碳纖維增強(qiáng)復(fù)合網(wǎng)格加固混凝土柱抗震加固技術(shù)性能研究

黃艷妮，王 津

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽 712000；2.陜西鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，渭南 714000）

在建筑工程與土木工程中，CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）憑借自身耐久性與耐腐蝕性的性能，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，尤其是在混凝土柱抗震加固技術(shù)方面?？拐鹦阅茉诮ㄖ┕み^程中非常重要，備受國內(nèi)外的關(guān)注。近年來，關(guān)于混凝土柱抗震性能的研究不多，特別是針對建筑物抗震加固技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，多數(shù)選用的為縮小一定比例的模型，模型與實(shí)物之間會(huì)有差別存在，因此，選用與實(shí)際建筑物相同尺寸的模型進(jìn)行試驗(yàn)來體現(xiàn)在實(shí)際施工過程中的真實(shí)反應(yīng)，對于加固抗震技術(shù)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1.1 試件選用

抗震試驗(yàn)所選用的模型是以實(shí)際工程為基礎(chǔ)展開進(jìn)行。3根試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭x用的均為包裹一層、二層碳纖維片及裸包土柱，截面尺寸為5m×5m，高為2.4m，加載點(diǎn)則在柱子反彎點(diǎn)處，通過試驗(yàn)對其抗震性能進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)選用土柱詳細(xì)參數(shù)見表1，表中編號分別表示無CFRP加固和封閉式粘貼。將反彎點(diǎn)設(shè)定在框架柱的1/2 處，CFRP 厚度選用為0.111mm，抗拉強(qiáng)度為3500MPa，彈性模為2.1×105MPa[1]。

表1 試件參數(shù)Tab.1 Specimen parameters

1.2 試驗(yàn)加載制度

本次試驗(yàn)3根試件加載制度相同，而裝置選用的為懸臂式。將試驗(yàn)柱子豎向受力控制在一定范圍內(nèi)，加載程序則采用荷載-位移混合控制，如圖1 所示。為使試件達(dá)到屈服狀態(tài)，可采用分級加載，每級為30kN，每級荷載循環(huán)一次。待試件屈服后了使用變形控制，以屈服位移倍數(shù)進(jìn)行加載，每級位移循環(huán)3次，等荷載值下降至80%左右時(shí)，停止試驗(yàn)[2]。

圖1 試驗(yàn)加載制度Fig.1 Test loading system

1.3 抗震性能分析指標(biāo)與方法

1.3.1 柱頂位移與抗剪抗震承載力

圖1 中試件柱的極限荷載和破壞荷載分別用Bu、Bd表示，屈服荷載則為By，極限位移、破壞位移及屈服位移分別為Pu、Pd、Py。

1.3.2 柱的延性

柱的延性具體指承載力無明顯下降情況下，其變形能力結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過彈性階段。彈性與極限變形差值通常用來表示結(jié)構(gòu)延性，比如Δf /Δy，則Δf/Δy≥4則結(jié)構(gòu)就有很好的延性[3]。因文中延伸性多用位移延伸系數(shù)來表示，以下公式是用于計(jì)算試件延伸性的大小。

公式（1）和（2）中β1、β2分別表示極限位移延性系數(shù)和破壞位移延性系數(shù)。?a為破壞位移，?b則表示屈服位移，而最大負(fù)荷對應(yīng)位移則用?r表示。水平荷載為低周反復(fù)加載方式，公式（1）、（2）中?r、?b、?a采用正反方向加載平均值[4]。

1.3.3 試件的滯回曲線

混凝土柱抗震加載技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算主要是通過滯回曲線所翻譯的試件柱破壞機(jī)制、消耗及變形能力、強(qiáng)度與剛度等。而滯回曲線則為荷載-位移曲線，即第一個(gè)加載周期得到的[5]。

1.3.4 試件的骨架曲線

試件骨架曲線具體指各級別加載峰值點(diǎn)連接的包絡(luò)線，該骨架曲線是每次循環(huán)荷載-位移曲線的主導(dǎo)峰值點(diǎn)的軌跡曲線。試件試驗(yàn)過程中破壞荷載及位移、極限荷載及位移、屈服荷載及位移的所有特點(diǎn)均可通過骨架曲線來體現(xiàn)，由此可見骨架曲線的作用在結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)中是極為重要的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)柱抗震抗剪承載力與柱頂位移

表2 所示數(shù)據(jù)中包裹CFRP 后與裸裹的試件柱By、Bu、Bd均有不同程度的增加[6]。Z-1 與Z-0 相比Dy、Du、Dd分別提高85.65%、154.64%、132.56%，Py、Pu、Pd也在之前基礎(chǔ)上提升至30.87%、11.20%、16.11%，；Z-2 和Z-0 相 比 較Py、Pu、Pd分 別提 高46.18%、13.92%、17.89%，而Dy、Du、Dd則提升了106.89%、184.20%和159.11%。

表2 試件抗震抗剪承載力與柱頂位移Tab.2 Seismic shear capacity and displacement of column top

通過表2 及數(shù)據(jù)比較得知，在不同荷載情況下，試件柱變形能力與抗剪承載力相比，有明顯提升。而荷載增加值明顯低于位移增加值，此時(shí)的極限位移最大增幅為184.20%。上述Z-2和Z-1比較得知，CFRP包裹層數(shù)的增加，促使試件柱的破壞荷載、屈服及極限荷載分別有不同程度的增加，試件柱的屈服位移、破壞位移及極限位移情況也如荷載情況相同，均有不同程度的增加[7]。其中，CFRP包裹層數(shù)對于柱頂位移和抗剪承載力的提升不顯著。

2.2 柱的延性

根據(jù)表3 試件柱延性系數(shù)所示，Z-0、Z-1、Z-2試驗(yàn)柱包裹CFRP 加固技術(shù)后，位移延性系數(shù)逐漸增大，且增加程度不一致。但通過包裹CFRP試驗(yàn)柱Z-1、Z-2的延性系數(shù)可見，CFRP層數(shù)包裹情況與延性系數(shù)之間存在的關(guān)系不大，充分體現(xiàn)論文CFRP 與加固柱延性的改善之間的線形增長關(guān)系并不簡單。而表中的延性系數(shù)也表明了，包裹一層CFRP 的使用效率，使加固柱的延性有了大幅度提升；包裹二層CFRP 的試驗(yàn)柱，難以充分自身作用，無法與試件共同工作，所以延伸性提升幅度較小。

表3 試件延性系數(shù)Tab.3 Ductility coefficient of test piece

2.3 事件的滯回曲線

試驗(yàn)柱滯回曲線，待加固試件屈服后與未加固試件相比較，曲線比較飽滿，同時(shí)，加固柱屈服荷載的滯回面積也比未加柱的大，充分體現(xiàn)了CFRP 加固后試驗(yàn)柱變形性能的提升，且吸收消耗地震能力的能力也有顯著提高，詳細(xì)系數(shù)可見表4。

表4 試件滯回耗能系數(shù)ψTab.4 Hysteretic energy dissipation coefficient ψo(hù)f specimen

“ψ”用來表示試件柱滯回耗能系數(shù)，具體是指試件柱在加載循環(huán)過程中能量與總循環(huán)過程變性能的比值。試件柱滯回系數(shù)隨著變形性能的增加而增長。由于加固屈服后的試驗(yàn)柱，裂縫的閉合、張開情況與未加固柱相比更加充分，致使柱與柱之間的摩擦消耗能力逐漸加大，充分體現(xiàn)了試驗(yàn)柱吸收能量能力也持續(xù)增大。通過表4 可見，Z-0 在不加固情況下，耗能系數(shù)與加固后的Z-1、Z-2相比系數(shù)較大，體現(xiàn)CFRP對混凝土柱的約束作用。而對應(yīng)滯回耗能系數(shù)Z-1、Z-2 之間差別不明顯，其主要原因是CFRP 二層包裹的約束性比一層包裹要大，使其開展程度小于一層包裹試驗(yàn)柱[8]。

2.4 試件的骨架曲線

屈服荷載前試件柱骨架曲線與屈服荷載后的骨架曲線有一定的相似，詳情可見圖2 所示。圖2 中骨架曲線是通過歸一化處理所得，該曲線具體表現(xiàn)了試驗(yàn)柱在破壞階段、彈塑性階段及彈性階段不同的工作狀態(tài)。試件柱在CFRP 加固前后破壞下降趨勢呈現(xiàn)一致，試件屈服前后，CFRP 加固柱剛度及下降速度和未加固試件相比存在顯著差異。充分說明了屈服后試件柱的剛度退化速度與CFRP 對混凝土柱的約束性有一定關(guān)聯(lián)。圖2 中試件骨架曲線Z-2 與Z-1 相比，剛度退化速度明顯小于一層CFRP 包裹試驗(yàn)柱，間接表明了CFRP 約束性套箍厚度的不斷加大與約束性加強(qiáng)有存在直接聯(lián)系。

圖2 試件歸一化骨架曲線Fig.2 Normalized skeleton curve of test piece

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)對CFRP 加固混凝土柱抗震技術(shù)性能進(jìn)行研究，詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示包裹CFRP 試件柱不僅柱頂位移有所增加，極限、屈服及破壞荷載也有不同程度的提升，且位移平均幅度與CFRP 層數(shù)包裹有直接關(guān)系[9]。混凝土柱變形能力的延伸也隨著CFRP 加固性能逐漸增強(qiáng)，同時(shí)，滯回曲線也變得更加的飽滿。由于鋼筋混凝土抗震消耗能力的顯著提升，其延伸性、變形能力及抗剪承載力也隨著增強(qiáng)，但在實(shí)際工程建設(shè)中，需根據(jù)自身具體情況合理選擇CFRP 包裹用于土柱抗震加固[10]。