CFRP加固现浇框架结构节点柱端的强柱弱梁效果

彭文超，王兴国，屈华静，葛楠

(河北联合大学河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

“强柱弱梁”是钢筋混凝土框架结构实现“大震不倒”的重要结构措施之一，在我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中有明确规定。强震发生时，框架结构的破坏机制有楼层机制(柱铰破坏)、总体机制(梁铰破坏)与混合机制。设计时需要尽量避免出现破坏性很大的楼层机制，实现耗能特性较好的总体机制，因此建筑抗震设计规范中规定在同一节点处，柱的抗弯能力应大于梁的抗弯能力，即“强柱弱梁”，形成总体机制。但是在进行“强柱弱梁”验算时由于忽略了现浇楼板内钢筋也参与了工作，仅仅考虑了梁的抗弯承载力，即使按照“强柱弱梁”进行设计，仍然很难实现真正的“强柱弱梁”，相反为“强梁弱柱”，实现不了总体机制，例如在汶川地震中，仍有大量的框架结构出现了楼层机制导致柱铰破坏的震害［1］。目前我国大量已建建筑仍然实现不了真正的“强柱弱梁”，对这些结构进行如何加固，使其满足抗震要求，是一个重要的研究课题。

用柱端包裹碳纤维布的方法，可以增强柱端抗弯承载力，改变框架节点梁端与柱端抗弯承载力对比关系，增强“强柱弱梁”效果。碳纤维增强复合材料具有高强高效、耐腐蚀性能及耐久性、不增加构件的自重及体积、适用面广以及便于施工等优越的性能，在土木工程领域发展迅猛［2］。近年来关于碳纤维加固的研究取得了很多成果［3-7］，其中赵彤、谢剑等人通过试验发现，包裹碳纤维布可以提高试件的抗压强度，有效地改善了混凝土的变形性能，其效果随碳纤维用量的增加而更加显著，并通过理论推导和统计回归的方法，提出了碳纤维布加固高强混凝土柱位移延性比的理论计算方法和基于两个回归公式的简化计算方法［8］。

对于按照现行规范设计的框架结构来说，关键问题不在于柱端、梁端的承载力不足，而在于二者承载力的相对大小，所以在柱端外包碳纤维提高其承载力，在梁端不做处理，有可能使柱端承载力大于梁端承载力，实现“强柱弱梁”。本文对一栋六层框架结构柱端外包碳纤维，对各节点进行理论计算，并对计算结果与普通梁柱节点的计算结果进行对比，评价该加固措施对“强柱弱梁”效果的影响。

1 分析计算模型

模型取自一栋六层3跨×2跨框架结构。该框架结构质量、刚度分布皆均匀、规则，首层层高4.2 m，其余各层3.9 m，设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2 g，抗震等级为二级，Ⅱ类场地。

梁跨7200 mm，边柱、角柱截面450 mm×450 mm，中柱截面600 mm×600 mm，梁截面350 mm×700 mm，板厚180 mm。梁柱板混凝土强度等级为 C30，纵筋为HRB400，楼面恒载、活载标准值分别为5.0 kN/m2、3.5 kN/m2，屋面恒载、活载标准值分别为 5.5 kN/m2、2.0 kN/m2。用 PKPM(10 版)软件的 SATWE进行配筋计算，梁柱配筋见图1、图2。节点柱端用碳纤维束加固示意图见图3。

2 节点处楼板钢筋应力的影响

我国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010进行“强柱弱梁”验算时仅考虑框架梁的抗弯承载力，这对没有楼板或预制楼板的框架是可行的，而对目前常见的现浇框架结构，由于没考虑现浇楼板内钢筋对梁承载力提高的影响，会导致按“强柱弱梁”设计的结构在实际地震中实现不了“强柱弱梁”，相反实际为“强梁弱柱”。汶川地震中现浇混凝土框架结构的震害普遍为“强梁弱柱”，说明在进行抗震设计中的“强柱弱梁”验算时不考虑现浇板的作用是实现不了“强柱弱梁”的设计目标的。

现浇板对梁承载力的影响主要体现在两方面，一是梁实际为T形截面梁，在翼緣受压时可提高梁的抗弯承载力;同时由于板内配有受力和构造钢筋，当翼缘受拉时板内的钢筋可作为受拉钢筋参与工作，也可提高梁的抗弯承载力。这些对结构的承载力都是有利影响，但对于“强柱弱梁”则成了不利影响。板的配筋如图4所示。

图4 板的配筋

当截面破坏时，受压区混凝土压坏，受压钢筋达到屈服，则受压钢筋合力为:;受拉区钢筋分为板筋和梁筋，受力较为复杂。考虑现浇板内钢筋对梁承载力提高的影响，由于板上部钢筋与梁上部钢筋几乎在一个水平面上，节点处梁上部钢筋受拉时，板翼缘处钢筋也作为受拉钢筋和梁受拉钢筋共同作用。根据规范基本假定可知钢筋与混凝土的应变应保持一致，截面破坏时，受拉区梁钢筋达到了屈服，但板内钢筋未达到屈服。梁端受压区混凝土实际应力分布为曲线，为简化计算，采用等效矩形应力图代替曲线应力图形，截面计算简图如图5所示。

图5 截面计算简图

现浇楼板内钢筋的应力应变是沿着横向梁跨的方向分布的，且应力分布不均匀，呈现曲线形式，离纵向梁端越远板筋应力值越小，如图6所示。故计算楼板钢筋应力时，需要进行折减。

图6 受拉区板筋实际应力分布

板顶钢筋应变近似取梁顶部钢筋应变，即εsb1≈εs，由图形的几何关系以及力的平衡条件可得下列计算公式:

式中:εsb1——板顶钢筋应变;

εsb2——板底钢筋应变;

Fsb1——板顶钢筋所受拉力;

Fsb1——板底钢筋所受拉力;

对中节点、边节点和角节点分别对不考虑楼板作用和考虑楼板作用计算梁端承载力，计算结果见表1。

表1 各节点处梁端承载力计算结果(单位:kN·m)

对比表1中的计算结果可知，考虑楼板内钢筋的作用后梁端承载力得到了显著的提高，说明楼板对梁的影响比较明显，在验算“强柱弱梁”时，楼板内钢筋对梁承载力提高的影响不容忽视。

3 柱端加固碳纤维节点“强柱弱梁”效果分析

为了评价柱端加固碳纤维对“强柱弱梁”效果的影响，分别对普通节点和柱端加固碳纤维节点进行承载力计算，将计算结果与考虑楼板内钢筋作用的梁端承载力做比较，分析“强柱弱梁”效果。

3.1 普通节点

柱是偏心受力构件，按受弯构件的处理方法，把受压区混凝土曲线压应力图用等效矩形图形来替代，其应力值取为α1fc，受压区高度取为x，故柱截面计算图形如图7所示。

图7 偏心受压破坏的截面计算图形

式中:N——受压承载力设计值，N=μAfc;

μ——柱轴压比;

e——轴向力作用点至受拉钢筋AS合力点之间的距离

ei——初始偏心距;

e0——轴向力对截面重心的偏心距;

ea——附加偏心距，其值取偏心方向截面尺寸的1/30和20 mm中的较大者;x——受压区计算高度。

由于本结构为框架结构，抗震等级为二级，轴压比中柱取0.6，边柱和角柱均取0.3。轴压比指柱地震作用组合的轴向压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值。M＇=Ne0，需要考虑承载力抗震调整系数γRE，即柱的抗弯承载力M=M＇/γRE，由于偏心受压柱轴压比大于0.15，取γRE=0.8，所以对不同节点处柱端抗弯承载力进行计算，计算结果见表2。

表2 柱端普通节点处承载力计算结果(单位:kN·m)

将表2中计算结果与表1中考虑楼板作用的计算结果做对比，对比结果表明，柱端的承载力比梁端承载力略小，即未达到“强柱弱梁”，而是“强梁弱柱”。

3.2 柱端碳纤维加固节点

3.2.1 碳纤维加固机理

碳纤维布加固混凝土结构主要是利用了其高弹性模量、抗拉强度高的性能，通过与混凝土结构良好的粘结，约束构件中混凝土的变形，从而提高结构的承载力。框架节点处受力复杂，在地震作用下，框架破坏部位一般发生在梁底柱顶处，这是因为柱端承受的弯矩最大，而且是变号弯矩，使柱端发生了弯曲破坏。如果在柱端外包碳纤维布，外包的碳纤维会产生环向约束力，约束了核心部位的混凝土的横向膨胀，推迟了受压区混凝土的压碎，改善了柱的延性，间接的提高了混凝土的强度，从而使节点处的承载力和结构的抗震性能得到了提高。

图8为赵彤［2］等测得的典型的碳纤维布约束混凝土应力-应变全曲线，从图中可以看出，该曲线与普通混凝土的应力-应变全曲线相类似，只是试件的峰值应力和峰值应变均有所增长，这说明通过外包碳纤维布的方法可以提高混凝土的抗压强度，从而有效地改善混凝土的变形能力。

图8 典型的碳纤维布约束混凝土应力-应变全曲线

3.2.2 柱端碳纤维加固节点承载力分析

在梁柱节点处，人为采取措施，用碳纤维束加固增强柱端抗弯能力，期望达到“强柱弱梁”效果。根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)规定，当采用纤维增强复合材加固大偏心受压的钢筋混凝土柱时，应将纤维复合材粘贴于构件受拉区边缘混凝土表面，且纤维方向应与柱的纵轴线方向一致。碳纤维厚度取0.2mm，柱端加固碳纤维后柱截面计算图形如图9所示。

图9 碳纤维加固柱截面计算图形

当截面破坏时，受拉钢筋达到了极限应变，而此时在受拉区的碳纤维未达到极限应变，从图9中的几何关系以及力和力矩的平衡关系，可以得到下列计算公式:

式中:εf1——底面碳纤维材料的拉应变值;

εf2——侧面碳纤维材料的拉应变值;

εcu——混凝土极限压应变，取 εcu=0.0033;

Ef——碳纤维材料的弹性模量，取Ef=2.3×105MPa;

σf1——底面碳纤维材料的应力值，σf1=Efεf1;

σf2——侧面碳纤维材料的应力值，σf2=Efεf2;

Af1——底面碳纤维材料的截面面积，Af1=0.2b;

Af2——侧面碳纤维材料的截面面积，Af2=0.4h－0.5x;

N——受压承载力设计值，N=μAfc;

x——受压区计算高度。

加固后的柱的抗弯承载力M=Ne0/γRE，所以对不同节点处柱端抗弯承载力进行计算，并将计算结果与考虑楼板钢筋作用的梁抗弯承载力以及普通柱端承载力列于表3。

表3 各节点处梁端、柱端承载力比较结果(单位:kN·m)

从表3中比较结果可以看出，柱端碳纤维加固后，节点承载力均得到了不同程度的提高，且均高于考虑楼板作用的梁端承载力，基本达到了“强柱弱梁”效果。

4 结论

(1)对于现浇钢筋混凝土框架节点，现浇楼板内钢筋对框架梁抗弯承载力有提高作用，这个影响不容忽视。

(2)采用碳纤维加固后的柱节点，抗弯承载力得到了显著提高，抗震性能也有所改善。

(3)由于碳纤维的环向约束，柱的延性得到了提高，延迟了柱端塑性铰的出现，强制性使塑性铰首先出现在梁端，形成梁铰破坏机制，是一种有效的混凝土加固方法。

［1］李宏男，肖诗云，霍林生.汶川地震震害调查与启示［J］.建筑结构学报，2008，29(4):10-19.

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