碳纤维布加固柱在地震力作用下抗扭性能的试验研究

白 禹，金英玉 ，张 敏，王四江

(1.东北电力设计院，长春 130021;2.吉林大学 建设工程学院，长春 130026)

粘贴碳纤维布加固技术是一种较新的加固技术，在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度。碳纤维加固易于施工，降低了人工费用，且具有良好的耐腐蚀性能，节约了维护费用。目前，由于碳纤维加固以其出色的加固效果在国内外得到了越来越广泛的应用。目前国内外用碳纤维布加固钢筋混凝土柱主要研究抗弯、抗剪性能，对抗扭方面的研究甚少，但是工程实际问题中如结构外形不规则、质量分布不均的楼层四角上的柱子，在地震力的作用下主要受扭而破坏。所以，本文通过试验着重研究了碳纤维加固钢混柱抗扭性能及承载力。

1 试验模型简介

模型柱采用正方形截面，截面尺寸为250 mm×250 mm，模型柱为悬臂式短柱，高h分别为900 mm和400 mm，其剪跨比分别为4.89和2.67。纵筋配筋率1.14%，体积配箍率0.23%，在柱子顶端设计了刚臂梁以便对柱子施加扭矩，为了使刚臂梁达到足够的刚度，保证加载过程中不破坏，设计的刚臂梁的截面惯性矩 I悬为柱截面惯性矩 I柱的5倍，即 I悬=5I柱，具体工况(见表1)，模型尺寸及配筋见图1、图2。

2 碳纤维布粘贴方案和试验结果

研究不同轴压和粘贴不同层数碳纤维布对框架柱抗震性能的影响，得出不同轴压比和不同粘贴层数的加固效果(见表2)，为工程应用提供一定的借鉴。试验结果见表3～表6。

表1 模型柱工况

图1 构件高h=400 mm的悬臂柱尺寸和配筋(单位:mm)

表2 碳纤维布粘贴方案一览

图2 构件悬臂柱高h=900 mm的尺寸和配筋(单位:mm)

表3 400 mm高试件主要参数

表4 400 mm高试件受扭承载力

表5 900 mm高试件主要参数

表6 900 mm高试件主要受扭承载力

3 应变分析

制作构件时分别在构件柱的纵筋、箍筋和碳纤维布的相应位置粘贴应变片，以此来监测钢筋、碳纤维布的实际应变和受力情况。

3.1 纵筋应变发展

在模型柱纵筋上粘贴应变片，对不同荷载下纵筋应变进行测量，图3为各柱侧向力与纵筋应变的对应关系。

图3 各柱上下部纵筋应变曲线

图4 各柱上下部箍筋应变曲线

由图3可以看出，构件纵筋在水平加载前由于先进行轴向加载，每个构件都有一定的初始应变;以上6个构件上部纵筋随着扭矩的增大发生明显应变，由此证明，纵筋在抗扭方面起着很大的作用;构件下部纵筋在极限荷载范围内应变较均匀，当碳纤维布与混凝土发生剥离、断裂时，构件混凝土被剪碎，钢筋和混凝土之间产生滑移，部分混凝土退出工作，荷载进一步传递到纵向钢筋上，使纵筋的应变大幅增加并且产生了不可恢复的变形;下部纵筋的内力由弯矩和扭矩相加而得，可以看出，下部纵筋应变增长迅速，构件下部纵筋应变都有很大变化。

3.2 箍筋应变发展

在模型柱箍筋上粘贴应变片，对不同荷载下箍筋应变进行测量，图4为各柱侧向力与箍筋应变的对应关系。

由图4可以看出，构件1上部箍筋较下部箍筋有更大的变形，变化幅度较平缓，这是因为构件1上部扭转大而下部扭转微小的原因，构件1下部开始阶段应变十分微小，在后期稍有增大的趋势，但因构件上部过早屈服导致应变不能进一步发展;构件2和构件3由于柱子中部剪断，上下箍筋应变发展较小;构件4上下箍筋应变都有较大发展，且应变量很接近，这说明碳纤维布与混凝土剥离，斜裂缝开展，构件上下变形一致;构件5由于节点处过早的破坏，上部连接处混凝土与箍筋过早的剥离，箍筋应变没有太大发展，底部箍筋由于上部刚臂梁的破坏而失去受力点，故应变也没有太大的发展;构件6由于上部节点处进行了碳纤维布加固，上部节点变为刚性，箍筋应变十分微小，在柱的下部虽然在连接点处柱子有明显的扭转，外层碳纤维布也有开裂现象，但由于包裹层数多，碳纤维布对内部混凝土有着巨大的约束作用，箍筋应变较大但没有急剧发展。

3.3 碳纤维应变发展

在模型柱碳纤维布上粘贴应变片，对不同荷载下碳纤维应变进行测量，图5为各柱侧向力与碳纤维应变的对应关系。

图5 各柱碳纤维应变曲线

由各柱碳纤维应变曲线发现加固后的构件，在碳纤维布与混凝土之间发生剥离以前，碳纤维布在构件的抗扭和约束构件方面起着巨大的作用，构件开裂后碳纤维应变迅速增大。构件1和构件5上部节点的过早破坏使下部碳纤维的应变不能充分的发展。构件2、构件3、构件4、构件6破坏面在柱子本身上，构件碎裂混凝土退出工作，碳纤维布对构件抵抗外荷载及约束混凝土起主要作用，因此碳纤维应变有很大发展。

4 结论

1)通过对400 mm高、不同轴压比下相同碳纤维加固层数的试验研究，得出轴压比越大加固柱抗扭性能越好，柱顶与刚臂梁节点加固越牢，剪扭破坏面越接近柱底，且滞回环越饱满，耗能能力越强，延性也越好。

2)通过对900 mm高、相同轴压比下不同碳纤维加固层数的试验研究得出，在轴压比相同的情况下，包3层碳纤维布比包1层柱的刚度要大，柱的节点部位也需要多层加固;试验还得出，柱的上下节点有相同的加固形式和加固量，那么受扭破坏一定发生在柱底部的复杂受力区，对柱进行受扭加固时一定要对柱根部进行着重加固。

3)通过对两组不同长度的钢筋混凝土短柱的抗扭性能研究，得出柱子长度越短，加固后极限承载力越高，柱子长度越长，极限承载力越小，但极限扭转角增大，加固后延性增加。

4)通过对柱中钢筋应变进行研究，得出在柱顶部区域，位于柱内四角上的纵筋在抗扭方面起着很大作用，较短的一组加固柱上下部纵筋与箍筋应变相反，当纵筋应变较小时箍筋应变较大，纵筋应变较大时箍筋应变较小;较长一组柱上下钢筋应变变化较一致;这种现象表明，柱子长度越长，钢筋与混凝土之间协同工作性能越好;通过对碳纤维布应变的监测，可以看出，当破坏面接近碳纤维布应变片粘贴处时，碳纤维布应变片的应变有较大的发展，这表明，碳纤维布在构件抗扭方面起了很大作用。

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