FRP加固形式對加固受損鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響

張軍偉 高丹盈

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)基建處（450002） 2 鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心（450002）

FRP加固形式對加固受損鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響

張軍偉1，2高丹盈2

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)基建處（450002） 2 鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心（450002）

通過對低周反復(fù)荷載作用下的2個受損鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點加固試件的試驗研究，探討了FRP加固形式對加固受損鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點抗震性能的影響。結(jié)果表明，節(jié)點核心區(qū)沿450粘貼碳纖維布的加固形式優(yōu)于節(jié)點核心區(qū)沿00粘貼碳纖維布的加固形式。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；鋼纖維混凝土；框架節(jié)點；FRP材料類型；抗震性能

0 引言

我國數(shù)量眾多的舊有建筑結(jié)構(gòu)由于物理老化和化學(xué)腐蝕等因素引起的構(gòu)件受損現(xiàn)象較為普遍，如框架節(jié)點作為水工建筑結(jié)構(gòu)傳遞和分配內(nèi)力的樞紐，一旦發(fā)生破壞往往會造成整個建筑結(jié)構(gòu)倒塌等嚴(yán)重災(zāi)害。但實際情況并不允許全部推倒重建，對此只能采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，從而保證建筑物滿足既定的使用功能。FRP加固技術(shù)作為新近發(fā)展起來的一種外貼高性能材料的加固方法，其研究和應(yīng)用在國內(nèi)外備受重視。但是，目前國內(nèi)外缺乏對FRP加固受損鋼纖維混凝土框架節(jié)點的研究。因此，這里通過對2個受損鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點加固試件在低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究,探討了FRP加固形式對受損鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

圖1 節(jié)點試件的尺寸和配筋圖（單位:mm）

這里所用縮尺試件選取承重框架中間層端部上、下柱和梁反彎點之間的平面組合體單元，以便真實方便地模擬實際工程中框架節(jié)點的受力狀態(tài)，試件尺寸和配筋如圖1所示[1,2]。試件制作時，選用鋼錠銑削型纖維（AMI04-32-600），其長徑比為35～ 40，等效直徑為0.94mm，抗拉強(qiáng)度≥700mPa。鋼纖維體積率為1.0%,梁端摻加范圍為125mm，柱端摻加范圍為50mm。混凝土強(qiáng)度為C60，其中所用水泥為42.5#高強(qiáng)硅酸鹽水泥，石子最大粒徑為20mm，中粗砂細(xì)度模數(shù)為2.91，骨料級配良好，減水劑為JKH-1型粉狀高效減水劑（FDN）,減水率為18%～ 25%。加固采用的FRP片材為國產(chǎn)系列的碳纖維布，抗拉強(qiáng)度為2 645.84mPa，彈性模量為233.53 GPa，伸長率為1.08%，F(xiàn)RP片材試件采用手糊法制作。

1.2 加固方案

根據(jù)試驗?zāi)康模仍诠?jié)點試件上施加低周反復(fù)荷載，以模擬地震荷載使鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點發(fā)生破壞。再量測節(jié)點構(gòu)件混凝土表面裂縫位置及寬度，按相關(guān)要求對其進(jìn)行處理[3]，然后黏結(jié)碳纖維布對受損的節(jié)點試件進(jìn)行加固[4]，加固方案見表1。

表1 節(jié)點試件加固方案

1.3 加載方案

試驗采用多通道電液伺服動態(tài)疲勞試驗系統(tǒng)進(jìn)行梁端低周反復(fù)加載，如圖2所示。柱端采用固定在承力架上的2 000 kN油壓千斤頂施加軸向荷載，試驗時先在柱頂用油壓千斤頂對試件施加軸向荷載直至達(dá)到預(yù)定的軸壓比值（軸壓比為0.3），并在試驗過程中保持不變，然后由梁端的電液伺服作動器施加低周反復(fù)荷載（或位移）。試驗的前兩個循環(huán)采用作用力控制加載，其中第一循環(huán)加載至試件屈服荷載計算值的75%，用來模擬正常使用階段的受力狀況。由于研究的重點在于試件的塑性變形階段，第二循環(huán)直接加載至試件屈服狀態(tài)。之后采用位移控制加載，取梁端屈服時位移的倍數(shù)逐級加荷，在每一級位移值情況下循環(huán)2次，直至第n次循環(huán)的極大荷載值低于最高荷載值的85%左右，試件破壞。

圖2 梁端低周反復(fù)加載

2 結(jié)果分析

采用外貼FRP加固的受損框架節(jié)點試件的試驗結(jié)果對比見表2。結(jié)果表明，受損節(jié)點試件加固之后的屈服荷載、屈服位移、極限荷載和極限位移均達(dá)到了其加固之前的狀況，滿足抗震加固的要求。例如，試件J-6加固之后的屈服荷載是加固之前的1.01倍,加固之后的屈服位移是加固之前的1.56倍,加固之后的極限荷載是加固之前的1.12倍，加固之后的極限位移是加固之前的2.34倍。可見，試件J-6屈服荷載、屈服位移、極限荷載和極限位移均達(dá)到了其加固之前的狀況。試件J-7加固之后的屈服荷載是加固之前的1.20倍，加固之后的屈服位移是加固之前的2.18倍，加固之后的極限荷載是加固之前的1.19倍，加固之后的極限位移是加固之前的1.39倍。可見，試件J-7屈服荷載、屈服位移、極限荷載和極限位移均達(dá)到了其加固之前的狀況。

不同F(xiàn)RP加固形式的加固試件中，沿00粘貼碳纖維布的加固形式在恢復(fù)屈服荷載和屈服位移優(yōu)于沿450粘貼碳纖維布的加固形式，在恢復(fù)極限荷載方面兩者相差不多,但是在恢復(fù)極限位移方面，沿00粘貼碳纖維布的加固形式不如沿450粘貼碳纖維布的加固形式。例如，試件J-7加固之后和加固之前的屈服荷載之比是試件J-6的1.18倍，試件J-7加固之后和加固之前的屈服位移之比是試件J-6的1.40倍，試件J-7加固之后和加固之前的極限荷載之比是試件J-6的1.07倍，試件J-7加固之后和加固之前的極限位移之比是試件J-6的060倍。因為加固之后的試件J-6主要是混凝土沿纖維布邊緣外側(cè)發(fā)生開裂破壞，而加固之后的試件J-7是核心區(qū)纖維布拉裂破壞。兩者之間的極限荷載相差不多，但是加固之后的試件J-6的極限位移大于加固之后的試件J-7，主要是由于纖維布受力性能跟纖維方向有關(guān)。整個核心區(qū)沿0°豎向粘貼纖維布的試件J-7，對于核心區(qū)混凝土主要提供豎向約束。而試件J-6沿45°交叉粘貼纖維布,提高了節(jié)點核心區(qū)混凝土豎向和水平兩個方向的變形能力。

表2 節(jié)點試件試驗結(jié)果對比

2.1 試驗過程及破壞特征

試件J-6加固之前破壞時的裂縫分布如圖3所示。第一循環(huán)加載至8 kN時梁端初裂，裂縫距柱邊分別為0mm和250mm，裂縫長度分別為50mm和100mm，裂縫寬度為0.04mm；加載至第一循環(huán)-12 kN（負(fù)號表示向下）時，裂縫距柱邊分別為0mm和260mm,裂縫長度分別為160mm和80mm,裂縫寬度分別為0.08mm和0.04mm；加載至第一循環(huán)-24 kN時，梁端截面上、下距柱邊0mm和250mm的裂縫貫通；加載至第六循環(huán)-20mm時，裂縫最大寬度達(dá)到2mm。節(jié)點核心區(qū)在第三循環(huán)加載至-6mm時初裂；加載至破壞時，核心區(qū)裂縫最大寬度為0.8mm。

圖3 試件J-6加固之前破壞時的裂縫分布

試件J-6加固之后破壞時的裂縫分布如圖4所示。第一循環(huán)加載至14.9 kN時，試件在節(jié)點核心區(qū)初裂，裂縫寬度達(dá)到0.08mm；第三循環(huán)加載至36.52 kN時，試件屈服，此時梁端位移為14.03mm；加載至第七循環(huán)，初裂裂縫延伸相交貫通，柱端錨固碳纖維布剝落；第八循環(huán)加載至41.91mm時，試件發(fā)生破壞，梁柱交接處碳纖維布被拉斷，核心區(qū)邊沿出現(xiàn)兩條斜向裂縫。

圖4 試件J-6加固之后破壞時的裂縫分布

試件J-7加固之前破壞時的裂縫分布如圖5所示。第一循環(huán)加載至16 kN時梁端初裂，裂縫距柱邊為240mm，裂縫長度為230mm，裂縫寬度為0.08mm；加載至第二循環(huán)-30 kN（負(fù)號表示向下）時，裂縫貫通；加載至破壞時，裂縫最大寬度達(dá)到0.56mm。核心區(qū)在第二循環(huán)加載至30 kN時初裂；加載至第八循環(huán)時，裂縫最大寬度為0.84mm。

圖5 試件J-7加固之前破壞時的裂縫分布

試件J-7加固之后破壞時的裂縫分布如圖6所示。第一循環(huán)加載至9 kN時，試件在梁柱交接處初裂；第三循環(huán)加載至-37 kN時，在核心區(qū)碳纖維布上出現(xiàn)了一條與柱軸心平行的裂縫；第三循環(huán)加載至35.98 kN時，試件屈服，此時的梁端位移為16.14mm；第七循環(huán)加載至35.05mm時，試件發(fā)生破壞，梁柱交接處上端碳纖維布被拉斷，核心區(qū)碳纖維布被拉裂，柱端錨固碳纖維布發(fā)生剝離。

圖6 試件J-7加固之后破壞時的裂縫分布

2.2 滯回曲線及骨架曲線

圖7 試件J-6加固前后滯回曲線對比

圖8 試件J-6加固前后骨架曲線對比

圖9 試件J-7加固前后滯回曲線對比

圖10 試件J-7加固前后骨架曲線對比

FRP加固受損框架節(jié)點試件的的滯回曲線和骨架曲線對比如圖7～10所示。結(jié)果表明，受損節(jié)點試件加固之后的受力性能與加固之前相比，其滯回曲線更加飽滿，極限荷載、極限位移和循環(huán)次數(shù)均有一定增加，骨架曲線覆蓋面積有所增大，均滿足抗震鑒定的要求。例如，試件J-6加固之后的滯回曲線比加固之前的滯回曲線飽滿，試件J-6加固之后的極限荷載是加固之前的1.12倍，試件J-6加固之后的極限位移是加固之前的2.34倍，試件J-6加固之后的骨架曲線覆蓋面積大于加固之前的骨架曲線覆蓋面積，試件J-6加固之后的循環(huán)次數(shù)多于加固之前的循環(huán)次數(shù)。試件J-7加固之后的滯回曲線比加固之前的滯回曲線飽滿，試件J-7加固之后的極限荷載是加固之前的1.19倍，試件J-7加固之后的極限位移是加固之前的1.39倍，試件J-7加固之后的骨架曲線覆蓋面積大于加固之前的骨架曲線覆蓋面積，試件J-7加固之后的循環(huán)次數(shù)與加固之前的循環(huán)次數(shù)相同。

不同F(xiàn)RP加固形式的加固試件中，沿45°交叉粘貼纖維布的加固形式優(yōu)于沿0°豎向粘貼纖維布的加固形式。加固之后的試件J-6滯回曲線比加固之后的試件J-7更飽滿,骨架曲線覆蓋的面積更大，循環(huán)次數(shù)更多，試件J-6加固之后的極限荷載是試件J-7的0.94倍，但試件J-6加固之后的極限位移之比是試件J-7的1.20倍。說明沿45°交叉粘貼纖維布的加固形式比沿0°豎向粘貼纖維布的加固形式對節(jié)點核心區(qū)混凝土的約束作用更強(qiáng)，從而提高了節(jié)點核心區(qū)的抗剪能力，改善了節(jié)點核心區(qū)的變形能力，增大了構(gòu)件耗能能力。

2.3 耗能能力

FRP加固受損框架邊節(jié)點試件的耗能能力對比見表3。結(jié)果表明，盡管采用了不同的FRP加固方式，加固后的試件耗能能力均恢復(fù)到加固之前的狀態(tài)。例如，試件J-6加固之后的耗散能是加固之前的3.86倍，試件J-6加固之后的應(yīng)變能是加固之前的2.61倍，試件J-6加固之后的耗散能和應(yīng)變能的比值是加固之前的1.48倍。試件J-7加固之后的耗散能是加固之前的1.93倍，試件J-7加固之后的應(yīng)變能是加固之前的1.42倍，試件J-7加固之后的耗散能和應(yīng)變能的比值是加固之前的1.34倍。

不同F(xiàn)RP加固形式的加固試件中，沿45°交叉粘貼纖維布的加固形式在耗能能力方面優(yōu)于沿0°豎向粘貼纖維布的加固形式。例如，試件J-7加固之后和加固之前的耗散能之比是試件J-6的0.50倍，試件J-7加固之后和加固之前的應(yīng)變能之比是試件J-6的0.54倍，試件J-7加固之后和加固之前的耗散能和應(yīng)變能比值是試件J-6的0.91倍。可見，沿45°交叉粘貼纖維布比沿0°豎向粘貼纖維布，對節(jié)點核心區(qū)混凝土的約束作用更強(qiáng)，試件的耗能能力提高更多。

表3 不同F(xiàn)RP加固形式的節(jié)點試件的耗散能力

表4 不同F(xiàn)RP加固形式的節(jié)點試件的位移延性

FRP加固受損框架邊節(jié)點試件的位移延性對比見表4。結(jié)果表明，盡管采用了不同的FRP加固方式，加固后試件的位移延性均基本恢復(fù)到加固之前的狀態(tài)。例如，試件J-6加固之后的位移延性是加固之前的1.50倍；試件J-7加固之后的位移延性是加固之前的0.64倍。

不同F(xiàn)RP加固形式的加固試件中，沿45°交叉粘貼纖維布的加固形式在耗能能力方面優(yōu)于沿0°豎向粘貼纖維布的加固形式。例如，試件J-6加固之后和加固之前的位移延性之比是試件J-7的2.35倍。

2.4承載力退化

FRP加固受損框架節(jié)點試件的承載力降低系數(shù)見表5。結(jié)果表明，受損節(jié)點試件加固之后的承載力退化速率很難恢復(fù)到加固之前的承載力退化狀況。例如，試件J-6在位移延性系數(shù)滋駐＝1和滋駐＝2的情況下，加固之后的承載力降低系數(shù)與其加固之前的承載力降低系數(shù)基本相同。可見，試件J-6加固之后的承載力退化速率較其加固之前基本相同。試件J-7在位移延性系數(shù)滋駐＝1和滋駐＝2的情況下，加固之后的承載力降低系數(shù)與其加固之前的承載力降低系數(shù)基本相同。可見，試件J-7加固之后的承載力退化速率較其加固之前基本相同。

不同F(xiàn)RP加固形式的加固試件中，沿45°交叉粘貼纖維布的加固形式在承載力退化方面優(yōu)于沿0°豎向粘貼纖維布的加固形式。例如,在位移延性系數(shù)滋駐＝1的情況下,試件J-7加固之后和加固之前的承載力降低系數(shù)之比是試件J-6的1.05倍，在位移延性系數(shù)滋駐＝2的情況下,試件J-7加固之后和加固之前的承載力降低系數(shù)之比是試件J-6的0.98倍。可見，試件J-7的承載力退化速率快于試件J-6。

表5 不同F(xiàn)RP加固形式的節(jié)點試件承載力降低系數(shù)對比

2.5 剛度退化

圖11 不同F(xiàn)RP加固形式的節(jié)點試件環(huán)線剛度對比

FRP加固受損框架邊節(jié)點試件的環(huán)線剛度如圖11所示。試件J-6加固之后的環(huán)線剛度高于加固之前的環(huán)線剛度，試件J-7加固之后的環(huán)線剛度低于加固之前的環(huán)線剛度。且試件J-7的環(huán)線剛度在每個延性系數(shù)下均小于試件J-6的環(huán)線剛度，而且試件J-7的循環(huán)次數(shù)少于試件J-6的循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明，受損節(jié)點試件沿45°交叉粘貼纖維布加固之后的環(huán)線剛度達(dá)到了其加固之前的位移延性，滿足抗震鑒定的要求。而沿0°豎向粘貼纖維布加固的試件環(huán)線剛度退化較快。

3 結(jié)論

通過2種不同加固形式的FRP加固鋼筋鋼纖維混凝土受損框架節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究，可以得出如下結(jié)論:

1）采用不同F(xiàn)RP加固形式加固的受損邊節(jié)點試件，裂縫處理后，在節(jié)點核心區(qū)沿450粘貼碳纖維布的加固形式優(yōu)于沿00粘貼碳纖維布的加固形式。

2）雖然兩種方式對承載力的退化影響較小，但是粘貼纖維布對節(jié)點核心區(qū)混凝土增加了約束，從而增大了試件的承載能力，增強(qiáng)了試件耗能能力。

3）在節(jié)點核心區(qū)沿450粘貼碳纖維布的加固形式改善了試件的剛度退化狀況，提高了試件位移延性。而節(jié)點核心區(qū)沿00粘貼碳纖維布的加固形式使得剛度退化更快，而且降低了位移延性。

[1]張軍偉,王廷彥.鋼纖維局部增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點抗震性能試驗研究[J].混凝土,2011,261(7):13～16.

[2]張軍偉,田向陽,王廷彥,高丹盈.FRP材料類型對加固受損鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點抗震性能的影響[J].混凝土,2013,286(8):24～28.

[3]GB 50367-2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

[4]CECS 146:2003,碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

國家自然科學(xué)基金（50678159）；河南省創(chuàng)新型科技人才隊伍建設(shè)工程(094100510009)資助項目。