CFRP布修復(fù)震損高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究*

王蘇巖，曹懷超，劉 毅

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)除個(gè)別省份外，絕大部分地區(qū)都發(fā)生過較強(qiáng)的破壞性地震，遵照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物在遭遇多遇烈度地震時(shí)應(yīng)控制在可修復(fù)范圍內(nèi)，對(duì)于修復(fù)在地震中震損結(jié)構(gòu)的研究就顯得十分有必要［1－2］。利用FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)修復(fù)震損結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕性、耐久性、不增加原構(gòu)件自重和尺寸以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)［2－3］。根據(jù)國(guó)外關(guān)于FRP修復(fù)震損柱構(gòu)件相關(guān)文獻(xiàn)［4－9］，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過FRP修復(fù)后的柱構(gòu)件的抗震性能得到了較好的改善，可以將FRP加固技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中修復(fù)受損的柱構(gòu)件;而在國(guó)內(nèi)，這方面的研究并不多，周長(zhǎng)東［10］對(duì)GFRP(玻璃纖維)布加固不同損傷程度的混凝土柱試件的抗震性能和抗剪性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明預(yù)損傷的破壞程度越嚴(yán)重，加固后柱的延性越差，但對(duì)試件抗剪承載力影響不大;而厲茂財(cái)［11］發(fā)現(xiàn)碳纖維(CFRP)布加固震損混凝土短柱不僅提高了承載力還可以避免脆性破壞。由于震損破壞后試件的承載能力和延性性能都會(huì)大幅度下降，而以往的研究主要集中于修復(fù)柱構(gòu)件的變形能力。為了研發(fā)出一種能夠同時(shí)提高承載力和延性的CFRP布修復(fù)方法，本文采用了2種不同的CFRP布方式修復(fù)震損破壞的高強(qiáng)混凝土方柱，并與未震損柱及未震損直接加固柱進(jìn)行對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C60的高強(qiáng)商品混凝土，共澆注4個(gè)完全相同的倒T型懸臂受力柱試件，具體尺寸及詳細(xì)配筋見圖1。箍筋為直徑6.5 mm的Ⅰ級(jí)熱軋光面鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為413.9 MPa和1.96×105MPa，縱筋為直徑16 mm的Ⅱ級(jí)熱軋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為 364.4 MPa和 1.84×105MPa，混凝土和CFRP布的實(shí)測(cè)力學(xué)性能見表1和表2。

圖1 試件尺寸及配筋圖Fig.1 Dimension and reinforcement of specimens

表1 混凝土性能指標(biāo)Table 1 Parameters of concrete

表2 碳纖維布性能性能指標(biāo)Table 2 Parameters of CFRP Sheet

1.2 試件加固及處理

每個(gè)試件的加固處理方法如下:柱C－1作為對(duì)比試件直接加載;柱C－2在加載之前用3層橫向纏繞CFRP布(簡(jiǎn)稱為橫向CFRP布)進(jìn)行加固;柱C－3和柱C－4首先進(jìn)行預(yù)裂至破壞，然后，柱C－3利用柱C－2的加固方式進(jìn)行修復(fù)，柱C－4采用3層橫向結(jié)合2層L型豎向CFRP布(簡(jiǎn)稱為“L型CFRP布”)進(jìn)行修復(fù)。具體加固方式如圖2所示。

試件在加固之前要對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨，直至露出骨料，并做倒角處理，倒角半徑為20 mm。粘貼橫向CFRP布時(shí)的搭接長(zhǎng)度為150 mm。在試件的修復(fù)過程中，要去除所有松散破碎的混凝土，處理干凈后用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，保證試件表面平整，待環(huán)氧砂漿固化后再黏貼CFRP布。對(duì)于預(yù)裂過程中所產(chǎn)生的裂縫，可利用注射器將環(huán)氧樹脂注射入裂縫內(nèi)，從而可將開裂兩側(cè)的混凝土連接成整體。

圖2 試件加固方案Fig.2 The strengthening scheme of specimens

1.3 試驗(yàn)加載制度及測(cè)量

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)采用低周反復(fù)荷載的加載方式，豎向荷載保持恒定(720 kN，軸壓比為0.417)，水平荷載采用力和位移混合控制模式，即開始時(shí)采用力控制，分兩級(jí)加載(50 kN和75 kN)，每級(jí)加載1次，屈服后采用位移控制，按著屈服位移的整數(shù)倍進(jìn)行加載，每級(jí)加載循環(huán)3次。在進(jìn)行試件預(yù)裂時(shí)豎向荷載保持不變，直接加載至水平承載力下降至極限荷載的85%時(shí)，認(rèn)為試件已經(jīng)破壞，然后，將試件推回原來的位置，預(yù)裂過程結(jié)束。

在試驗(yàn)過程中分別量測(cè)試件的豎向荷載、水平荷載、水平側(cè)移、鋼筋應(yīng)變以及CFRP布應(yīng)變。采用荷載傳感器量測(cè)水平荷載和豎向荷載，電阻應(yīng)變片量測(cè)鋼筋應(yīng)變和纖維布應(yīng)變，位移計(jì)量測(cè)試件的水平側(cè)移。所有數(shù)據(jù)由IMC采集到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖Fig.3 Test setup

2 現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 試件現(xiàn)象及破壞形態(tài)

對(duì)比試件C－1最終發(fā)生彎曲破壞，當(dāng)水平荷載第一次達(dá)到75 kN時(shí)，在距離根部15 cm處出現(xiàn)第一條橫向水平裂縫，試件開裂，隨著荷載的不斷增大，裂縫的數(shù)量增多，裂縫的長(zhǎng)度和寬度逐漸增加。當(dāng)試件水平側(cè)移達(dá)到5 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)荷載增加很小時(shí)，水平側(cè)移變化很大，觀察鋼筋應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)鋼筋已經(jīng)接近屈服，判斷試件此時(shí)已經(jīng)屈服。當(dāng)在2倍屈服位移加載過程中，水平荷載達(dá)到最大值，并出現(xiàn)下降段，試件角部混凝土保護(hù)層出現(xiàn)脫落，并且越來越嚴(yán)重，此加載位移循環(huán)全部完成后，發(fā)現(xiàn)混凝土脫落高度達(dá)到15 cm，承載力下降至85%以下，試驗(yàn)結(jié)束。

試件C－2由于進(jìn)行了CFRP布的加固，試驗(yàn)前期沒有明顯現(xiàn)象，當(dāng)加載至1倍屈服位移時(shí)CFRP發(fā)現(xiàn)試件根部出現(xiàn)裂縫，4倍的屈服位移時(shí)CFRP開始發(fā)出“噼啪”的響聲;5倍屈服位移時(shí)水平荷載下降嚴(yán)重，停止試驗(yàn)。試件C－3首先要進(jìn)行預(yù)裂，預(yù)裂結(jié)束觀察發(fā)現(xiàn)混凝土脫落嚴(yán)重，縱筋已經(jīng)屈服，試件最大裂縫寬度超過了1 mm，此時(shí)，試件已經(jīng)破壞。此外，預(yù)裂過程中發(fā)現(xiàn)該試件一側(cè)的承載力遠(yuǎn)低于另外一側(cè)的承載力，這可能是施工造成的。經(jīng)過修復(fù)后重新加載，在1倍屈服位移時(shí)發(fā)現(xiàn)CFRP布出現(xiàn)1條水平裂縫，在3倍屈服位移時(shí)CFRP開始發(fā)出不間斷的劇烈響聲，加載至6倍屈服位移時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。試件C－4預(yù)裂程度與柱C－3的相同，修補(bǔ)后的試件前期無明顯現(xiàn)象，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至4倍屈服位移時(shí)發(fā)現(xiàn)底部CFRP布產(chǎn)生凸起，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)凸起部分的CFRP布部分已經(jīng)斷裂，同時(shí)發(fā)現(xiàn)L型CFRP布在根部拉斷。

試驗(yàn)結(jié)束后去除試件外面包裹的CFRP布以及松散的混凝土，清理干凈后試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件破壞形態(tài)圖Fig.4 Failure modes

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表3，試件的滯回曲線以及骨架曲線見圖5和圖6。表3中μΔ和μE的計(jì)算方法如下:

其中:Δy和Δu分別為屈服位移和極限位移;Δy按能量法計(jì)算［12］;Δu為荷載下降至值85% 時(shí)對(duì)應(yīng)的水平位移。

Ey和Eu分別為屈服能量和極限能量，由骨架曲線中屈服位移和極限位移所圍成的對(duì)應(yīng)面積求得。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

圖5 荷載－位移滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 延性分析

從圖5和圖6可以看出:經(jīng)過CFRP布直接加固的未預(yù)裂柱C－2的變形能力較對(duì)比柱有了很大提高;震損修復(fù)后的2個(gè)柱試件的變形能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)了柱C－1的變形能力，甚至接近于柱C－2的變形能力。在表3中定義了2個(gè)定量衡量延性性能的參數(shù)μΔ和μE，計(jì)算結(jié)果表明:柱C－2的延性系數(shù)接近于對(duì)比試件的2倍;而利用橫向結(jié)合L型CFRP布加固的震損柱C－4的延性系數(shù)要高于僅利用橫向CFRP布加固的震損柱C－3的延性系數(shù)，且兩者均低于未經(jīng)震損僅采用橫向CFRP布加固柱C－2的延性系數(shù)。以上結(jié)果表明橫向CFRP布以及橫向結(jié)合L型CFRP布這兩種加固方式均可用于修復(fù)已經(jīng)震損破壞的柱構(gòu)件的延性性能，修復(fù)后的柱構(gòu)件的延性性能要好于原構(gòu)件，且利用橫向CFRP布結(jié)合L型CFRP布的加固方式的修復(fù)效果較好。作者認(rèn)為L(zhǎng)型加固方式增強(qiáng)延性的機(jī)理是當(dāng)試件達(dá)到極限荷載后該方式可以保證其在水平承載力不降低或者降低較緩慢的情況下水平側(cè)移繼續(xù)增加，直至L型CFRP布在試件根部被拉斷，從而增強(qiáng)試件的變形能力，改善試件的延性性能。

圖6 骨架曲線Fig.6 Envelop curves of specimens

3.2 能量耗散分析

觀察發(fā)現(xiàn)震損修復(fù)后試件的荷載－位移滯回曲線比未破壞直接加固試件的更加飽滿，捏縮程度更小，試件C－3的滯回曲線已經(jīng)基本沒有了捏縮現(xiàn)象。圖7所示為試件的能量耗散曲線，其中縱坐標(biāo)能量耗散為加、卸載滯回環(huán)所圍成的累積面積。從圖7可以看出:所有試件在試驗(yàn)前期的能量耗散十分接近，隨著位移的增加，能量耗散也不斷的增加，但是，試件C－3和C－4的增長(zhǎng)幅度要高于試件C－2的增長(zhǎng)幅度，試件C－3的能量耗散最大，這與從試件滯回曲線中所觀察到的現(xiàn)象一致。這種似乎與延性分析的結(jié)果相矛盾，分析認(rèn)為試件裂縫的展開和閉合是滯回曲線出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象的主要原因，震損破壞后的試件裂縫發(fā)展已經(jīng)非常充分，這些裂縫在修補(bǔ)過程中通過灌入環(huán)氧樹脂膠體已經(jīng)將兩側(cè)的混凝土連接成整體，而且膠體能夠滲入裂縫周圍的毛細(xì)縫隙中以形成較寬的加固帶，經(jīng)過修補(bǔ)后的試件在重新加載過程中產(chǎn)生裂縫較少，而之前未震損試件中裂縫展開和閉合過程是通過拉伸和壓縮膠體來完成的，所以震損修復(fù)后的試件的滯回曲線更加飽滿，能量耗散更大。試件C－3的耗能高于試件C－4的耗能是由于施工造成試件C－3一側(cè)較弱(從骨架曲線中可以看出)，預(yù)裂時(shí)較弱一側(cè)裂縫開展較多，修補(bǔ)時(shí)需要灌入的膠體較多，在重新加載過程中產(chǎn)生的新裂縫較試件C－4少，因此，試件C－3的滯回曲線更為飽滿，能量耗散更高。

目前，發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司和用戶是中國(guó)電力市場(chǎng)中三大市場(chǎng)主體。為便于分析，這里所指的電力行業(yè)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)由發(fā)電企業(yè)(發(fā)電商)、電網(wǎng)公司(購(gòu)電商)和用戶組成，模型見圖1。

圖7 能量耗散Fig.7 Energy dissipation

3.3 承載力分析

表3中列出了4個(gè)試件的水平極限荷載，對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用橫向CFRP布直接加固試件并不能顯著提高試件的承載力;震損修復(fù)后試件的承載力仍然比對(duì)比試件低，但是利用橫向結(jié)合L型CFRP布修復(fù)后的試件承載力(116.16 kN)高于僅利用橫向CFRP布修復(fù)試件的承載力(105.27 kN)，且已經(jīng)接近對(duì)比試件的承載力(120.16kN)，以上結(jié)果說明:L型CFRP布加固方式可以用于修復(fù)工程中提高受損柱構(gòu)件的承載力，而當(dāng)利用橫向結(jié)合L型CFRP布加固方式修復(fù)震損破壞的構(gòu)件時(shí)，該方式是一種同時(shí)增強(qiáng)延性和強(qiáng)度的修復(fù)方法。

本文定義了荷載退化系數(shù)λi［13］來對(duì)比各試件加載過程中承載力整體退化情況:

其中:λi為第i級(jí)加載循環(huán)時(shí)的荷載退化系數(shù);Pi為第i級(jí)加載循環(huán)對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)荷載，采用位移控制模式時(shí)，取3次循環(huán)的平均值;Pmax為試件水平極限荷載，見表3。

圖8所示為4個(gè)試件的荷載退化曲線。從圖8可以看出:在加載初始階段除試件C－3以外，其他試件荷載退化曲線基本重合，而到試驗(yàn)后期時(shí)，對(duì)比試件荷載退化較快，試件C－2與試件C－3荷載退化大致相同，試件C－4的試件的荷載退化曲線比較平緩，即經(jīng)過L型CFRP布修復(fù)的試件在試驗(yàn)后期可以分擔(dān)一部分水平荷載以維持試件整體承載力緩慢降低，直至被拉斷，從而增加試件的變形能力，這說明L型CFRP布加固方式提高延性的機(jī)理。試件C－3在試驗(yàn)前期的荷載退化曲線中水平側(cè)移較大，因?yàn)樵撛嚰粋?cè)較弱，預(yù)裂后在弱側(cè)存在殘余變形，從而導(dǎo)致試驗(yàn)前期的水平側(cè)移較大。

圖8 荷載退化曲線Fig.8 Load degradation curves

3.4 剛度退化分析

為了反映出試件的整體剛度退化情況，引入割線剛度 Ki［14］:

各試件的割線剛度退化曲線見圖9。對(duì)比試件的剛度退化速率較快，試件C－2的初始剛度并沒有因?yàn)闄M向CFRP布而增加，基本與試件C－1的相同;經(jīng)過震損修復(fù)后的試件C－3和C－4初始剛度較對(duì)比試件有所降低，而試件C－3的初始剛度下降幅度較大;除對(duì)比試件外，其余試件后期剛度退化基本相似。由此可以說明橫向CFRP布加固方式不改變?cè)瓨?gòu)件的初始剛度，L型CFRP布加固方式可以提高震損破壞柱構(gòu)件的初始剛度，使震損后剛度降低的構(gòu)件的剛度得到恢復(fù)。

圖9 剛度退化曲線Fig.9 Stiffness degradation curves

3.5 CFRP布應(yīng)變分析

圖10所示分別繪出了3個(gè)試件測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的CFRP布應(yīng)變－位移滯回曲線，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的布置位置如圖2所示，且均位于試件的中軸線上。從圖10可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)試件達(dá)到相同的水平側(cè)移時(shí)試件C－3和C－4的CFRP布應(yīng)變比試件C－2的大，且發(fā)展速度更快，試件C－3的CFRP布應(yīng)變比試件C－2的還要大。這主要是由于震損后的試件內(nèi)部形成損傷，即使經(jīng)過修復(fù)但內(nèi)部損傷仍然存在，重新加載時(shí)與原試件相比在較小的水平側(cè)移下混凝土就開始膨脹，膨脹速度更快、幅度更大，因此，為試件提供約束的CFRP布參與工作時(shí)機(jī)較早，應(yīng)變發(fā)展更充分。而試件C－3由于一側(cè)破壞程度嚴(yán)重，所以，其混凝土需要的約束更大，CFRP布應(yīng)變發(fā)展較試件C－3的更大。從以上分析可以看出:當(dāng)CFRP布應(yīng)用于修復(fù)震損構(gòu)件時(shí)其利用率要高于將CFRP布用于直接加固原構(gòu)件的利用率。

4 結(jié)論

圖10 CFRP布應(yīng)變滯回曲線Fig.10 CFRPsheets strain hysteresis curves

(1)震損破壞后的試件經(jīng)過橫向CFRP布和橫向結(jié)合L型CFRP布2種方式修復(fù)后變形能力均得到提高，延性性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比對(duì)比試件的好，但是，比性能未震損直接利用橫向CFRP布加固的試件的延性低。

(2)當(dāng)利用橫向結(jié)合L型CFRP布方式修復(fù)震損的柱構(gòu)件時(shí)，該方式屬于一種同時(shí)增強(qiáng)延性和強(qiáng)度的修復(fù)方式。

(3)橫向CFRP布加固方式無論加固柱構(gòu)件還是修復(fù)柱構(gòu)件，均不能改變構(gòu)件的剛度，而橫向結(jié)合L型CFRP布加固方式修復(fù)柱構(gòu)件時(shí)可以提高震損破壞柱構(gòu)件的剛度，但修復(fù)后構(gòu)件仍然略低于震損前構(gòu)件的剛度。

(4)當(dāng)CFRP布用于震損破壞構(gòu)件修復(fù)工程時(shí)其利用效率要高于其用于加固未破壞構(gòu)件的加固工程中的利用效率。

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