碳纖維布加固方鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究

楊炳，盧夢(mèng)瀟 （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 ?？?70100）

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

近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和良好的抗震性能在抗震設(shè)防區(qū)的高層和超高層建筑中有著廣泛應(yīng)用。作為結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件，柱的抗震性能的好壞直接決定著整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，地震來臨時(shí)，柱的坍塌則會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)的坍塌。而相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范，如《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023－2009）、《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）均未涉及到鋼管混凝土抗震加固問題。因此，研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固問題對(duì)于提高此類結(jié)構(gòu)抗震能力顯得尤為迫切和重要［1～3］。

碳纖維布（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、施工便捷和不增加構(gòu)件尺寸等優(yōu)點(diǎn)，逐步受到工程人員的重視，并在土木工程界得到廣泛運(yùn)用。碳纖維布在加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的加固效果［4～8］，國(guó)內(nèi)學(xué)者曹靖［9］、鄭云［10］、許成祥［1］等進(jìn)行了碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)理論分析和試驗(yàn)研究。但碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的研究尚無人進(jìn)行，也沒有檢索到相關(guān)文獻(xiàn)及報(bào)道。為此，筆者擬進(jìn)行碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)研究，考察軸壓比對(duì)碳纖維布加固效果的影響。通過對(duì)比加固柱的極限承載力、極限位移和耗能能力，檢驗(yàn)基于碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的可行性，以期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 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)是在長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成的?；诂F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，一共設(shè)計(jì)并制作了3根方鋼管混凝土柱，其中1根作為對(duì)比柱，不加固直接進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。其余2根均經(jīng)碳纖維布加固后再進(jìn)行加載試驗(yàn)，試件編號(hào)為C－0、C－1、C－2。試件示意如圖1所示，設(shè)計(jì)試驗(yàn)軸壓比為0.4，對(duì)應(yīng)柱頂軸壓力為500kN，柱的有效高度為1120mm。

1.2 試件材料性能

柱截面選用200mm×200mm×4mm的冷彎薄壁方鋼管，管內(nèi)填充C40商品混凝土，實(shí)測(cè)混凝土平均抗壓強(qiáng)度為39.2N／mm2，柱截面含鋼率ρa(bǔ)＝8.5%。鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見表1。采用CJ200－Ⅱ碳纖維布，其計(jì)算厚度為0.111mm，抗拉強(qiáng)度為3209.4MPa，彈性模量為2.5×105MPa，伸長(zhǎng)率為1.5。結(jié)構(gòu)膠選用環(huán)氧樹脂，加固示意見圖2。廠家提供結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度為50MPa，抗壓強(qiáng)度為81.3MPa，抗剪強(qiáng)度為16.4MPa。

圖1 試件構(gòu)造示意

表1 鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)值

表2 試件柱加固參數(shù)

1.3 碳纖維布加固

各試件加固參數(shù)見表2，加固設(shè)計(jì)參照《碳纖維布片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003）及《碳纖維加固規(guī)程》，在柱加勁肋板頂端處向上560mm的范圍內(nèi)環(huán)箍3層碳纖維布，碳纖維布加固如圖2所示。

1.4 加載裝置、加載制度及量測(cè)內(nèi)容

圖2 柱碳纖維布加固示意

圖3 試驗(yàn)加載示意

試驗(yàn)通過液壓伺服作動(dòng)器提供水平低周反復(fù)荷載來模擬地震作用，軸力通過油壓千斤頂和反力梁提供，加載示意如圖3所示。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)。

圖4 加載制度

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101－96）的有關(guān)規(guī)定，該試驗(yàn)采用位移控制的方法。加載點(diǎn)距柱底加勁肋板1120mm，加載程序如下：軸力通過液壓千斤頂一次性施加并保持恒定直至試驗(yàn)結(jié)束，往復(fù)水平力是通過施加位移來控制實(shí)現(xiàn)。加載初期，側(cè)移率×100%）為0.25%、0.5%、0.75%時(shí)，各循環(huán)加載1次；直到側(cè)移率為1%，按照側(cè)移率為1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%實(shí)施3次循環(huán)加載，直到試件水平承載力下降至極限承載力的85%時(shí)才終止加載。其中，Δ為水平位移，L為試件凈高度。加載制度如圖4所示。

試驗(yàn)量測(cè)主要內(nèi)容如下：用位移計(jì)量測(cè)每級(jí)水平循環(huán)加載中柱頂部的水平位移，位移計(jì)布置與加載點(diǎn)齊平，荷載－位移滯回曲線及應(yīng)變經(jīng)液壓伺服系統(tǒng)和電腦采集，應(yīng)變片布置如圖5所示。

圖5 鋼管表面應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

所有試件的加載程序及儀器布置都相同，為方便描述，規(guī)定作動(dòng)器向前推為負(fù)，向后拉為正。

2.1 試件C－0

試件C－0的軸壓比為0.4，不加固直接進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。位移±16.8mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，位移－13mm時(shí)，測(cè)點(diǎn)22、23應(yīng)變均超過屈服應(yīng)變；位移－15mm時(shí)，試件根部前側(cè)出現(xiàn)微小鼓曲，距加勁肋板50mm；同級(jí)位移反向加載時(shí)，鼓曲被拉平且后側(cè)出現(xiàn)微小鼓曲；位移±22.4mm的循環(huán)加載過程中，前后側(cè)鼓曲的程度和范圍進(jìn)一步加大，卸載后鼓曲不可恢復(fù)；位移±33.6mm的第2個(gè)循環(huán)加載過程中，位移＋33mm時(shí)，鼓曲范圍漸向環(huán)向發(fā)展，試件根部左右側(cè)腹板出現(xiàn)微小鼓曲現(xiàn)象；位移±44.8mm的循環(huán)加載過程中，試件根部鼓曲區(qū)域迅速膨脹變大，前后側(cè)鋼管漆皮紛紛起皺脫落，伴隨著混凝土碎裂的聲音；位移±56mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，柱根部出現(xiàn)嚴(yán)重鼓曲變形，承載能力下降，試件破壞。

2.2 試件C－1

試件C－1的軸壓比為0.4，經(jīng)碳纖維布加固后進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。位移±16.8mm的循環(huán)加載過程中，碳纖維布表面無明顯變化，偶爾會(huì)發(fā)出膠體的脆裂聲；位移±22.4mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，位移－14mm時(shí)，測(cè)點(diǎn)24應(yīng)變超過屈服應(yīng)變；第2個(gè)循環(huán)加載過程中，位移＋18mm時(shí)，試件后側(cè)產(chǎn)生微小的鼓曲。位移－20mm時(shí)，試件前側(cè)也產(chǎn)生微小鼓曲且后側(cè)的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的第2個(gè)循環(huán)加載過程中，柱前后側(cè)與左右側(cè)轉(zhuǎn)角處的碳纖維布均出現(xiàn)不同程度裂縫，試件前后側(cè)鼓曲進(jìn)一步加大，膠體的脆裂聲持續(xù)且變得更加密集；位移±44.8mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，試件的左右側(cè)碳纖維也開始出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象，轉(zhuǎn)角處碳纖維布裂縫進(jìn)一步向兩側(cè)延伸；位移±55.6mm的第2個(gè)循環(huán)加載過程中，試件前后側(cè)碳纖維布產(chǎn)生層狀撕裂，轉(zhuǎn)角處碳纖維布進(jìn)一步被拉斷；位移±66.8mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，因位移角過大，軸力不能穩(wěn)定，終止試驗(yàn)。

2.3 試件C－2

試件C－2的軸壓比為0.6，經(jīng)碳纖維布加固后進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。位移±16.8mm的循環(huán)加載過程中，碳纖維布無明顯變化，不時(shí)會(huì)發(fā)出膠體的脆裂聲；位移±22.4mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，位移－16mm時(shí)，測(cè)點(diǎn)24應(yīng)變超過屈服應(yīng)變；第2個(gè)循環(huán)加載過程中，位移＋20mm時(shí)，試件后側(cè)產(chǎn)生微小的鼓曲。位移－20mm時(shí)，試件前側(cè)也產(chǎn)生微小鼓曲且后側(cè)的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的前2個(gè)循環(huán)加載過程中試件前后側(cè)鼓曲逐漸加大，且卸載后不能恢復(fù)；位移±33.6mm的第3個(gè)循環(huán)加載過程中，試件柱鋼管轉(zhuǎn)角處的碳纖維布出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；位移±44.8mm的第2個(gè)循環(huán)加載過程中，試件左右側(cè)也發(fā)生鼓曲現(xiàn)象；位移±55.6mm的循環(huán)加載過程中，試件柱根部碳纖維布產(chǎn)生不同程度破壞，表現(xiàn)在柱的四側(cè)的層狀破壞和轉(zhuǎn)角處的撕裂破壞；位移±66.8mm的第一個(gè)循環(huán)加載過程中，因水平荷載下降至極限荷載85%以下，試件宣告破壞，終止試驗(yàn)。

對(duì)比試件C－0和碳纖維布加固試件C－1、C－2的破壞形態(tài)，主要表現(xiàn)為壓彎破壞（見圖6）。從破壞特征及破壞區(qū)域來看，最終破壞位置位于柱根部，構(gòu)件具有較好的變形能力和較大的延性。塑性鉸沒有轉(zhuǎn)移，是最為理想的破壞模式。試驗(yàn)結(jié)束后，很難剝離包裹的碳纖維布，說明結(jié)構(gòu)膠工作性能較好，碳纖維布能較好的發(fā)揮約束作用。

圖6 試件破壞形態(tài)

3 滯回曲線

圖7為各試件柱頂荷載－位移滯回曲線。各試件具有一些共同的滯回特點(diǎn)：試件在屈服之前剛度基本保持不變，加卸載剛度基本相同。試件屈服之后，隨著加載位移的逐漸增加，加載曲線的斜率逐漸減小。同級(jí)位移情況下，第3次加載荷載要低于第1次加載荷載，說明在往復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷和一定程度的強(qiáng)度、剛度退化。越到加載后期，滯回曲線變得越加飽滿，表明塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力逐漸加強(qiáng)。

圖7 試件滯回曲線

對(duì)比可知，加固試件C－1、C－2的滯回曲線要比試件C－0飽滿，說明碳纖維布加固效果明顯。其他參數(shù)相同時(shí)，軸壓比較大的試件C－2具有比試件C－1更高的極限荷載，但是在達(dá)到極限荷載后，其承載力和剛度衰減要快于試件C－1，且破壞過程具有突然性，且破壞時(shí)達(dá)到的破壞位移下降，表現(xiàn)出延性性能要差于試件C－1。

4 骨架曲線

將各試件滯回曲線上每級(jí)循環(huán)的峰值點(diǎn)連接起來就可以得到骨架曲線。試件的荷載－位移骨架曲線見圖8。

從圖8中可以看出：

1）從試件屈服到達(dá)極限荷載之前，試件C－2骨架曲線的斜率要大于試件C－1的，說明在其他條件均相同時(shí)，高軸壓比時(shí)碳纖維布加固柱的剛度要高于軸壓比低的加固柱；

2）碳纖維布加固能不同程度提高試件極限承載力，軸壓比較大試件經(jīng)碳纖維布加固后其極限承載力提高程度更大；

3）試件C－0到達(dá)極限荷載后，荷載下降較快。而試件C－1、C－2骨架曲線出現(xiàn)較大的水平段，且下降段更平緩，說明碳纖維布加固方鋼管混凝土柱能明顯改善試件的延性性能。

5 位移延性系數(shù)及耗能能力

位移的延性系數(shù)μ采用公式μ＝Δu／Δy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；Δy為屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移。試件承載力、位移和延性系數(shù)見表3。

圖8 試件骨架曲線

表3 試件承載力、位移和位移延性系數(shù)

由表3可知，碳纖維布加固方鋼管混凝土柱可以一定程度提高其極限承載力，極限位移也有一定程度提高，故可以明顯改善試件的延性。筆者認(rèn)為碳纖維布提高方鋼管混凝土柱延性的機(jī)理是碳纖維可以充分發(fā)揮受拉作用，限制了柱根部塑性鉸的發(fā)展速度，從而大大改善了試件的延性。比較試件C－0、C－2發(fā)現(xiàn)，軸壓比對(duì)碳纖維布加固效果有一定程度影響，軸壓比越大，碳纖維布加固柱的極限承載力提高程度可達(dá)18.66%，同時(shí)其延性提高率會(huì)下降。這主要是由于較大的軸壓力使得方鋼管混凝土柱的主壓應(yīng)力增大，降低了鋼管內(nèi)核心混凝土后期變形能力，較大的軸壓力還導(dǎo)致了P－Δ效應(yīng)增大，從而導(dǎo)致試件在達(dá)到極限荷載后承載力和剛度退化速度加快，這也和試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。

試件在加載過程中形成的滯回環(huán)越飽滿，其包圍的面積也就越大，則表示其耗能能力較好。筆者選用滯回曲線包絡(luò)線所包圍的面積來代表試件的耗能值作為比較。

實(shí)測(cè)各試件耗能值如表4。由表4可知，試件C－1、C－2較試件C－0的耗能值分別提高42.2%、31.9%，軸壓比對(duì)碳纖維布加固柱的耗能能力有著明顯的影響，軸壓比越大，加固柱的耗能能力提升率反而下降。

表4 實(shí)測(cè)各試件耗能值

6 剛度退化

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ－1996）規(guī)定：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來描述，割線剛度又稱等效剛度。Ki按照同一級(jí)加載第一次循環(huán)的峰值荷載進(jìn)行計(jì)算。筆者采用剛度退化率λ來描述剛度退化，計(jì)算公式為：

式中，Ki為第i次加載循環(huán)的剛度；K0為初始剛度［11］。

根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的剛度退化率曲線（見圖9）。由圖9可知，試件C－1、C－2剛度退化與試件C－0相比要更加平緩，說明碳纖維布加固可以延緩柱的剛度衰減，使柱在加載后期仍有一定的抵抗變形能力。

7 結(jié)論

通過對(duì)3根柱的低周反復(fù)荷載破壞試驗(yàn)，研究了碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的有效性，考察了軸壓比對(duì)加固效果的影響，研究其試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1）碳纖維布加固對(duì)試件承載力影響不大，但能明顯提高試件的延性性能和變形能力，延性的最大提高率為26.95%。

2）軸壓比對(duì)碳纖維布的加固效果有重要的影響，軸壓比越大，加固試件極限承載力提高程度越高，延性及耗能提高率有所下降。

3）與對(duì)比試件相比，碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的滯回曲線和骨架曲線形狀更加飽滿，從剛度退化程度來看，經(jīng)加固的試件剛度退化能夠得到延緩，說明碳纖維布加固方鋼管混凝土柱是一種有效的加固方式。

圖9 剛度退化曲線

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