碳纤维增强复合网格加固混凝土柱抗震加固技术性能研究

黄艳妮，王 津

（1.陕西工业职业技术学院，咸阳 712000；2.陕西铁路职业技术学院，渭南 714000）

在建筑工程与土木工程中，CFRP（碳纤维增强复合材料）凭借自身耐久性与耐腐蚀性的性能，被国内外广泛应用，尤其是在混凝土柱抗震加固技术方面。抗震性能在建筑施工过程中非常重要，备受国内外的关注。近年来，关于混凝土柱抗震性能的研究不多，特别是针对建筑物抗震加固技术。在实验设计中，多数选用的为缩小一定比例的模型，模型与实物之间会有差别存在，因此，选用与实际建筑物相同尺寸的模型进行试验来体现在实际施工过程中的真实反应，对于加固抗震技术的研究具有现实意义。

1 设计实验

1.1 试件选用

抗震试验所选用的模型是以实际工程为基础展开进行。3根试验模型柱选用的均为包裹一层、二层碳纤维片及裸包土柱，截面尺寸为5m×5m，高为2.4m，加载点则在柱子反弯点处，通过试验对其抗震性能进行反复试验。试验选用土柱详细参数见表1，表中编号分别表示无CFRP加固和封闭式粘贴。将反弯点设定在框架柱的1/2 处，CFRP 厚度选用为0.111mm，抗拉强度为3500MPa，弹性模为2.1×105MPa[1]。

表1 试件参数Tab.1 Specimen parameters

1.2 试验加载制度

本次试验3根试件加载制度相同，而装置选用的为悬臂式。将试验柱子竖向受力控制在一定范围内，加载程序则采用荷载-位移混合控制，如图1 所示。为使试件达到屈服状态，可采用分级加载，每级为30kN，每级荷载循环一次。待试件屈服后了使用变形控制，以屈服位移倍数进行加载，每级位移循环3次，等荷载值下降至80%左右时，停止试验[2]。

图1 试验加载制度Fig.1 Test loading system

1.3 抗震性能分析指标与方法

1.3.1 柱顶位移与抗剪抗震承载力

图1 中试件柱的极限荷载和破坏荷载分别用Bu、Bd表示，屈服荷载则为By，极限位移、破坏位移及屈服位移分别为Pu、Pd、Py。

1.3.2 柱的延性

柱的延性具体指承载力无明显下降情况下，其变形能力结构或构件超过弹性阶段。弹性与极限变形差值通常用来表示结构延性，比如Δf /Δy，则Δf/Δy≥4则结构就有很好的延性[3]。因文中延伸性多用位移延伸系数来表示，以下公式是用于计算试件延伸性的大小。

公式（1）和（2）中β1、β2分别表示极限位移延性系数和破坏位移延性系数。∆a为破坏位移，∆b则表示屈服位移，而最大负荷对应位移则用∆r表示。水平荷载为低周反复加载方式，公式（1）、（2）中∆r、∆b、∆a采用正反方向加载平均值[4]。

1.3.3 试件的滞回曲线

混凝土柱抗震加载技术各项指标的计算主要是通过滞回曲线所翻译的试件柱破坏机制、消耗及变形能力、强度与刚度等。而滞回曲线则为荷载-位移曲线，即第一个加载周期得到的[5]。

1.3.4 试件的骨架曲线

试件骨架曲线具体指各级别加载峰值点连接的包络线，该骨架曲线是每次循环荷载-位移曲线的主导峰值点的轨迹曲线。试件试验过程中破坏荷载及位移、极限荷载及位移、屈服荷载及位移的所有特点均可通过骨架曲线来体现，由此可见骨架曲线的作用在结构非弹性地震反应中是极为重要的。

2 实验结果与分析

2.1 试验柱抗震抗剪承载力与柱顶位移

表2 所示数据中包裹CFRP 后与裸裹的试件柱By、Bu、Bd均有不同程度的增加[6]。Z-1 与Z-0 相比Dy、Du、Dd分别提高85.65%、154.64%、132.56%，Py、Pu、Pd也在之前基础上提升至30.87%、11.20%、16.11%，；Z-2 和Z-0 相 比 较Py、Pu、Pd分 别提 高46.18%、13.92%、17.89%，而Dy、Du、Dd则提升了106.89%、184.20%和159.11%。

表2 试件抗震抗剪承载力与柱顶位移Tab.2 Seismic shear capacity and displacement of column top

通过表2 及数据比较得知，在不同荷载情况下，试件柱变形能力与抗剪承载力相比，有明显提升。而荷载增加值明显低于位移增加值，此时的极限位移最大增幅为184.20%。上述Z-2和Z-1比较得知，CFRP包裹层数的增加，促使试件柱的破坏荷载、屈服及极限荷载分别有不同程度的增加，试件柱的屈服位移、破坏位移及极限位移情况也如荷载情况相同，均有不同程度的增加[7]。其中，CFRP包裹层数对于柱顶位移和抗剪承载力的提升不显著。

2.2 柱的延性

根据表3 试件柱延性系数所示，Z-0、Z-1、Z-2试验柱包裹CFRP 加固技术后，位移延性系数逐渐增大，且增加程度不一致。但通过包裹CFRP试验柱Z-1、Z-2的延性系数可见，CFRP层数包裹情况与延性系数之间存在的关系不大，充分体现论文CFRP 与加固柱延性的改善之间的线形增长关系并不简单。而表中的延性系数也表明了，包裹一层CFRP 的使用效率，使加固柱的延性有了大幅度提升；包裹二层CFRP 的试验柱，难以充分自身作用，无法与试件共同工作，所以延伸性提升幅度较小。

表3 试件延性系数Tab.3 Ductility coefficient of test piece

2.3 事件的滞回曲线

试验柱滞回曲线，待加固试件屈服后与未加固试件相比较，曲线比较饱满，同时，加固柱屈服荷载的滞回面积也比未加柱的大，充分体现了CFRP 加固后试验柱变形性能的提升，且吸收消耗地震能力的能力也有显著提高，详细系数可见表4。

表4 试件滞回耗能系数ψTab.4 Hysteretic energy dissipation coefficient ψof specimen

“ψ”用来表示试件柱滞回耗能系数，具体是指试件柱在加载循环过程中能量与总循环过程变性能的比值。试件柱滞回系数随着变形性能的增加而增长。由于加固屈服后的试验柱，裂缝的闭合、张开情况与未加固柱相比更加充分，致使柱与柱之间的摩擦消耗能力逐渐加大，充分体现了试验柱吸收能量能力也持续增大。通过表4 可见，Z-0 在不加固情况下，耗能系数与加固后的Z-1、Z-2相比系数较大，体现CFRP对混凝土柱的约束作用。而对应滞回耗能系数Z-1、Z-2 之间差别不明显，其主要原因是CFRP 二层包裹的约束性比一层包裹要大，使其开展程度小于一层包裹试验柱[8]。

2.4 试件的骨架曲线

屈服荷载前试件柱骨架曲线与屈服荷载后的骨架曲线有一定的相似，详情可见图2 所示。图2 中骨架曲线是通过归一化处理所得，该曲线具体表现了试验柱在破坏阶段、弹塑性阶段及弹性阶段不同的工作状态。试件柱在CFRP 加固前后破坏下降趋势呈现一致，试件屈服前后，CFRP 加固柱刚度及下降速度和未加固试件相比存在显著差异。充分说明了屈服后试件柱的刚度退化速度与CFRP 对混凝土柱的约束性有一定关联。图2 中试件骨架曲线Z-2 与Z-1 相比，刚度退化速度明显小于一层CFRP 包裹试验柱，间接表明了CFRP 约束性套箍厚度的不断加大与约束性加强有存在直接联系。

图2 试件归一化骨架曲线Fig.2 Normalized skeleton curve of test piece

3 结语

通过试验设计对CFRP 加固混凝土柱抗震技术性能进行研究，详细数据显示包裹CFRP 试件柱不仅柱顶位移有所增加，极限、屈服及破坏荷载也有不同程度的提升，且位移平均幅度与CFRP 层数包裹有直接关系[9]。混凝土柱变形能力的延伸也随着CFRP 加固性能逐渐增强，同时，滞回曲线也变得更加的饱满。由于钢筋混凝土抗震消耗能力的显著提升，其延伸性、变形能力及抗剪承载力也随着增强，但在实际工程建设中，需根据自身具体情况合理选择CFRP 包裹用于土柱抗震加固[10]。