碳纖維布和角鋼加固的混凝土柱抗震性能研究

劉燦

碳纖維布和角鋼加固的混凝土柱抗震性能研究

劉燦

廣東交通職業(yè)技術學院 土木工程學院, 廣東 廣州 510650

為了保證混凝土柱構件有很好的延性機制，對碳纖維布和角鋼加固的混凝土柱抗震性能進行研究。實驗選用的四榀框架為震后混凝土柱結構，給出四榀混凝土柱結構的加固方式和參數(shù)。實驗加載設備選擇液壓伺服加載設備，通過力與位移共同調控荷載加載，針對水平荷載，逐級加載直到試件出現(xiàn)開裂、柱底角鋼屈服，每級荷載均重復2次，直到試件被損毀，或水平荷載值迅速降低到低于最大荷載的85%，終止實驗。對實驗現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)在試件損壞的過程中，復合加固試件表面裂縫的間隔比單個加固方式更小。將承載力、延性分析、滯回曲線和骨架曲線、剛度退化情況作為衡量混凝土抗震性能的指標，結果表明，復合加固下試件極限荷載、延性系數(shù)以及承載力比單一加固試件更高，說明復合加固方式抗震性能更優(yōu)，滯回曲線、骨架曲線與剛度退化分析結果也驗證了這一結論，與單一角鋼加固方式和碳纖維布加固方式相比，復合加固方式對試件剛度退化有更大的延緩作用。

碳纖維布; 角鋼加固; 混凝土柱; 抗震性能

我國地震災害頻發(fā)，很多地區(qū)建筑物均面臨抗震問題。我國有關抗震規(guī)范對建筑的抗震要求以及對應的建立方案均有詳細規(guī)定，然而針對20世紀70年代前建立的混凝土柱來說，怎樣增強其抗震能力和震損后結構的加固，成為亟需解決的問題[1]。

文獻[2]以混凝土工作系數(shù)為參數(shù)，研究部分包裹高強混凝土柱(PEC柱)的抗震性能，對6根焊接H形鋼部分包裹高強混凝土柱進行低周反復荷載試驗。結果表明：不同設計參數(shù)下PEC柱的柱頂荷載-位移滯回曲線均為飽滿的梭形，在柱翼緣厚度不變的情況下，混凝土工作系數(shù)從0.36提升至0.39時，PEC柱的極限荷載提升了7.5%，極限位移減小了16.98%，這是由于高強混凝土的脆性導致的。位移角為1/35時，PEC柱承載力退化系數(shù)在0.95～0.99之間，位移延性系數(shù)在3.61～4.25之間，纖維摻量和截面形式下各試件的抗震性能指標。結果表明：TRC能夠有效約束RC柱核心混凝土，摻入一定體積摻量的PVA纖維后，TRC的限裂效果進一步增強，提高了加固柱的開裂荷載和峰值荷載；PVA纖維體積摻量在0.5%以內時，加固柱的延性得到改善，剛度退化速率減慢，耗能能力增強，但隨著體積摻量繼續(xù)增大，延性和耗能能力均有所降低，剛度退化速率增大；TRC加固圓柱的承載能力較低，但延性、剛度退化以及耗能能力均優(yōu)于其他兩種截面形式的TRC加固柱。PVA纖維體積摻量在0.5%以內較為合理，且TRC加固后圓柱的抗震性能更好。

本研究制作混凝土柱試件，通過碳纖維布、角鋼以及碳纖維布與角鋼符合加固的方式進行實驗，分析上述加固方式在模擬荷載作用下的抗震性能，為提高混凝土柱抗震性能提供依據(jù)。

1 試件設計和制作

實驗選用的四榀框架是震后混凝土柱結構，鋼筋錨固長度符合《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定。按照要求，給出四榀混凝土柱結構的加固方式和參數(shù)，用表1進行描述。除此之外，還制作了相同情況下未經加固的試件，編號依次是T1、T2和T3。

表1 混凝土柱結構的加固方式和參數(shù)

T1代表碳纖維布加固構件，T2代表角鋼加固構件，T3代表碳纖維布與角鋼復合加固構件。

實驗采用的碳纖維布、角鋼、碳纖維布用黏接劑性能指標用表2～表4進行描述。

表2 碳纖維布性能指標

表3 角鋼的材料特性

表4 碳纖維布采用黏接劑的性能指標

2 實驗設備和加載制度設計

2.1 實驗加載設備

實驗選擇的加載設備是液壓伺服加載設備，利用壓梁用地槽螺栓將試件固定于臺座，見圖1。

圖1 試件加載設備示意圖

混凝土柱豎向荷載通過同步液壓設備完成，利用豎向反力架施加，為了降低豎向荷載造成的水平摩阻力，在豎向反力架與墊板間安裝一個滾動支座，豎向荷載在液壓千斤頂?shù)淖饔孟聦崿F(xiàn)，水平荷載通過水平伺服作動器實現(xiàn)[4,5]。

2.2 加載制度設計

實驗在實際存在的建筑工程背景下完成，依據(jù)剪力技術求出底部等效剪力，并將其當成實驗加載的主要依據(jù)[6]。通過力與位移共同對荷載加載進行調控，針對水平荷載，逐級加載直到試件出現(xiàn)開裂、柱底角鋼屈服，每級荷載均重復2次，直到試件被損毀，或水平荷載值迅速降低到低于最大荷載的85%[7]，終止實驗。

3 實驗現(xiàn)象分析與電算驗算

3.1 實驗現(xiàn)象分析

只采用碳纖維布加固時，試件在拉力為110 kN的情況下，西混凝土柱西側位置有小裂縫出現(xiàn)，東混凝土柱在作動器工作過程中產生劈裂的聲音，碳纖維布與混凝土柱存在一定的剝離現(xiàn)象。在荷載級數(shù)逐漸升高的情況下，裂縫越來越大，最后出導致碳纖維布和混凝土柱剝離，鋼筋應變是691 με，應力是135 MPa，沒有達到屈服。

只采用角鋼加固時，試件在拉力為120 kN的情況下，兩側混凝土柱的表面以及地梁和混凝土柱交界位置出現(xiàn)混凝土起鼓脫皮的現(xiàn)象，裂縫逐漸變大。在拉力為140 kN的情況下，隨著荷載的逐漸增加，會出現(xiàn)噼啪的聲響，角鋼和混凝土表面剝離。

采用碳纖維布和角鋼復合加固的方式時，在試件水平拉力達到170 kN的情況下，混凝土柱的損毀主要集中于梁柱節(jié)點位置，碳纖維布與角鋼均和混凝土柱表面剝離，裂縫在短時間內變大。

比較不同加固方式下試件的實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，經加固后試件損毀的位置一般在結點周圍，最終出現(xiàn)粘結損壞。只采用碳纖維布和角鋼加固的混凝土柱試件加固材料與混凝土出現(xiàn)粘接損壞，而采用碳纖維布和角鋼復合加固時，分析應變測量結果可以看出，在試件出現(xiàn)損壞的情況下角鋼沒有達到屈服應變，而加固材料和混凝土柱出現(xiàn)粘接損壞。除此之外，混凝土柱地板和表面剝離后，柱底部位置的裂縫在短時間內增大，可以看出加固材料對裂縫的變大有很好的約束作用。在混凝土柱底鋼板鼓起的情況下，鋼板和碳纖維材料依舊相連，表明加固材料間的粘接效果很好。

采用碳纖維布進行加固時，碳纖維布和試件間出現(xiàn)粘連損壞，混凝土柱底有剝離現(xiàn)象。在裂縫寬度一致的情況下，與復合加固方式下試件相應荷載值相對較高，也就是在荷載相同時，只采用角鋼加固的試件裂縫更寬，說明復合加固的方式能夠對試件結構裂縫產生約束作用，對貫通裂縫的產生有很大的延緩作用。在試件損壞的過程中，復合加固試件表面裂縫的間隔比單個加固方式更小。

3.2 電算和實驗結果比較

圖2所示的是實驗試件實驗值和計算值的比較結果。分析圖2可知，試件實驗結果和計算結果相比，屈服前和屈服后上升階段曲線有較好的吻合結果，而下降階段實驗值與計算值相比相對較高，也就是計算結果相對保守，計算過程中選用的試件模型與加載制度是合理的。

圖2 實驗值和計算值比較結果

4 碳纖維布和角鋼加固的混凝土柱抗震性能研究

4.1 承載力研究

表5所示的是三種試件加固結果。由表5中的數(shù)據(jù)可知，T3的極限荷載比T1與T2更高，說明復合加固方式和只采用碳纖維布、只采用角鋼腳骨的方式相比，有更高的承載能力，抗震性能更優(yōu)。

表5 承載力比較結果

4.2 延性研究

混凝土柱在地震環(huán)境下變形能力的優(yōu)劣為評價混凝土柱抗震性能的主要指標，而變形能力通常通過延性系數(shù)與層間位移角衡量[8,9]。

在對混凝土柱抗震性能進行研究的過程中，延性為非常重要的一個指標，其是試件塑性變形能力的體現(xiàn)，可有效衡量抗震性能的優(yōu)劣[10]。按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》，混凝土柱試件延性系數(shù)可通過下式求出：

式中，?用于描述極限位移，?用于描述屈服位移。

現(xiàn)階段在進行混凝土柱抗震設計的過程中，一般把層間位移角當成衡量變形能力的指標，從具體的建筑工程應用的角度分析，層間位移角和延性分析非常關鍵。

表6和表7所示不同試件加固前后層間位移角和位移延性系數(shù)變化。其中，Δ用于描述開裂荷載相應位移，Δ用于描述屈服荷載相應位移，Δ用于描述極限荷載相應位移，用于描述延性系數(shù)。

表6 試件加固前層間位移角和位移延性系數(shù)變化情況

表7 試件加固后層間位移角和位移延性系數(shù)變化情況

分析表6與表7可以看出，通過碳纖維布、角鋼和二者復合加固的方式層間位移與延性系數(shù)有很大差異，加固后開裂位移、屈服位移低于加固前，極限位移和延性系數(shù)高于加固前，說明加固方式能夠提高混凝土柱抗震能力。碳纖維布與外包鋼復合加固混凝土彎壓構件可同時發(fā)揮兩種材料的約束作用，加固后試件可取得比單一材料加固試件更好的延性性能。

4.3 滯回曲線和骨架曲線分析

圖3 試件滯回曲線

由圖3所示的不同試件的滯回曲線可知，只采用碳纖維布進行加固，試件有一定的彎壓損壞現(xiàn)象，滯回環(huán)形狀相對飽滿。采用角鋼加固的方式，試件滯回環(huán)變長，依舊較為飽滿。采用復合加固的方式，試件極限承載力和只采用一種加固方式相比有很大的提高。對被不同方式加固處理的試件進行比較可以看出，所有加固試件都有很好的變形性能與耗能性能，復合加固方式對混凝土柱抗震性能有很好的改善作用。

圖4 試件骨架曲線

由圖4所示的實驗骨架曲線可知，采用復合加固方式的試件骨架曲線有顯著的屈服點，在試件達到最大荷載后，下降較為平穩(wěn)，有較優(yōu)的延性效果。角鋼對混凝土柱的承載力有很大的影響，復合加固方式和角鋼加固方式下試件屈服前剛度基本一致，說明角鋼加固為增強試件剛度的關鍵。碳纖維布對試件承載力提高有一定的作用，然而作用不顯著，其對試件耗能性能的提高有顯著作用。

4.4 剛度退化分析

取各級荷載下正方向與負方向荷載的絕對值的和，將其和對應方向位移絕對值的和作比，當成各級荷載下的平均剛度。不同試件剛度衰減曲線用圖5進行描述。

圖5 試件剛度衰減曲線

由圖5可知，在位移逐漸增加的情況下，不同加固方式下試件剛度逐漸降低，荷載加載的前期與后期，三種加固方式下試件剛度衰減曲線在后期都逐漸趨于穩(wěn)定，但只采用碳纖維布加固試件剛度衰減速度比復合加固試件的剛度衰減速度更快，只采用角鋼加固試件和復合加固方式相比剛度衰減速度差異相對較小，說明角鋼加固方式對試件剛度退化有更大的延緩作用，而復合加固方式和采用單一方式加固試件相比剛度衰減最少，抗震性能最優(yōu)。

5 討論

復合加固的方式能夠對試件結構裂縫產生約束作用，對貫通裂縫的產生有很大的延緩作用。CFRP筋高韌性纖維混凝土柱表現(xiàn)出明顯的多縫開展特征和良好的變形能力；水平荷載下降至峰值荷載的85%，軸壓比越大，峰值荷載越大，滯回曲線的形狀越飽滿；剪跨比越大，極限水平位移越大，但峰值荷載越小。加固后試件的累積耗能較未加固試件提高2.0～4.2倍，仍具有良好的耗能能力，說明CFRP筋高韌性纖維混凝土柱具有良好的可修復性,，且碳纖維布加固的方法有效可行[11]。實驗結果和計算結果相比，屈服前和屈服后上升階段曲線有較好的吻合結果。開裂荷載與極限荷載較高。滯回環(huán)形狀相對飽滿且滯回環(huán)變長。試件滯回曲線呈飽滿的梭形，試驗結束時試件的等效黏滯阻尼系數(shù)均達到0.3以上，表現(xiàn)出了良好的抗震耗能性能[12]。骨架曲線有顯著的屈服點，在試件達到最大荷載后，下降的較為平穩(wěn)，有較優(yōu)的延性效果。剛度衰減較小。箍筋銹蝕后,混凝土受到的約束作用降低，導致混凝土柱抗震性能退化；隨著箍筋銹蝕量增大，柱破壞時的極限位移減小，滯回曲線出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象且逐漸明顯，強度降低程度和剛度衰減程度均增大[13]。

碳纖維布與角鋼復合加固混凝土彎壓構件，兩種材料均能發(fā)揮自己的作用,并且共同工作，說明該加固法對于框架柱的抗震加固是適用的。但是，受試件數(shù)量的限制，因而未能建立復合加固彎壓構件在往復荷載下的恢復力模型，因此，對復合加固彎壓構件在動力作用下的抗震性能與其在擬靜力作用下抗震性能的異同有待進一步研究。

6 結論

（1）復合加固下試件的極限荷載比單一加固試件更高，說明復合加固方式有更高的承載能力，抗震性能更優(yōu)；

（2）加固后開裂位移、屈服位移低于加固前，極限位移和延性系數(shù)高于加固前，說明加固方式能夠提高混凝土柱抗震能力。經復合加固處理試件的開裂位移和屈服位移與角鋼加固方式相差不大，低于碳纖維布加固，極限位移和延性系數(shù)高于只采用角鋼加固與碳纖維布加固方式，也就是說三種加固方式都有助于混凝土柱抗震，但復合加固方式抗震效果最好；

（3）由滯回曲線可知，所有加固試件都有很好的變形性能與耗能性能，復合加固方式對混凝土柱抗震性能有很好的改善作用；

由骨架曲線可知，采用復合加固方式的試件骨架曲線有顯著的屈服點，在試件達到最大荷載后，下降的較為平穩(wěn)，有較優(yōu)的延性效果。角鋼對混凝土柱的承載力有很大的影響，碳纖維布對試件承載力提高作用不顯著；

（4）只采用碳纖維布加固試件剛度衰減速度比復合加固試件的剛度衰減速度更快，只采用角鋼加固試件和復合加固方式相比剛度衰減速度差異相對較小，說明角鋼加固方式對試件剛度退化有更大的延緩作用。

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Study on Aseismatic Performance of Concrete Columns Strengthened with Carbon Fiber Sheets and Angle Steel

LIU Can

510650,

In order to ensure the ductility of concrete columns, the seismic behavior of concrete columns strengthened with CFRP and angle steel was studied. The four frames selected in the experiment are post earthquake concrete column structures, and the strengthening methods and parameters of four concrete column structures are given. The hydraulic servo loading equipment is selected as the experimental loading equipment. The load is controlled by force and displacement. For the horizontal load, the load is loaded step by step until the specimen cracks and the angle steel at the bottom of the column yields. Each load is repeated twice until the specimen is damaged, or the horizontal load value is rapidly reduced to 85% lower than the maximum load. The experiment is terminated. Through the analysis of the experimental phenomena, it is found that in the process of specimen damage, the surface crack interval of composite reinforcement is smaller than that of single reinforcement. The results show that the ultimate load, ductility coefficient and bearing capacity of the composite reinforced concrete are higher than that of the single reinforced concrete, which shows that the composite reinforced concrete has better seismic performance, and the results of the hysteretic curve, skeleton curve and stiffness degradation analysis also verify this At the same time, it is found that the angle steel reinforcement and the CFRP reinforcement have a greater delay effect on the stiffness degradation of the specimens.

Carbon fiber cloth; angle steel reinforcement ; concrete column; aseismatic performance

TU375.3

A

1000-2324(2021)03-0515-06

2019-04-02

2019-06-01

廣東省科技廳課題(2015A030310168)

劉燦(1977-),女,博士,講師,研究方向:結構工程教學、科研. E-mail:xkywh@sohu.com