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摘要：外包角鋼與碳纖維布(CFRP)復合加固鋼筋混凝土柱是一種新型加固方式。對6根復合加固柱及1根未加固對比柱進行低周反復受剪性能試驗研究，探討影響復合加固柱抗剪性能的因素，并分析不同條件下CFRP與外包鋼綴板的應變情況。...

外包角鋼與碳纖維布復合加固鋼筋混凝土柱抗剪性能試驗研究

盧亦焱  張華  張號軍  黃銀糶

武漢大學  湖北武漢  430072

    普通的鋼筋混凝土柱的剪切破壞是一種突然的脆性破壞，在許多已經發生的地震災害中常常是因為鋼筋混凝土柱的剪切破壞導致結構的迅速倒塌，這嚴重地損害了人們的生命財產安全。為了避免上述情況的發生，在混凝土柱的結構設計中都采取了“強柱弱梁”以及“強剪弱彎”的原則，并在柱的端部加密箍筋從而提高柱的承載力和延性等Ⅲ。但采取了這些措施后，在地震中仍然會出現柱的剪切破壞的情況；有的結構雖然沒有徹底破壞，但在柱的根部也出現了程度不同的剪切裂縫；還有些結構由于設計原因其抗剪承載力不足。為了維護這些結構的正常使用，有必要對這些結構進行修復和加固補強。

    在我國工程上，應用最廣泛的結構抗剪加固方法有：加大截面法、外包鋼構架法、預應力加固法、FRP材料加固法等，多為單一材料加固法。而對抗剪加固方法的研究也多集中于某一種材料加固后承載力、抗剪性能的改善。使用單種材料結構進行加固都有其獨特的優點同時也存在缺陷。用碳纖維材料圍裹約束混凝土柱，特別是對于提高工程上較大直徑的方形截面柱的承載力，其提高程度較小，但可以顯著約束混凝土柱的橫向變形，提高其延性；用外包角鋼加固混凝土柱可以顯著地提高其承載力，但對柱橫向變形的約束能力卻較低。采用CFRP和角鋼復合加固混凝土柱可以發揮CFRP和角鋼骨架各自的材料優勢，既能大幅度提高構件承載力，又能大幅度提高構件延性。而對于碳纖維布與外包鋼復合加固柱的斜截面承載能力的研究國內外還未見諸報道，要將此項復合加固技術應用于工程實踐，必須先了解其對鋼筋混凝土柱抗剪性能的提高程度以及復合加固柱的抗剪破壞形態等。

1、試驗概況

    1.1試驗模型

    本試驗共設計7個試件，采用倒T形試件。設計混凝土等級為C25，試驗測得混凝土抗壓強度為31.4 MPa。柱截面尺寸為200 mm X200mm，剪跨比 λ1=1．5，λ2=2．0。柱縱筋為HRB335，箍筋為HPB235，試驗測得縱筋屈服強度fy=324 MPa，箍筋屈服強度 fr=335 MPa，角鋼及綴板屈服強度均取fy=315 MPa。試件箍筋采用普通①6方箍，間距180 mm，試件軸壓比nl=0．2，n2=0．4，n3=0．6。試件尺寸及配筋如圖l所示，各試件其余參數見表l。其中，SCVl—0未加固，其余柱均采用復合加固方式。復合加固時，首先沿柱縱向等間距橫向包裹CFRP布5 mmX50mm(圖2(a))，然后外包角鋼和綴板(圖2(b))。

    試驗所用碳纖維布、角鋼、碳纖維布用黏接劑的性能指標見表2～表4。

圖1試件尺寸及配筋圖

圖2試件加固示意圖

表1各試件主要參數

表2角鋼的材料特性

表3碳纖維布性能指標

表4碳纖維布黏接劑的性能指標

    1.2試驗加載與量測

    為確保試驗質量，便于與相關試驗資料比較，本文根據《建筑抗震試驗方法規程》  (JGJl01—96)[11]的有關規定，采用位移控制的方法，即首先在位移轉角R=1/500、1/250時各循環l次，然后在R=1/125視受力情況加載1次或者3次，然后按轉角增量 ΔR=1/250加載，各級增量循環3次，若加載至ΔR=1/50時構件未破壞，則此后按轉角增量△R=1/125加載，各級增量循環3次，直至構件破壞。

    為反映鋼筋的受力狀態及受力水平，在試件底端可能出現斜裂縫位置的箍筋中部粘貼電阻應變片，并作防潮處理。在柱底端的4條綴板上也各橫向粘貼一片電阻應變片，以觀察角鋼——綴板骨架體系對復合加固柱的約束作用。在柱受剪區段碳纖維布條帶上四周粘貼應變片，觀測碳纖維布對柱的約束作用以及碳纖維布的應變情況。

    試驗時施加的水平力通過傳感器測量，豎向力通過液壓表讀數。試驗所用的荷載傳感器、位移計讀數，及各電阻應變片讀數均由計算機通過DH3816動靜態應變測量系統采集。為監測試驗進程和確定試件的屈服荷載，采集數據頻率為0．20 Hz。試驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3試驗裝置示意圖

2、試驗結果與分析

    2.1試驗破壞情況與主要結果

    未加固試件SCVl—0在施加軸向力95 kN后保持軸向力不變，開始施加水平力，在位移轉角R=1/500與R=1/250下反復循環1次，未出現裂縫，試件基本處于彈性工作狀態，卸載后無殘余變形。繼續加載在 R=2/250循環中，柱底截面出現微小的水平裂縫出現，隨著荷載的增大水平裂縫向上延伸形成受剪斜裂縫，在此循環卸載后殘余變形增大。在水平轉角為 R=3/250循環中，斜裂縫在柱身進一步發展，寬度與長度都有所增加，箍筋應變有較大程度的增長。當加載至水平轉角為R=4/250時，斜裂縫進一步向水平力加載點發展，且其寬度進一步增長，箍筋應變進一步增大，卸載后柱的殘余變形也明顯增加。當水平荷載增至95 kN，水平轉角達到R=5/250時，柱底部箍筋開始屈服，部分箍筋應變開始急劇增大。當繼續加載至水平位移達到7．1 mm時，受剪區段箍筋已全部達到屈服，應變急劇增大，斜裂縫已貫穿整個柱身，試件在達到極限承載力后荷載急劇下降，發生突然破壞。

    以試件SCVl—1為例介紹復合加固試件的試驗過程：首先將軸力加至95 kN，保持軸力不變，開始施加水平力。在位移轉角R=1/500與R=1/250下反復循環1次，未出現裂縫，試件基本處于彈性工作狀態，卸載后殘余變形很小。繼續加載在位移轉角R=2/250循環l次，也未出現裂縫，其箍筋、鋼綴板、外包碳纖維布應變都較小，卸載后有少許殘余變形。在水平轉角為R=3/250的第l次循環中柱底端發出輕微的聲響，柱的箍筋以及外加片材的應變都有較大程度的增長，荷載一轉角曲線斜率開始略有下降，卸載后殘余變形有所增加。繼續加載到水平轉角為R=4/250循環3次，隨著荷載的增加，受剪斜裂縫出現并逐步發展到柱腳剪壓區，斜裂縫出現區段碳纖維布與鋼綴板的應變迅速增大。在水平轉角為R=5/250的加載循環中，受剪斜裂縫隨著荷載的增大其寬度和長度進一步發展，柱底部部分箍筋開始屈服，隨著鋼綴板應變以及柱的位移的增大，鋼綴板與柱之間的密封砂漿開始慢慢剝落，卸載后殘余變形明顯增加。在R=7/250時第1次正向加載，隨著水平荷載的增大，斜裂縫已開始貫穿整個柱身，柱的水平荷載達到最大值143 kN，鋼綴板以及碳纖維布的應變開始急劇增大，繼續加載發現荷載開始下降，柱水平位移不斷增大，試件水平力已下降至O．90倍峰值點荷載以下，試驗終止。

    其他加固試件的受力過程與試件SCVl—1的受力過程基本相似，都經歷了混凝土開裂、斜裂縫發展、柱箍筋屈服、柱達到抗剪承載力限值的過程。各加固試件的試驗結果見表5。

表5試驗主要結果

 

圖4試件荷載一轉角滯回曲線

    結構在低周反復荷載作用下的荷載一轉角滯回  曲線能較直觀地反映結構的破壞時的延性，本次試驗  中未加固試件SCVl—0與各復合加固試件的滯回曲線  對比如圖4所示。從以上試件的滯回曲線對比可以看出，未加固試件隨著荷載的增大，柱的變形逐漸增大，當到達試驗后期時，柱的剛度和承載力逐漸退化，滯回曲線產生捏攏效應，滯回曲線逐漸變成弓形，柱的耗能能力也逐漸變差，未加固柱在達到極限承載力后立即發生破壞，承載力急劇下降，其延性較差，變形能力較小，而其滯回曲線則產生嚴重的捏攏效應。復合加固試件的極限承載力較未加固試件得到較大程度的提高，其延性與變形能力以及耗能能力也同時得到提升，表現在滯回曲線上為復合加固試件的滯回曲線較對比試件更為飽滿，在試驗的后期其滯回曲線未表現出明顯的捏攏效應。復合加固柱在達到其極限承載力后，其承載力并未急劇下降。

    2.2碳纖維布與外包鋼綴板應變分析

    2.2.1碳纖維布應變

    復合加固柱其外包碳纖維布在試驗開始的前3個循環中應變增長緩慢，應變值很小，當試件出現裂縫時，裂縫處碳纖維布應變才開始加速增長。在加載的過程中碳纖維布條帶的應變隨著荷載的增大而增大，各試件中均為第二道碳纖維布應變發展最陜，這與柱抗剪裂縫出現的位置以及試驗試件受力位置有關。出現這種現象的原因為在復合加固柱出現裂縫之前，外包碳纖維布的變形非常小，其對混凝土柱的約束作用還未開始發揮。隨著水平荷載和位移的增大，外包鋼骨架與碳纖維布之間的黏結和約束作用有一定的削弱，碳纖維布條帶的應變也隨之得到較大程度的增長。在碳纖維布的應變發展過程中有兩個顯著增長階段，第一個為試件抗剪裂縫出現時，此時碳纖維布開始承擔起剪力，其應變也隨之顯著增長。第二個為試件達到極限承載力后，此時混凝土柱的抗剪承載力，這部分荷載轉移到外包鋼骨架與碳纖維布上，其應變也隨之增長。在所有試件中，碳纖維布應變最大的試件為SCV3—1，其最大應變值達到了5500με，大約為極限應變的40％，所有的試件碳纖維布都未出現拉斷情況，表明加固試件中碳纖維布都具有一定的強度儲備。圖5為各復合加固試件中碳纖維布應變隨位移的變化趨勢。

圖5加固試件碳纖維布應變一位移曲線

    2.2.2外包鋼綴板應變

    外包鋼綴板的應變在試件開裂前應變發展較慢，在開裂與試件達到極限荷載時其應變增長速度加快，在試驗其他階段其應變隨著荷載呈近似線性增長。試件達到極限荷載后，混凝土橫向體積膨脹的趨勢顯著增加，碳纖維布及綴板應變的增長速率也明顯加快，且高剪跨比的構件碳纖維布與外包鋼綴板的應變發揮更為充分。在本次試驗中，當各試件達到極限位移時，外包鋼綴板均未屈服。

    從應變變化過程來看，碳纖維布應變增長速率要明顯快于綴板的應變增長速率，這是由于CFRP和綴板對混凝土的約束機理不同造成的。當混凝土體積向外膨脹時，CFRP直接約束混凝土，因此其應變增長迅速。而綴板不能直接約束混凝土，它是通過與角鋼構成鋼骨架體系來產生約束作用。角鋼與柱的4個角邊接觸直接約束混凝土，綴板則對角鋼的變形提供約束，因而間接地對混凝土起到約束作用。試驗結果可以看出，極限位移時CFRP的應變可達5000斗8以上，而綴板的應變均未達到屈服值，一般都在1200με左右。圖6表示了各復合加固試件中外包鋼綴板荷載一應變變化趨勢。

圖6試件外包鋼綴板應變一位移曲線

    2.3影響參數分析

    以往研究結果表明，影響加固柱的抗剪承載力的因素有很多，包括剪跨比、碳纖維布加固量、柱、軸壓比、外加片材的黏結形式、原混凝土柱的配箍率以及混凝土強度等。本次試驗主要對影響復合加固柱抗剪承載力的主要因素：剪跨比、外包鋼綴板加固量、軸壓比對抗剪性能的影響進行分析。

    2.3.1剪跨比的影響

    由本試驗中不同剪跨比試件的試驗數據可以看出隨著剪跨比的提高復合加固柱的抗剪承載力隨之下降。其中相同條件下低剪跨比試件SCVl—2的承載力較高剪跨比試件SCV3—1試件承載力提高了10％。但高剪跨比試件的變形能力較低剪跨比試件有所降低。由它們的外加片材的應變情況對比可知，高剪跨比的試件的外加片材的應變高于低剪跨比的試件，且其抗剪承載力的提高程度也高于低剪跨比的試件。可見對于高剪跨比的鋼筋混凝土柱，復合加固柱是一種行之有效的加固形式。

    2.3.2軸壓比的影響

    由試驗中不同軸壓比的試件數據對比，可知隨著軸壓比的提高復合加固柱的抗剪承載力隨之增大，試件SCV2—2較試件SCVl—1承載力提高了l5％。但SCV2—2的骨架曲線形狀隨之改變，其下降段隨軸壓比增大較試件SCVl—1而變陡，表明軸壓比的增大將使復合加固柱的延性變差，其極限轉角較低軸壓比試件也有所下降。這是因為軸壓比越大，柱的初始壓應變也就越大，從而導致截面延性的降低，進而使復合加固柱的位移延性降低。由試驗結果可知，復合加固方法對于提高高軸壓比鋼筋混凝土柱的延性的作用較之低軸壓比的試件更加明顯。

    2.3.3外包鋼綴板加固量的影響

    外包鋼綴板作為復合加固柱的外加片材，其加固量直接影響復合加固柱的抗剪承載力的提高以及延性的提高。隨著外包鋼綴板加固量的提高，復合加固柱的抗剪承載力隨之有一定程度的提高，本試驗中采用外包鋼綴板間距為l00 mm的試件SCV3—2較采用外包鋼綴板間距為180 miil的試件SCV3—1承載力提高了7％，同時試件SCV3—2廷|生以及變形能力也較試件 SCV3—1有所提高。可見提高外加鋼綴板的加固量可在一定程度上提高復合加固柱的抗剪承載力與延性。

3、結語

    (1)復合加固柱較未加固柱斜截面承載力有較大程度的提高，試驗中其最大的提高程度達到47％。復合加固柱在達到極限承載力后仍能承受較大的剪力，其承載力降低較緩，延性較未加固柱延性有較大程度的提高。

    (2)軸壓比、鋼綴板加固量、碳纖維布用量、剪跨比是影響復合加固鋼筋混凝土柱抗剪性能的重要參數。在軸壓比較低的范圍內，復合加固柱的抗剪承載力隨軸壓比的增大而增大，但其變形能力有所降低，延性下降。隨著鋼綴板加固量的增大，復合加固柱的抗剪承載力隨之增大。隨著復合加固柱剪跨比的增大，其抗剪承載力隨之降低，但外加片材應變也隨之增大。

    (3)碳纖維布與角鋼復合加固體系能很好的約束混凝土的橫向變形。碳纖維布與角鋼復合加固鋼筋混凝土柱，兩種材料均能發揮自己的作用，并且其共同工作良好。但約束材料強度的發揮是有限的，在達到復合加固柱抗剪極限承載力時，兩種加固材料都未能達到其極限強度，其材料性能均不能被充分利用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會      文徑網絡：尹維維 編輯    文徑 審核)

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