CFRP和角钢加固震损混凝土框架抗震性能研究

王欣，惠守江，周扬帆，雷杰

（1．山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2．潍坊昌大建设集团有限公司，山东潍坊261031）

0 引言

中国是一个地震灾害频发的国家，山东省在历史上曾发生过多次较大地震，全省各个地区的建筑物都普遍面临抗震问题。我国的相关抗震规范对建筑结构的抗震要求和相应的构造措施都有具体规定，但对于20世纪70年代前建成的一批钢筋混凝土框架结构而言，如何提高其抗震能力以及震损后结构的修复和加固，是一个亟需解决的问题。采用外包角钢、粘贴碳纤维布及复合加固方式的梁、柱及框架节点均能提高其承载力、刚度和延性等抗震性能［1］。卢亦焱等通过碳纤维布和钢板复合加固混凝土梁的而抗弯试验，研究了碳纤维布用量、钢板用量及锚固方式对加固效果的影响，此种加固方法提高了梁的抗弯承载力，有效控制了裂缝的发展，同时，研究了采用此种加固方法加固混凝土柱的抗震性能试验，加固后混凝土柱的抗震承载力和耗能能力均有较大提高［2－3］。许成祥等研究了碳纤维布加固震损方管混凝土柱、节点的抗震性能，表明碳纤维布加固后的混凝土柱的承载力和刚度明显提高，采用此种方法保证了“墙柱弱梁”设计理念的实现，提高了节点的抗震承载力和抗震性能［4－6］。肖德后等开展了无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的轴压性能试验，并给出了此种加固方法的轴压承载力计算公式，同时指出，无机胶黏贴碳纤维布比有机胶具有更好的粘贴稳定性［7］。常正非等研究了碳纤维加固受损混凝土框架节点的抗震性能，此种加固方法不仅提高了试件的承载力和变形能力，还改变了原有的脆性破坏模式［8］。唐爱华等研究了粘贴碳纤维布法对偏心受压柱的的加固效果，随着偏心距的减小，加固效果明显提高［9］。王新玲等推导了碳纤维布和角钢复合加固损伤混凝土柱抗震性能的理论，给出了加固后混凝土柱的正截面承载力计算公式［10］。但是，目前有关角钢和粘贴碳纤维布复合加固的试验研究都是针对单个构件，而实际工程中对于整体混凝土框架结构采用角钢和粘贴碳纤维布复合加固的试验研究还尚未起步［11］。

为了研究无机胶植筋连接的抗震性能，王欣等对不同梁柱植筋节点形式和植筋胶种类抗震性能研究表明，植筋节点形式和植筋胶种类对抗震性能有较大影响，采用无机胶植筋的梁具有良好的抗震能力［12］。文章在此文献的研究基础上，针对不同植筋节点方式和植筋胶种类震损后的试件，分别采用碳纤维布、角钢及复合加固3种加固方式进行试验，通过与试验前的植筋试件进行对比分析，研究不同加固方式框架在低周反复荷载作用下的滞回曲线、刚度退化曲线、延性系数等抗震能力。

1 试验概况

1．1 试件设计与制作

试验所用四榀框架均为文献［12］所述震损后钢筋混凝土框架结构，具体截面尺寸分别为：梁150 mm ×200 mm、柱250 mm ×250 mm、地梁500 mm×500 mm，试件梁柱的混凝土强度设计等级均为C30，试件具体尺寸如图1所示。钢筋锚固长度满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定［13］。根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［14］要求，梁的配筋为 414的纵向钢筋，梁箍筋为 Φ8＠150／50；柱的纵向钢筋为420，箍筋为 Φ8＠100。四榀单层钢筋混凝土框架结构的加固方式及参数如表1所示。其中，DBKJ为不加固构件；TXWKJ为碳纤维布加固构件；JGKJ为角钢加固构件；FHKJ为复合加固构件；ZJ为整浇试件；YJ－LZ为有机胶梁柱植筋；WJ－L为无机胶梁植筋；WJLZ为无机胶梁柱植筋。

图1 试件尺寸图／mm

表1 试件参数表

1．2 加载方式

试验试件是钢筋混凝土框架结构，试验前通过地锚螺杆将构件固定于实验室地板上，在框架结构两柱上布置分配梁施加竖向荷载，在试验整个过程中，保持柱子的轴压比约为0．3。在框架梁的端部通过MTS电液伺服作动器模拟水平地震力。依据JGJ／T 101—2015《建筑抗震试验方法规程》的规定［15］，确定试验的加载方案。加载之前，将试件进行安装就位，柱子用铅垂吊垂直，使其保持竖直，防止在施加水平荷载过程中发生倾斜，影响试验结果。

试验采用变形控制的加载方式。正式试验前，首先进行预加载，以检验试件各部分是否接触良好；每次预加载值的大小不超过开裂荷载理论计算值的30%。加载过程中，应保持反复荷载的均匀性和连续性，且加载及卸载的速率要保持恒定。试件屈服前以1 mm的步幅递增，达到屈服后，以3 mm的步幅递增，每级循环2次；当荷载下降至0．85 Pmax或者试件不能承受规定的竖向力而分配钢梁发生失稳时停止加载，试验终止，加载方式如图2所示。

图2 试验加载方式图

2 试验现象

DBKJ框架的东侧柱的西侧面柱体根部混凝土压酥；框架的东侧柱的东侧面柱体根部有部分混凝止被压碎，西柱根部混凝土有部分被压碎现象。框架破坏时，钢筋应变为700με，应力为144．2 MPa，未达到屈服。TXWKJ试件在拉力达到106 kN时，西柱西侧出现细小裂缝，东柱在作动器加载时听见劈裂声，碳纤维布和混凝上柱体个别出现剥离现象；随着荷载的增加，裂缝变宽变长。最终碳纤维布与混凝土剥离，钢筋应变为678με，应力为140 MPa，未达到屈服。JGKJ试件在拉力达到149 kN时，两侧的柱子的表层和地梁与柱子交叉处混凝土起鼓脱皮，裂缝继续发展；当推拉力达到174 kN时，在加载过程中听见噼啪的异响声音，角钢与混凝土表面部分分离。FHKJ试件水平推拉力最大为150 kN，框架结构的破坏主要发生在梁柱节点处，碳纤维布和角钢与混凝土表面剥离，裂缝迅速发展，形成了局部破坏，水平位移很大，导致框架结构成为机构。

通过对比四榀钢筋混凝土框架的试验现象，加固了的TXWKJ、JGKJ、FHKJ构件的裂缝要明显比DBKJ少，且 TXWKJ、JGKJ、FHKJ构件的破坏多出现在结点附近，最终发生粘结坏。两榀单一材料加固的钢筋混凝土框架TXWKJ、JGKJ均表现出加固材料和结构混凝土的粘结破坏，在复合加固框架中，由加固材料的应变测量结果可知，在结构破坏时角钢并未达到屈服应变，表现出的是加固材料与混凝土的粘结破坏。JGKJ、FHKJ钢筋混凝土柱底钢板与混凝土面剥离后，柱底裂缝发展迅速，可见加固材料对裂缝的开展起到了极大地限制作用。在柱底钢板鼓起时，可以看到钢板仍与碳纤维相连，这说明2种加固材料之间的粘结效果较好。TXWKJ框架破坏时，加固材料与结构之间发生了粘结破坏，柱底出现了空骨剥离的现象；达到相同的裂缝宽度时，FHK框架所对应的荷载值较高，即在相同荷载等级下，JGKJ框架的裂缝较宽；这表明复合加固法可以更为有效地限制框架结构裂缝的开展。与未加固的钢筋混凝土框架相比，加固框架破坏时裂缝的宽度和长度都明显地减小，这说明加固可以有效地延缓框架的开裂，并能限制框架梁、柱以及节点区裂缝的发展，对于贯通裂缝的形成，能够起到极大的延缓作用。破坏时，加固框架表面裂缝的间距也较未加固框架小些。FHKJ构件也比TXWKJ构件和JGKJ构件更能有效地限制框架结构开裂以及裂缝的发展。

3 结果与分析

3．1 承载力

四榀框架结构加固前、后承载力及位移试验结果见表2、3。其中，Pcr和Δcr为开裂荷载及对应的位移；Py和Δy为屈服荷载及对应的位移；Pu和Δu为极限荷载及对应的位移；Pd为试件破坏时的荷载；μ为延性系数。

由表2、3可知，采用碳纤维布、角钢及复合加固3种方式的开裂荷载及破坏荷载均低于加固前的荷载值且FHKJ的开裂荷载、开裂位移、极限荷载和极限位移分别为 DBKJ构件的 2．36、2．00、1．68、1．27倍，说明复合加固与简单处理加固方式相比能显著提高承载力。再者，DBKJ、TXWKJ、JGKJ和 FHKJ的极限荷载分别相当于震损前整浇框架的46．8%、68．8%、76．2%、78．8%，但除 TXWKJ外，较加固前对应构件均有所降低。

表2 加固前承载力及位移试验结果表

表3 加固后承载力及位移试验结果表

3．2 滞回曲线

通过试验得到四榀框架的滞回曲线如图3所示。各个框架在加载初期，滞回环面积很小，各个框架基本处于线弹性工作阶段；随着荷载进一步增大，框架柱开始出现裂缝，刚度明显下降，卸荷后有残余变形，滞回曲线成梭形，滞回环面积增大。DBKJ的滞回环明显没有TXWKJ、JGKJ和FHKJ的滞回环丰满，说明3种加固方式均能提高构件的耗能能力，且TXWKJ、JGKJ和FHKJ 3个构件的耗能能力依次增大。JGKJ在循环加载初期，试件处于弹性工作阶段，滞回曲线基本上呈线性，卸载后变形恢复充分；试件开裂以后，滞回曲线呈梭形，滞回环面积逐渐增大；角钢屈服后，随着位移的增大和循环次数的增多，滞回环面积越来越大，说明试件具有很好的耗能能力；加载后期，滞回曲线逐渐倒向位移轴，滞回环形状逐渐由梭形变为弓形，这说明角钢和试件之间出现剥离，开始产生位移。复合加固的滞回环面积最大，其滞回环面积是DBKJ的3．25倍，是角钢加固的1．21倍，约为震损前整浇框架的85．1%，说明复合加固比单一加固方式具有较好的吸收能量能力。

图3 滞回曲线图

总体来看，未加固框架的承载力及其延性与变形能力较差，复合加固框架的滞回曲线较未加固柱明显饱满，在试验的后期其滞回曲线表现在承载力、延性、变形能力以及耗能能力均有较大幅度的提升，表现出良好的变形性能和耗能能力。未加固框架的滞回曲线接近于反S形，说明未加固框架的延性以及耗能能力比较差，而加固柱的滞回曲线比较丰满，但也出现了“捏缩”现象。这主要是由于在反复加、卸载过程中，混凝土受拉裂缝的张、合以及出现的残余变形，从而反映出构件在弹塑性阶段耗能能力衰减相对较快。

3．3 延性系数

根据表3可知，DBKJ、TXWKJ、JGKJ、FHKJ 4个构件延性系数依次增大。TXWKJ、JGKJ、FHKJ的延性系数分别比DBKJ延性系数增大了36%、66%、78%。通过表2～3对比分析发现，采用角钢、碳纤维布及复合加固3种方式相比加固前延性系数分别提高86%、89%、95．6%，这说明3种加固方式均可以提高框架结构的延性。

3．4 刚度退化

图4为各试件的刚度退化曲线。由图4可以看出，加载初期，构件处于弹性阶段，曲线斜率较大，说明刚度下降较快，在试件开裂前后，曲线斜率很小，刚度不大，此时的刚度退化主要因为微裂缝的形成，若卸载，试件将恢复变形；从试件开始出现裂缝到屈服时，由于试件裂缝的形成与发展，刚度退化异常剧烈，曲率下降较快；从试件出现明显的屈服特征至达到极限荷载，这一阶段主裂缝逐步形成，刚度进一步下降，但是下降比较缓慢。

图4 刚度退化曲线图

JGKJ和FHKJ的初始刚度要明显大于TXWKJ和DBKJ的初始刚度，且JGKJ和FHKJ框架的刚度退化曲线基本吻合，说明角钢加固可以大幅度提高框架的刚度。加载初期，由于角钢的作用，FHKJ和JGKJ刚度较大。当水平位移接近5 mm时，随着位移的增大，角钢发生剥离，整体性变差，刚度急剧下降，当位移＞7 mm后，刚度缓慢下降。总之，采用复合加固方法可以延缓框架的刚度以及承载力的退化，从而提高其抵抗反复荷载的能力。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）采用碳纤维布、角钢及复合加固3种方式与简单处理加固方式相比在开裂荷载、开裂位移、极限荷载和极限位移方面均有提高且分别提高了2．36、2．00、1．68、1．27倍，表明复合加固与简单处理加固方式相比能显著提高承载力。

（2）复合加固滞回环面积最大，其滞回环面积是DBKJ的3．25倍，是角钢加固的1．21倍。复合加固的变形性能、耗能能力及延缓结构刚度退化能力优于角钢与碳纤维布加固。

（3）采用碳纤维布、角钢及复合加固3种方式较加固前对应构件的延性系数分别提高了89%、86%、95．6%，表明3种加固方式均可以有效提高构件的延性。复合加固方法可以延缓框架的刚度以及承载力的退化，从而提高其抵抗反复荷载的能力。