約48.88%，說明加固后節(jié)點的延性提高明顯，灌縫處理和預(yù)損對節(jié)點修復(fù)后的極限位移的影響很小。

(3) 與未受損節(jié)點相比，經(jīng)玄武巖纖維加固的震損節(jié)點的滯回曲線和骨架曲線的形狀更加理想；從承載力退化程度看，當(dāng)位移超過36 mm后，加固節(jié)點的承載力退化程度與未加固節(jié)點的承載力退化程度相比較小。

(4) 經(jīng)過玄武巖纖維的加固，節(jié)點的最終破壞形式由柱端的壓彎和節(jié)點的剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱旱膹澢茐?，基本實現(xiàn)了“強柱弱梁”的設(shè)計要求。

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