反復(fù)荷載作用下復(fù)合加固損傷混凝土柱性能的試驗(yàn)研究

王新玲， 李 靜， 牛學(xué)嬌

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 鄭州 450001; 2.河南工程學(xué)院 土木工程系 河南 鄭州450003)

0 引言

采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)布或鋼板加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究已趨成熟，也得到了較廣泛的應(yīng)用.單一材料加固混凝土結(jié)構(gòu)存在其局限性，用碳纖維材料橫向圍裹約束混凝土柱時(shí)承載力提高程度較小，但可以顯著約束混凝土柱的橫向變形及提高其延性[1-2]，用外包角鋼加固混凝土柱可以顯著地提高其承載力，但對(duì)柱橫向變形的約束能力卻較低[3]，且鋼板加固混凝土框架結(jié)構(gòu)，通常需要沿柱高和梁跨度進(jìn)行全部加固，造價(jià)高且工期較長.因此，近年來，CFRP布和鋼板(角鋼)復(fù)合加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)逐漸得以應(yīng)用.國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼板和CFRP布復(fù)合加固混凝土柱及節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行研究[4-7]，其中，CFRP布橫向纏繞加固混凝土柱及節(jié)點(diǎn)，鋼板僅需要在柱端及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP布約束應(yīng)力限制了混凝土的橫向變形，端部角鋼提高了柱的承載力，即使柱的承載力和延性大幅度提高，對(duì)復(fù)合加固柱的破壞也更具有可預(yù)測性.目前的研究主要針對(duì)未發(fā)生明顯損傷的混凝土柱，而針對(duì)損傷鋼筋混凝土框架柱，采用CFRP布和角鋼復(fù)合加固的研究尚未見報(bào)道.作者對(duì)CFRP布和角鋼復(fù)合加固損傷鋼筋混凝土柱進(jìn)行了反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)及加固柱性能的研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件概況

損傷的鋼筋混凝土柱試件為文獻(xiàn)[8]中的截面及配筋相同的2榀鋼筋混凝土框架，在水平低周反復(fù)荷載作用下試驗(yàn)至最大承載力，卸載后，將2榀框架梁從柱頂切掉，成為3根柱底嚴(yán)重?fù)p傷的鋼筋混凝土懸臂柱.采用以下加固方法：首先對(duì)柱沿高度方向進(jìn)行CFRP布箍加固(3個(gè)構(gòu)件相同，CFRP布寬度為100 mm)，為了使已形成塑性鉸的柱底重新成為固定端，在柱底采用反貼角鋼進(jìn)行加固，并用螺栓連接和結(jié)構(gòu)膠黏結(jié).角鋼采用3 mm厚鋼板焊接而成，為防止鋼板過早屈曲，在角鋼的直角處加腋，如圖1和表1所示，其中，L1和L2均為加固角鋼的長度，柱子的截面尺寸為170 mm×120 mm，混凝土強(qiáng)度為C30，柱頂纏繞的CFRP布是為防止加荷點(diǎn)混凝土局部壓碎.加固用鋼板、CFRP布及結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能[9]見表2.

表1各試件加固角鋼尺寸表

Tab.1The sizes of the strengthened angle steel mm

JZD-XL1L2tJZD-A2002003JZD-B2003003JZD-C2564003

注：JZD-X中的“X”為柱子的編號(hào).

表2鋼板、CFRP布及結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能

Tab.2Mechanical properties of steel, CFRP sheet and structural adhesive MPa

項(xiàng)目屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度鋼板320400CFRP布3200結(jié)構(gòu)膠70.319.4

1.2 試驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)

1.2.1模擬地震作用試驗(yàn)加載裝置 采用如圖2所示的液壓伺服加載裝置，試件通過臥梁用地槽螺栓固定在臺(tái)座上.水平荷載由水平伺服作動(dòng)器，通過水平反力墻提供作用于試件，水平伺服作動(dòng)器通過在柱端設(shè)置的拉桿和壓梁與柱相連接.其中，壓梁通過半球鉸與柱端連接，從而形成鉸接點(diǎn).豎向荷載通過液壓千斤頂施加11.85 kN的力，并保持不變.

圖1 JZD-X加固圖Fig.1 The figure of reinforced JZD-X

圖2 試驗(yàn)加載圖Fig.2 The figure of loading equipment

1.2.2試驗(yàn)加載制度 采用力-位移混合控制加載方法[10]，將柱底加固的鋼板上最大應(yīng)變達(dá)到屈服或CFRP布最大拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變對(duì)應(yīng)的荷載為屈服荷載.屈服前，每級(jí)水平荷載下反復(fù)2次；屈服后，以Δy的倍數(shù)為加載等級(jí)，每一級(jí)荷載下反復(fù)3次，直至試件破壞或水平荷載大幅度下降至最大荷載的85%以下，停止試驗(yàn).其試驗(yàn)現(xiàn)象及分析見文獻(xiàn)[9].

2 復(fù)合加固損傷混凝土柱的性能分析

2.1 加固柱延性分析

表3列出了加固柱的屈服位移、極限位移和延性系數(shù)，其中JZD-C的延性系數(shù)最大，3根柱隨著角鋼肢長的增加，極限位移和延性系數(shù)逐步增大.

表3 加固柱的位移及延性系數(shù)Tab.3 Displacement and ductility of strengthened columns

2.2 加固柱剛度衰減分析

在水平低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中，當(dāng)保持相同的峰值荷載時(shí)，峰值位移往往隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，這種現(xiàn)象稱為剛度退化.它反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的重要特點(diǎn)之一.

試驗(yàn)構(gòu)件的剛度退化可以取同一級(jí)變形下的環(huán)線剛度來計(jì)算，公式如下：

(1)

將各柱在不同延性系數(shù)下的環(huán)向剛度與延性系數(shù)為1時(shí)的環(huán)向剛度相比，即n=Kj/K1(j=1,2,3)，其曲線如圖3所示，可以看出，各試件隨著荷載和位移的增大，環(huán)向剛度逐漸降低，而且剛度退化均勻，未出現(xiàn)剛度突然下降的現(xiàn)象，而是發(fā)生較大的位移，可給人們明顯的警示.

圖3 加固柱剛度變化曲線Fig.3 The stiffness change curve of strengthened columns

2.3 加固柱承載力退化性能分析

承載力退化是指在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，當(dāng)保持峰值位移恒定不變時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)峰值荷載隨循環(huán)次數(shù)增加而降低的現(xiàn)象.它反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要組成部分.

承載力退化可以用承載力降低系數(shù)計(jì)算，公式如下：

(2)

依式(2)計(jì)算各柱在不同延性系數(shù)下的承載力降低系數(shù)，并將各延性系數(shù)下的承載力降低系數(shù)關(guān)系曲線繪于圖4.由圖可見,復(fù)合加固的試件在反復(fù)荷載下幾乎沒有承載力下降的現(xiàn)象,說明復(fù)合加固的試件抵抗反復(fù)荷載的能力較強(qiáng).

圖4 加固柱承載力降低系數(shù)曲線Fig.4 The capacity reduction curve of strengthened columns

3 加固材料的性能分析

3.1 CFRP布箍的滯回曲線分析

圖5為加固柱JZD-A的CFRP布箍的滯回曲線，可以看出，無論是推拉荷載，CFRP布箍均處于受拉狀態(tài).說明在豎向荷載和水平荷載的作用下，混凝土發(fā)生橫向膨脹，CFRP布箍限制了混凝土的橫向膨脹，增大了其變形能力，提高了柱的抗震性能.其中，圖5(a)為緊貼角鋼頂部CFRP布箍的滯回曲線，該處彎矩相對(duì)較大，所以其微應(yīng)變最大，達(dá)到800 με；圖5(b)為柱最上端的CFRP布箍的滯回曲線，對(duì)應(yīng)彎矩最小，其應(yīng)變最小，僅達(dá)到250 με；圖5(c)為圖5(a)和圖5(b)之間的CFRP布箍的滯回曲線，其應(yīng)變介于最大和最小之間，為350 με.但圖5(a)中CFRP布箍最大應(yīng)變值較圖5(b)中最大應(yīng)變值的增加量550 με，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖5(c)和圖5(b)之間的差值100 με，說明在角鋼頂端試件剛度突變，故此截面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使CFRP布箍應(yīng)變大幅度增加.

圖5 JZD-A的CFRP布箍的滯回曲線Fig.5 The hysteresis curve of CFRP for JZD-A

3.2 加固柱鋼板的滯回曲線分析

(1)豎向鋼板的滯回曲線

圖6為JZD-B豎向鋼板的滯回曲線，其中，圖6(a)、(b)分別為兩側(cè)鋼板底部對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)，可以看出，底部測點(diǎn)的滯回曲線應(yīng)變很大，均超過鋼板的屈服應(yīng)變1 600 με，同時(shí)滯回環(huán)面積也較大，表明此處鋼板承擔(dān)的應(yīng)力較大，可充分發(fā)揮其強(qiáng)度.而圖6(c)、(d)分別為兩側(cè)鋼板上部對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)，同樣可以看出，上部測點(diǎn)應(yīng)變較小，均小于600 με，滯回曲線面積也較小，說明此處鋼板均未達(dá)到屈服，未充分發(fā)揮其強(qiáng)度.綜合分析說明，角鋼加固鋼筋混凝土框架柱時(shí)，距離柱端部越來越遠(yuǎn)的位置的豎向鋼板發(fā)揮的作用大幅度減小，所以沿柱高均加固鋼板的方法，柱中間大部分鋼板不能充分發(fā)揮作用，會(huì)造成一定的浪費(fèi).

圖6 JZD-B豎向鋼板的滯回曲線Fig.6 The hysteresis curve of vertical steel for JZD-B

(2)水平鋼板的滯回曲線

圖7為JZD-C水平鋼板的滯回曲線，其中圖7(a)、(c)為左側(cè)鋼板的滯回曲線，圖7(a)為兩錨栓之間的測點(diǎn)，鋼板應(yīng)變較小，僅達(dá)到250 με，即受力較小；圖7(c)為錨栓一側(cè)測點(diǎn)且比圖7(a)測點(diǎn)靠近豎向鋼板，滯回曲線位于二、四象限，壓應(yīng)變明顯大于拉應(yīng)變，滯回曲線較飽滿，鋼板應(yīng)變大大超過了受壓屈服應(yīng)變-1 600 με，出現(xiàn)壓曲情況，和試驗(yàn)現(xiàn)象一致[9].圖7(b)、(d)為右側(cè)鋼板的滯回曲線，圖7(b)、(d)均為錨栓兩側(cè)的測點(diǎn)，其滯回曲線位于一、三象限，壓應(yīng)變大于拉應(yīng)變，在接近極限荷載時(shí)，滯回曲線偏向荷載軸，最大壓應(yīng)變接近屈服，滯回曲線較飽滿.由此說明，柱底水平鋼板在柱達(dá)到極限承載力時(shí)，均為壓曲破壞，這和試驗(yàn)現(xiàn)象(水平鋼板屈曲)一致[9].

圖7 JZD-C水平鋼板的滯回曲線Fig.7 The hysteresis curve of horizontal steel for JZD-C

4 結(jié)論

1)加固角鋼肢長越長，復(fù)合加固柱延性系數(shù)越大；復(fù)合加固柱在水平反復(fù)荷載作用下剛度衰減均勻；同級(jí)荷載下，承載力降低很小.

2)加固CFRP布箍起到了約束混凝土柱橫向膨脹的作用，且彎矩越大，發(fā)揮作用越大，但均未達(dá)到極限拉應(yīng)變.

3)加固豎向鋼板的底部滯回曲線最飽滿、應(yīng)變最大，均達(dá)到鋼板屈服應(yīng)變，距離柱底部位置越遠(yuǎn)，鋼板應(yīng)變?cè)叫。f明鋼板沿柱高全截面加固柱并不經(jīng)濟(jì).

4)加固水平鋼板的壓應(yīng)變大于拉應(yīng)變而達(dá)到鋼板的屈服應(yīng)變，表明水平鋼板均發(fā)生壓曲破壞，和試驗(yàn)結(jié)果一致.

5)即使已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷的混凝土柱通過CFRP布和角鋼復(fù)合加固，亦可具有較好的抗震能力.

參考文獻(xiàn)：

[1] Saadatmanesh H,Ehsani M R,Li M W.Strength and ductility of concrete columns externally reinforced with fiber composite straps[J]. Structural Journal,1994,91(4):434-447.

[2] Pantelides C P,Gergely J,Reaveley L D,et al.Retrofit of RC bridge pier with CFRP advanced composites[J].Journal of Structural Engineering,1999,125(10):1094-1099.

[3] 劉勻,張林緒,姜維山,等.外包鋼新材料灌漿加固鋼筋混凝土柱的研究與實(shí)踐[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1997,29(4):68-71.

[4] Sheikh S A,Yau G. Seismic behavior of concrete columns confined with steel and fiber-reinforced polymers[J]. Structural Journal, 2002,99(1):72-80.

[5] 陳少雄.CFRP布和角鋼復(fù)合加固鋼筋混凝土柱抗震性能研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[6] 盧亦焱，史健勇，趙國藩.碳纖維布和角鋼復(fù)合加固軸心受壓混凝土柱的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(5):18-23.

[7] 王步,夏春紅,王溥，等.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[J].施工技術(shù)，2006,35(4):74-78.

[8] 呂林．CFRP加固震后嚴(yán)重?fù)p傷混凝土框架的抗震試驗(yàn)研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2009.

[9] 王新玲，牛學(xué)嬌，黃小許. CFRP和角鋼共同加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震試驗(yàn)分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(S2):376-379.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ101—96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.