方鋼管混凝土柱加固后抗震性能試驗(yàn)研究

楊炳，查昕峰（長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

彭威（海航實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，海南 ?？?570100）

盧夢(mèng)瀟，付晨曦（長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借著優(yōu)異的抗震性能逐步被工程設(shè)計(jì)人員所重視，在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1～3］。對(duì)于受力柱而言，因抗震設(shè)防調(diào)整和抗震設(shè)計(jì)變更等原因需要對(duì)現(xiàn)有柱進(jìn)行額外的加固補(bǔ)強(qiáng)，使其具備足夠的抗震能力。而《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS25：90）、《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS77：96）及《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ116－2009）雖然基于不同的結(jié)構(gòu)和材料提出了相應(yīng)的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，但均未涉及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。因此，研究方鋼管混凝土柱的抗震加固對(duì)于提高該類構(gòu)件的抗震能力具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)于鋼管混凝土的抗震加固研究不多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加固多借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［2］。王偉等［4］、侯東序等［5］、楊劍［6］、王家磊［7］、王蘇巖等［8］、劉香等［9］對(duì)碳纖維布加固鋼筋混凝土柱進(jìn)行了廣泛的理論分析和試驗(yàn)研究。劉義等［10］、郭俊平等［11］、王海東等［12］、劉立鵬等［13］將鋼材用于鋼筋混凝土柱的加固中，并取得了良好的加固效果。盧亦焱等［14］、周明杰［15］進(jìn)行了鋼板與碳纖維布復(fù)合加固柱的研究。近年來(lái)，隨著新材料和新工藝的層出不窮，越來(lái)越多的學(xué)者致力于將新的方法用于加固中。郭子雄等［16］發(fā)明了一種新型外包預(yù)應(yīng)力緊固鋼套，楊勇等［17］首次將包裝中的打包帶用于鋼筋混凝土柱抗震加固中。但關(guān)于方鋼管混凝土柱的抗震加固尚屬于空白，采用哪種方法加固能取得較好的加固效果，也未有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。

因此，筆者擬采用外包鋼套法和碳纖維布這2種方法加固方鋼管混凝土柱（碳纖維布因其出色的受力性能，已被應(yīng)用于工程加固領(lǐng)域；外包鋼套法則是對(duì)傳統(tǒng)外包鋼法進(jìn)行改良），通過(guò)對(duì)比加固柱的極限承載力、極限位移和耗能能力，分析這2種方法的加固效果和加固機(jī)理，檢驗(yàn)基于外包鋼套和碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的可行性，以便為方鋼管混凝土柱抗震加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照1∶2的縮尺比例設(shè)計(jì)并制作了3根方鋼管混凝土柱試件模型。3根試件模型的幾何尺寸完全相同，柱的有效高度為1120mm，柱截面尺寸為200mm×200mm×4mm。按照“強(qiáng)剪弱彎”原則設(shè)計(jì)，柱腳采用外露式剛接構(gòu)造，柱腳底板設(shè)置加勁肋板模型構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)試驗(yàn)軸壓比n為0.4，柱頂施加豎向軸力500kN，柱截面含鋼率ρa(bǔ)為8.5%，鋼管選用Q235B鋼材，屈服強(qiáng)度為362.8MPa，抗拉強(qiáng)度為422.3MPa。

1.2 加固設(shè)計(jì)

一共有3根試件，模型試件編號(hào)為Z－1、Z－2和Z－3。試件Z－1為對(duì)比試件，直接進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)，表1列出了試件柱加固參數(shù)。

試件Z－2采用CJ200－Ⅱ碳纖維布，其計(jì)算厚度為0.111mm，其物理力學(xué)性能如表2所示。加固設(shè)計(jì)參照CECS146：2003《碳纖維布片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，在柱加勁肋板頂端向上560mm的范圍內(nèi)環(huán)箍3層碳纖維布，加固示意見(jiàn)圖2。

試件Z－3采用外包鋼套加固，鋼套選用與鋼管等材質(zhì)等厚鋼材制作而成，根據(jù)被加固柱加勁肋板位置，制作出可以扣合的2個(gè)U型鋼套，再將2個(gè)鋼套用連接板焊接形成一個(gè)封閉環(huán)套，最后將鋼套的上下邊緣與柱焊接成一個(gè)整體，加固示意見(jiàn)圖3。

圖1 試件構(gòu)造示意圖（單位：mm）

表1 試件柱加固參數(shù)

表2 碳纖維布性能指標(biāo)

圖2 碳纖維布加固示意圖（單位：mm）

圖3 外包鋼套加固示意圖（單位：mm）

1.3 加載裝置及加載制度

在柱頂施加恒定軸壓力500kN，軸壓比為0.4，通過(guò)液壓伺服作動(dòng)器提供水平低周反復(fù)荷載來(lái)模擬地震作用。試驗(yàn)時(shí)，試件通過(guò)8?24高強(qiáng)螺栓固定在底座上，底座通過(guò)地錨螺栓與剛性地面相連。加載裝置見(jiàn)圖4。規(guī)定加載端那側(cè)為試件的后側(cè)，其相對(duì)一側(cè)即為前側(cè)，加載端的左右兩側(cè)分別為試件的左右側(cè)。采用位移控制加載，直到荷載下降至極限荷載的85%，停止加載。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象描述及破壞形態(tài)

先施加軸壓力并保持，檢查各儀器均正常后進(jìn)行水平加載。為便于描述，規(guī)定作動(dòng)器向前推為負(fù)，向后拉為正。

2.1 試件Z－1

試件Z－1直接進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。試件在水平荷載達(dá)到屈服荷載以前，沒(méi)有明顯的試驗(yàn)現(xiàn)象。試件屈服之后，柱根部前后側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)區(qū)部微凸。隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，前后側(cè)屈曲持續(xù)加大，并漸向環(huán)向發(fā)展。隨著柱頂位移的進(jìn)一步加大，前后側(cè)鼓曲的范圍進(jìn)一步加大并與左右側(cè)相連，形成了一個(gè)完整的呈燈籠形狀的外突環(huán)，最后因承載力下降至極限承載力85%以后終止試驗(yàn)。

圖4 加載裝置

2.2 試件Z－2

試件Z－2經(jīng)過(guò)碳纖維布加固后再加載至破壞。試件屈服前碳纖維布無(wú)明顯現(xiàn)象，且未聽(tīng)到任何異常聲響。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，試件前后側(cè)交替出現(xiàn)輕微鼓曲，結(jié)構(gòu)膠發(fā)出零星脆裂聲。繼續(xù)加載，試件前后側(cè)鼓曲進(jìn)一步極大，脆裂聲變得密集且持續(xù)，試件前側(cè)與左右側(cè)轉(zhuǎn)角處碳纖維布出現(xiàn)豎向裂縫。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，裂縫逐漸向兩側(cè)延伸，但碳纖維布并未完全拉斷。試件承載力下降至極限承載力的85%以下，且位移角過(guò)大造成軸力無(wú)法保持，終止試驗(yàn)。

2.3 試件Z－3

試件Z－3經(jīng)外包鋼套加固后再加載至破壞。首先在試件前后側(cè)交替出現(xiàn)微小鼓曲，出現(xiàn)鼓曲時(shí)對(duì)應(yīng)的位移滯后于試件Z－1。繼續(xù)加載，試件前后側(cè)鼓曲逐漸變大，且伴隨著前后側(cè)鋼套漆皮起皺。隨著加載位移和荷載加大，試件前后側(cè)鼓曲擴(kuò)展至試件左右側(cè)，但左右側(cè)鼓曲較為輕微。少許漆皮產(chǎn)生脫落，聽(tīng)到較為明顯的混凝土碎裂聲；承載能力下降，試件破壞。

各試件的破壞特征見(jiàn)圖5。對(duì)比可知，加固試件Z－2、Z－3的破壞形態(tài)和試件Z－1相同，均表現(xiàn)為同一位置形成塑性鉸的壓彎破壞，塑性鉸沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)移，說(shuō)明這2種加固方式具有其可行性和合理性。

圖5 各試件破壞形態(tài)

3 主要試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 滯回曲線

圖6為試件柱頂荷載－位移滯回曲線。從圖6可知：①各試件具有一些相同的滯回特征。加載初期，試件處于彈性工作階段，鋼管和混凝土能很好協(xié)同變形，荷載和位移基本呈線性關(guān)系，剛度退化不明顯；繼續(xù)加載，滯回環(huán)逐漸倒向位移軸，卸載后存在殘余變形，荷載和位移不再呈線性關(guān)系，剛度有所下降，試件進(jìn)入彈塑性階段，但滯回環(huán)包圍的面積逐漸變大；試件達(dá)到極限荷載后，同級(jí)位移下后次循環(huán)荷載值要低于前次循環(huán)，說(shuō)明各試件都存在承載力和剛度退化現(xiàn)象。伴隨著試件塑性鉸鼓曲加重，各試件滯回環(huán)包圍面積減小，耗能能力下降。②與未加固試件Z－1相比，試件Z－2、Z－3滯回曲線均更為飽滿，表明這2種方法加固后試件具有更好的變形能力和耗能能力，碳纖維布加固對(duì)提高試件水平承載力不明顯，外包鋼套加固可以顯著提高試件水平承載力。

圖6 試件滯回曲線

3.2 骨架曲線

試件的骨架曲線見(jiàn)圖7。由圖7可知：①試件Z－2和試件Z－1初始剛度相差不大，而試件Z－3比試件Z－1初始剛度有顯著提升，說(shuō)明碳纖維布加固不能增加試件的初始剛度，而外包鋼套加固可以顯著提高試件的初始剛度。②加固試件Z－2、Z－3達(dá)到極限荷載后，其骨架曲線下降段相對(duì)試件Z－1更加平緩，說(shuō)明承載力和剛度退化較試件Z－1要慢，這有利于試件更好地持續(xù)承受荷載，對(duì)于經(jīng)受地震作用時(shí)抗倒塌是十分有利的，加固試件的延性和耗能能力得到了明顯改善。

圖7 各試件骨架曲線

3.3 延性和耗能

1）延性 位移的延性系數(shù)μ采用式（1）計(jì)算：

式中，Δu為破壞位移，即荷載下降至0.85Pmax時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移，mm；Δy為屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移，mm［18］。

表3 試件承載力、位移和位移延性系數(shù)

從表3可知：①試件Z－2、Z－3的位移延性系數(shù)分別為5.04、4.64，而對(duì)比試件Z－1位移延性系數(shù)為3.97，說(shuō)明這2種加固方法均能不同程度改善試件的延性，且碳纖維布改善延性的效果要優(yōu)于外包鋼套加固法。②試件Z－2、Z－3極限荷載較試件Z－1均有不同程度提高，最大提高率分別為25.81%、9.49%，說(shuō)明碳纖維布和外包鋼套加固均能提高試件極限荷載。就提高程度而言，外包鋼套加固效果較為顯著。③試件Z－2、Z－3的極限位移為44.79mm和33.59mm，而對(duì)比試件Z－1的極限位移為33.56mm，表明碳纖維布加固提高了極限位移，而外包鋼套加固不能提高試件的極限位移。

2）耗能 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力可以看作延性的能量表達(dá)方式。滯回環(huán)的飽滿程度體現(xiàn)了構(gòu)件耗散地震能量輸入的能力，滯回環(huán)的面積表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力。采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來(lái)衡量試件的耗能能力［18］。

各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)he在0.32～0.49范圍內(nèi)，而鋼筋混凝土試件和型鋼混凝土試件的等效粘滯阻尼系數(shù)分別在0.1和0.3左右，說(shuō)明各試件的耗能能力強(qiáng)，耗能指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求。試件Z－2、Z－3的等效粘滯阻尼系數(shù)he較試件Z－1提高了43.75%、53.13%，表明2種加固方法均能顯著增強(qiáng)試件的耗能能力，有利于方鋼管混凝土柱的抗震，且外包鋼套法增強(qiáng)耗能能力的效果要優(yōu)于碳纖維布加固法。

表4 等效粘滯阻尼系數(shù)

3.4 承載力退化和剛度退化

1）承載力退化 承載力退化反映結(jié)構(gòu)的累計(jì)損傷，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，筆者對(duì)承載力退化采用各級(jí)加載控制位移下第3次循環(huán)的最大水平荷載與第1次循環(huán)的最大水平荷載之比來(lái)表示，退化曲線如圖8所示。

從圖8可知：隨著加載位移的持續(xù)增加，各試件均表現(xiàn)出不同程度的承載力退化現(xiàn)象，這主要是由于試件在持續(xù)加載過(guò)程中損傷累計(jì)所致。其中，試件Z－1承載力下降速度最快，而試件Z－2、Z－3承載力下降速度要慢于試件Z－1，表明這2種加固方法均能起到延緩試件承載力衰減的效果。需要指出的是，試件Z－1的承載力退化曲線表現(xiàn)出了起伏現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樘祭w維布加固屬于被動(dòng)約束，只有當(dāng)位移較大時(shí)，碳纖維才能充分發(fā)揮受拉作用。而位移達(dá)到44.8mm后，試件Z－2的承載力退化速度要快于試件Z－3，這是由于碳纖維布在加載過(guò)程中因受力較大而產(chǎn)生裂縫，約束作用下降所致，也與試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。

2）剛度退化 剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來(lái)表征，Ki按照同一級(jí)位移加載第一次循環(huán)的峰值荷載進(jìn)行計(jì)算，由于試件在彈性階段的剛度幾乎不退化，故筆者選取彈塑性階段之后的剛度作為研究對(duì)象，剛度退化曲線如圖9所示。

圖8 承載力退化曲線

圖9 剛度退化曲線

由圖9可知：①各試件的剛度在加載過(guò)程中都出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，而試件Z－3的初始剛度較試件Z－1顯著提高，但試件Z－2的初始剛度較試件Z－1提供不明顯，這說(shuō)明外包鋼套加固可以顯著提高試件初始剛度而碳纖維布加固對(duì)試件初始剛度影響不大。②加固試件Z－2、Z－3加載全過(guò)程試件剛度均明顯大于試件Z－1，且它們的退化速率要慢于試件Z－1，說(shuō)明這2種加固方法都能起到延緩試件剛度衰減的作用。CECS159：2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：“多、高層巨型鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)或主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)的多、高層矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋，在地震作用下的層間相對(duì)位移與層高之比值不宜大于下列數(shù)值：在多遇地震下，1／300；在罕遇地震作用下，1／50?！惫P者所使用的2種方法加固后位移角均滿足規(guī)范規(guī)定，且碳纖維布加固能提高試件的抗倒塌能力，有利于試件在地震到來(lái)時(shí)持續(xù)承載，從而提高了試件的延性性能。

3.5 加固效果對(duì)比

通過(guò)比較試件Z－1、Z－2和Z－3的破壞過(guò)程和相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)外包鋼套法加固效果更優(yōu)。原因如下：①碳纖維布雖然具有較好的抗拉強(qiáng)度，但加載后期還是會(huì)被拉斷，從而喪失了約束作用。而鋼套既具有抗拉強(qiáng)度又具有抗壓強(qiáng)度，延性性能要明顯優(yōu)于碳纖維布。②碳纖維布實(shí)際計(jì)算厚度較小，單位加固面積上，碳纖維布用量要遠(yuǎn)小于鋼材使用量。

3.6 加固機(jī)理分析

試件Z－2的破壞形態(tài)是典型的壓彎破壞，滿足“強(qiáng)剪弱彎”原則，同時(shí)碳纖維布有斷裂現(xiàn)象。碳纖維布屬于被動(dòng)約束，加載初期時(shí)可不考慮膠體的黏結(jié)作用，柱處于單向受力狀態(tài)。當(dāng)柱的根部出現(xiàn)鼓曲，碳纖維布才參加工作，開(kāi)始發(fā)揮約束作用。約束能力隨著柱鼓曲程度的增大而上升，直到加載后期鼓曲程度過(guò)大，超過(guò)了碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，造成碳纖維布被拉斷。整個(gè)加載過(guò)程中，碳纖維布充分發(fā)揮了其抗拉作用。試驗(yàn)結(jié)束后，很難剝離碳纖維布，說(shuō)明結(jié)構(gòu)膠工作性能良好，保證了碳纖維布的加固效果。

試件Z－3破壞形態(tài)與試件Z－2相同。加固過(guò)程中通過(guò)施焊使得鋼套與被加固柱成為一個(gè)整體，通過(guò)對(duì)比同一位移加載下的相同位置鋼材應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變差小，說(shuō)明外包鋼套參與工作時(shí)間較早。外包鋼套加固顯著增加了試件的初始剛度，加固部分對(duì)鋼管內(nèi)部核心混凝土具有更好的約束作用，不會(huì)由于核心混凝土碎裂而產(chǎn)生柱的側(cè)向剛度的突變。故減緩了試件塑性鉸發(fā)展的速率，利于試件持續(xù)承載，因此增加了試件的耗能能力。

4 結(jié)論

通過(guò)采用碳纖維布和外包鋼套加固柱的低周反復(fù)加載破壞試驗(yàn)，并分析試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，可以得出如下結(jié)論：

1）碳纖維布加固對(duì)試件承載力影響不大，最大提高率達(dá)9.49%，對(duì)試件的極限位移提高顯著，提高率達(dá)32%。加固后試件具有良好的彈塑性變形能力，其綜合抗震性能良好，滿足工程抗震設(shè)計(jì)需要。

2）外包鋼套加固試件對(duì)顯著提高了試件的水平承載力和初始剛度，承載力最大提高率達(dá)25.81%，耗能能力也有很大程度提升，說(shuō)明該加固方法對(duì)于提高抗震性能有效。

3）就提高試件的抗震性能而言，外包鋼套法抗震加固效果要優(yōu)于碳纖維布加固。

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