碳纖維布加固柱抗震性能試驗研究

葉 赟 程 昆 閆志榜

(1.內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內蒙古包頭 014010;2.中鐵九局集團第二工程有限公司，吉林吉林 132001)

0 引言

目前碳纖維布加固在建筑工程加固改造中的應用越來越廣［1］，碳纖維布以其輕質高強、施工方便等優(yōu)點備受歡迎。試驗證明用碳纖維布加固鋼筋混凝土構件對防止斜裂縫開展、提高受剪承載力和改善構件延性具有良好的效果［2，3］。

本文對受荷載作用下碳纖維布加固帶裂縫工作的RC柱進行抗震性能試驗研究，反映加固受損RC柱的受力狀況，對工程抗震加固具有實際指導意義。

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

本次試驗共設計了4根RC柱，試件1為對比柱不進行加固，其余3根柱加固后進行試驗。試件幾何尺寸及配筋見圖1。柱截面尺寸為200 mm×200 mm，水平荷載作用點到柱底的距離為520 mm，剪跨比為 2.6，并按文獻［4］，［5］配置足夠數量的縱筋和箍筋，縱筋配筋率2.3%，配箍率0.50%。混凝土保護層厚度為25 mm，碳纖維布采用沿柱高包裹的方式，纖維方向與柱中心線方向垂直，搭接長度為150 mm，搭接縫沿柱子軸向交錯布置。試件的基本參數見表1。

1.2 混凝土、鋼筋及碳纖維布性能參數［6］

圖1 試件尺寸及配筋

表1 試件參數

1.3 試驗加載制度

本試驗加載制度依照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》［7］的規(guī)定，采用荷載—位移混合控制的加載方法。首先施加豎向軸力至預定值并在整個試驗過程中保持恒定，然后反復施加水平荷載。在試件縱筋屈服之前，采用荷載控制并分級加載，荷載按照10 kN，20 kN，30 kN，40 kN，50 kN逐級增加，每級荷載反復循環(huán)一次直至試件屈服達到屈服位移Δy;構件屈服后，按柱頂水平位移控制加載，按0.25Δy進行逐級加載，每級荷載循環(huán)三次，直至荷載下降到最大水平荷載的85%，此時認為試件破壞停止試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 荷載—位移滯回曲線

各試件的滯回曲線如圖2所示，滯回曲線分析如下:

1)縱筋屈服前，滯回曲線基本為直線;屈服后，隨著側向位移、循環(huán)次數的增加，殘余變形增大。

2)由圖2b)，圖2c)，圖2d)可以看出:加固柱的滯回環(huán)面積明顯增大，具有良好的耗能能力，說明碳纖維布加固受損柱可以有效改善其抗震性能。加載后期，滯回曲線越來越偏向位移軸，反映出試件產生了一定的滑移。構件屈服后滯回環(huán)有輕微的“捏縮”現象［8］，而隨著加載的持續(xù)進行，碳纖維布開始與混凝土協(xié)同受力，滯回環(huán)變得十分飽滿。預裂裂縫相同，大軸壓比加固試件與軸壓比減小一半的加固試件相比，滯回特性的改善效果更加明顯。

3)由圖2c)可以看出:加固前柱的受損程度越大，加固后在低周反復水平荷載作用下，其滑移量也越大，但到加載后期，隨著滑移量的增加，滯回環(huán)相當的豐滿，即具有較強的耗能能力。

2.2 骨架曲線及延性分析

由各試件的滯回曲線可得到相應的骨架曲線。如圖3所示，從試件屈服到達極限荷載之前，各加固柱骨架曲線的斜率從小到大依次為:試件2，試件4，試件3，說明在其他條件相同時，軸壓比高的受損柱加固后，剛度要高于軸壓比低的加固柱。加固試件3的峰值荷載最大。達到峰值荷載后，3個加固試件的骨架曲線下降段平緩且較長，說明試件仍具有一定的變形能力以及較好的延性。

圖2 各試件的荷載—位移滯回曲線

圖3 各試件骨架曲線的對比

由此可以得出:1)碳纖維布加固的受損RC柱，達到極限荷載后具有良好的延性，位移延性系數在4.6～6.6之間。軸壓比較小的受損柱加固后位移延性系數提高更加明顯，加固試件2的位移延性系數較對比柱提高了70%。2)軸壓比和預裂裂縫寬度對加固柱的位移延性系數有較大影響。軸壓比增大一倍，加固試件2與試件4相比，位移延性系數反而降低了30.6%;裂縫寬度增大一倍，加固試件4與試件3相比，位移延性系數提高了22.8%。

2.3 試驗結果

試驗結果表明:

1)預裂柱用碳纖維布加固后極限承載力均有一定程度的提高。當軸壓比相同時，受損較嚴重的柱經適當的修復加固后，可以與受損較輕的柱具有基本相同的承載力。2)加固試件2的極限承載力與試件1相比提高了9.3%。說明受損柱經加固后，其承載力基本能恢復到受損前混凝土柱的承載力水平。采用碳纖維布橫向加固受損鋼筋混凝土可以有效約束核心區(qū)混凝土，但與對比柱相比，碳纖維布對承載力的貢獻不大，在低周反復水平荷載作用下，承載力主要取決于受拉縱筋，受壓區(qū)混凝土的貢獻其次［9］。3)軸壓比增大一倍，加固試件4與試件2相比，極限承載力提高了10.3%;裂縫寬度增大一倍，加固試件3與試件4相比，極限承載力提高了9.3%。

3 結語

1)未加固RC柱和所有用碳纖維布加固后的受損RC柱最終破壞特征都表現為延性較好的彎曲破壞。軸壓比和預裂裂縫寬度對受損RC柱抗震性能具有較大影響。碳纖維布加固的受損鋼筋混凝土柱達到極限承載力后具有良好的延性，耗能能力明顯提高，剛度退化趨勢有所減緩。2)當軸壓比相同時，受損較嚴重的柱(預裂裂縫1.0 mm)經加固，可以與受損較輕的柱(預裂裂縫0.5 mm)具有基本相同的承載力;當預裂裂縫寬度相同時，軸壓比越大，碳纖維布加固受損RC柱承載力提高幅度更顯著。3)用碳纖維布加固受損RC柱的位移延性系數都有了明顯的提高。加固柱的位移延性系數在4.6～6.6之間。軸壓比和預裂裂縫寬度對加固柱的位移延性系數影響較大。在其他條件相同時，隨著軸壓比增大，加固柱的位移延性系數反而降低，但仍能滿足抗震延性的要求。軸壓比相同，裂縫寬度較大的加固柱位移延性系數有一定程度的提高。

［1］蔡光汀，鄒 岳，侯云芬.碳纖維加固混凝土結構的性能及應用技術［J］.混凝土，2001(12):71-72.

［2］岳清瑞，陳小兵，牟宏遠.碳纖維材料(CFRP)加固修補混凝土結構新技術［J］.工業(yè)建筑，1998，28(11):26-29.

［3］趙樹紅，李全旺，葉列平，等.碳纖維加固混凝土柱受剪性能試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2000，30(2):16-19.

［4］GB 50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［5］GB 50010-2002，混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［6］吳善能，虞嘵紅.考慮二次受力碳纖維布加固設計方法［J］.住宅科技，2001(7):46-47.

［7］JGJ 101-96，建筑抗震試驗方法規(guī)程［S］.

［8］陸洲導，宋彥濤，王李果.碳纖維加固混凝土框架節(jié)點的抗震試驗研究［J］.結構工程師，2004(3):68-69.

［9］劉建起，王敬莎，丁乃慶，等.碳纖維加固預應力梁抗彎承載力試驗研究［J］.土木工程學報，2010(4):34-35.