碳纖維布加固柱抗震性能試驗(yàn)研究

葉 赟 程 昆 閆志榜

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.中鐵九局集團(tuán)第二工程有限公司，吉林吉林 132001)

0 引言

目前碳纖維布加固在建筑工程加固改造中的應(yīng)用越來(lái)越廣［1］，碳纖維布以其輕質(zhì)高強(qiáng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)備受歡迎。試驗(yàn)證明用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件對(duì)防止斜裂縫開(kāi)展、提高受剪承載力和改善構(gòu)件延性具有良好的效果［2，3］。

本文對(duì)受荷載作用下碳纖維布加固帶裂縫工作的RC柱進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究，反映加固受損RC柱的受力狀況，對(duì)工程抗震加固具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4根RC柱，試件1為對(duì)比柱不進(jìn)行加固，其余3根柱加固后進(jìn)行試驗(yàn)。試件幾何尺寸及配筋見(jiàn)圖1。柱截面尺寸為200 mm×200 mm，水平荷載作用點(diǎn)到柱底的距離為520 mm，剪跨比為 2.6，并按文獻(xiàn)［4］，［5］配置足夠數(shù)量的縱筋和箍筋，縱筋配筋率2.3%，配箍率0.50%?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為25 mm，碳纖維布采用沿柱高包裹的方式，纖維方向與柱中心線方向垂直，搭接長(zhǎng)度為150 mm，搭接縫沿柱子軸向交錯(cuò)布置。試件的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 混凝土、鋼筋及碳纖維布性能參數(shù)［6］

圖1 試件尺寸及配筋

表1 試件參數(shù)

1.3 試驗(yàn)加載制度

本試驗(yàn)加載制度依照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》［7］的規(guī)定，采用荷載—位移混合控制的加載方法。首先施加豎向軸力至預(yù)定值并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定，然后反復(fù)施加水平荷載。在試件縱筋屈服之前，采用荷載控制并分級(jí)加載，荷載按照10 kN，20 kN，30 kN，40 kN，50 kN逐級(jí)增加，每級(jí)荷載反復(fù)循環(huán)一次直至試件屈服達(dá)到屈服位移Δy;構(gòu)件屈服后，按柱頂水平位移控制加載，按0.25Δy進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)荷載循環(huán)三次，直至荷載下降到最大水平荷載的85%，此時(shí)認(rèn)為試件破壞停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載—位移滯回曲線

各試件的滯回曲線如圖2所示，滯回曲線分析如下:

1)縱筋屈服前，滯回曲線基本為直線;屈服后，隨著側(cè)向位移、循環(huán)次數(shù)的增加，殘余變形增大。

2)由圖2b)，圖2c)，圖2d)可以看出:加固柱的滯回環(huán)面積明顯增大，具有良好的耗能能力，說(shuō)明碳纖維布加固受損柱可以有效改善其抗震性能。加載后期，滯回曲線越來(lái)越偏向位移軸，反映出試件產(chǎn)生了一定的滑移。構(gòu)件屈服后滯回環(huán)有輕微的“捏縮”現(xiàn)象［8］，而隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，碳纖維布開(kāi)始與混凝土協(xié)同受力，滯回環(huán)變得十分飽滿。預(yù)裂裂縫相同，大軸壓比加固試件與軸壓比減小一半的加固試件相比，滯回特性的改善效果更加明顯。

3)由圖2c)可以看出:加固前柱的受損程度越大，加固后在低周反復(fù)水平荷載作用下，其滑移量也越大，但到加載后期，隨著滑移量的增加，滯回環(huán)相當(dāng)?shù)呢S滿，即具有較強(qiáng)的耗能能力。

2.2 骨架曲線及延性分析

由各試件的滯回曲線可得到相應(yīng)的骨架曲線。如圖3所示，從試件屈服到達(dá)極限荷載之前，各加固柱骨架曲線的斜率從小到大依次為:試件2，試件4，試件3，說(shuō)明在其他條件相同時(shí)，軸壓比高的受損柱加固后，剛度要高于軸壓比低的加固柱。加固試件3的峰值荷載最大。達(dá)到峰值荷載后，3個(gè)加固試件的骨架曲線下降段平緩且較長(zhǎng)，說(shuō)明試件仍具有一定的變形能力以及較好的延性。

圖2 各試件的荷載—位移滯回曲線

圖3 各試件骨架曲線的對(duì)比

由此可以得出:1)碳纖維布加固的受損RC柱，達(dá)到極限荷載后具有良好的延性，位移延性系數(shù)在4.6～6.6之間。軸壓比較小的受損柱加固后位移延性系數(shù)提高更加明顯，加固試件2的位移延性系數(shù)較對(duì)比柱提高了70%。2)軸壓比和預(yù)裂裂縫寬度對(duì)加固柱的位移延性系數(shù)有較大影響。軸壓比增大一倍，加固試件2與試件4相比，位移延性系數(shù)反而降低了30.6%;裂縫寬度增大一倍，加固試件4與試件3相比，位移延性系數(shù)提高了22.8%。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)預(yù)裂柱用碳纖維布加固后極限承載力均有一定程度的提高。當(dāng)軸壓比相同時(shí)，受損較嚴(yán)重的柱經(jīng)適當(dāng)?shù)男迯?fù)加固后，可以與受損較輕的柱具有基本相同的承載力。2)加固試件2的極限承載力與試件1相比提高了9.3%。說(shuō)明受損柱經(jīng)加固后，其承載力基本能恢復(fù)到受損前混凝土柱的承載力水平。采用碳纖維布橫向加固受損鋼筋混凝土可以有效約束核心區(qū)混凝土，但與對(duì)比柱相比，碳纖維布對(duì)承載力的貢獻(xiàn)不大，在低周反復(fù)水平荷載作用下，承載力主要取決于受拉縱筋，受壓區(qū)混凝土的貢獻(xiàn)其次［9］。3)軸壓比增大一倍，加固試件4與試件2相比，極限承載力提高了10.3%;裂縫寬度增大一倍，加固試件3與試件4相比，極限承載力提高了9.3%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)未加固RC柱和所有用碳纖維布加固后的受損RC柱最終破壞特征都表現(xiàn)為延性較好的彎曲破壞。軸壓比和預(yù)裂裂縫寬度對(duì)受損RC柱抗震性能具有較大影響。碳纖維布加固的受損鋼筋混凝土柱達(dá)到極限承載力后具有良好的延性，耗能能力明顯提高，剛度退化趨勢(shì)有所減緩。2)當(dāng)軸壓比相同時(shí)，受損較嚴(yán)重的柱(預(yù)裂裂縫1.0 mm)經(jīng)加固，可以與受損較輕的柱(預(yù)裂裂縫0.5 mm)具有基本相同的承載力;當(dāng)預(yù)裂裂縫寬度相同時(shí)，軸壓比越大，碳纖維布加固受損RC柱承載力提高幅度更顯著。3)用碳纖維布加固受損RC柱的位移延性系數(shù)都有了明顯的提高。加固柱的位移延性系數(shù)在4.6～6.6之間。軸壓比和預(yù)裂裂縫寬度對(duì)加固柱的位移延性系數(shù)影響較大。在其他條件相同時(shí)，隨著軸壓比增大，加固柱的位移延性系數(shù)反而降低，但仍能滿足抗震延性的要求。軸壓比相同，裂縫寬度較大的加固柱位移延性系數(shù)有一定程度的提高。

［1］蔡光汀，鄒 岳，侯云芬.碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的性能及應(yīng)用技術(shù)［J］.混凝土，2001(12):71-72.

［2］岳清瑞，陳小兵，牟宏遠(yuǎn).碳纖維材料(CFRP)加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)［J］.工業(yè)建筑，1998，28(11):26-29.

［3］趙樹紅，李全旺，葉列平，等.碳纖維加固混凝土柱受剪性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2000，30(2):16-19.

［4］GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］吳善能，虞嘵紅.考慮二次受力碳纖維布加固設(shè)計(jì)方法［J］.住宅科技，2001(7):46-47.

［7］JGJ 101-96，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.

［8］陸洲導(dǎo)，宋彥濤，王李果.碳纖維加固混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震試驗(yàn)研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2004(3):68-69.

［9］劉建起，王敬莎，丁乃慶，等.碳纖維加固預(yù)應(yīng)力梁抗彎承載力試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010(4):34-35.