高性能水泥復合砂漿鋼筋網加固震損RC框架節點抗震性能試驗研究

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

0 引言

鋼筋混凝土框架結構的抗震性能良好，因而被大量應用于我國建筑結構中。框架結構節點不僅承擔著傳遞和分配內力的重要作用，更是保障框架結構整體性和穩定性的重要組成部分[1]。

國內外發生過的眾多地震破壞調查結果表明：在地震作用下，鋼筋混凝土框架結構受到強烈的沖擊時會發生損壞，甚至倒塌。受損建筑大多是因節點核心區發生了較為嚴重的破壞而導致的結構整體穩定性喪失[2]。因此，探討建筑震損后框架節點的加固修復工作，顯得十分必要。20世紀80年代的房屋大多未考慮抗震設防，這使得框架結構的梁柱節點區箍筋配置過少或者是箍筋錨固不良，構造和設計上存在缺陷，未能滿足“強節點、弱構件”的抗震設計原則，對框架結構的抗震性能造成不利影響。除了地震作用下節點受損需要加固修復外，還有一些建筑物是因為抗震設防調整、使用功能改變等原因，需要對結構進行加固。

由于高性能水泥復合砂漿屬于無機膠凝材料，其與混凝土材料的性質相似，所以兩種材料的相容性較好；而且由于高性能水泥復合砂漿耐高溫、耐久、抗老化性能較好，因而能被作為防護材料，有效地保護鋼筋網。高性能水泥復合砂漿鋼筋網（high performance ferrocement laminates，HPFL）加固法，采用鋼筋網以提高結構的承載能力，其中的高性能水泥復合砂漿主要起錨固作用和防護作用[3]。已有眾多研究表明，高性能水泥復合砂漿和鋼筋網結合形成的復合加固層，對鋼筋混凝土構件具有良好的加固效果[4-6]。因此，本研究擬對加固后的框架節點在相同軸壓比下進行抗震性能研究，并且與不同震損程度的節點進行對比研究，以期為后續相關研究與工程實際應用提供一定的參考依據。

1 試驗設計

1.1 試驗模型設計

本研究共制作了5 個尺寸和配筋均相同的節點試件，各試件來源于多層框架結構，采用的縮尺比例為1:2。框架梁的截面尺寸為150 mm×300 mm，柱截面的尺寸為250 mm×250 mm，梁、柱的長度取反彎點之間的距離。為了能更好地反映模型加固后的抗震性能，試件設計按照“弱節點、強構件”的非抗震節點配制鋼筋，混凝土強度設計等級為C20，試件的具體尺寸及配筋情況詳見圖1。

圖1 試件幾何尺寸及配筋Fig.1 Geometric and stirrup details of joints

1.2 加固方案

根據試驗目的，本文選取5 個試件，分別命名為J0、J1、J2、J3、J4，其中，J0 為對比試件，其未經加固直接加載至破壞；J1 為未經過預損處理的試件，而J2、J3、J4 分別經受了不同程度的預損處理，均在不卸載壓力情況下，利用HPFL 進行修復與加固，加固后的試件編號為JR1、JR2、JR3 和JR4，5 個試件的制作與加固試驗全過程均在相同的試驗條件下進行，試件具體的加固方案見表1。

表1 試件加固方案Table 1 Strengthening method of the specimen

試件的加固方式如圖2所示。

圖2 試件加固方式Fig.2 Reinforcement method

參考相關文獻[7-8]、混凝土加固結構技術規程及施工指南[9-10]，設定本研究中加固的具體施工工序如下：首先，通過人工鑿毛法除去核心區疏松的混凝土和污染物，使黏結面干凈、堅固并且完整；然后，確定銷釘植入的位置，并在確定位置處鉆孔、清洗、注膠、植筋；接下來，焊接安裝鋼筋網；最后，涂界面劑、抹高性能水泥復合砂漿。

1.3 試件裝置及加載制度

先用豎向千斤頂按軸壓比為0.15施加豎向荷載，試驗全程控制豎向荷載不變，然后采用單懸臂形式施加水平往復力，水平低周反復荷載利用微機控制電液伺服多點協調加載系統進行施加。具體的試驗裝置如圖3所示。

圖3 試驗裝置圖Fig.3 Test device diagram

根據試驗要求，采用荷載-位移加載方式，先采用荷載控制，逐級循環加載至縱向鋼筋屈服，各級加載5 kN，且循環2 次；再以屈服時對應的柱頂水平位移為基數，逐級成倍進行位移控制加載，每級循環3 次，直至試件的承載力下降到其極限荷載的85%，即試件完全破壞為止。

2 試驗結果與分析

圖4為各試件的破壞形態圖。

圖4 各試件破壞形態Fig.4 Failure modes of individual test piece

試件破壞試驗過程中發現，各試件的破壞態不同，具體表現如下。

1）未加固對比試件J0。試驗過程中，當其水平荷載增加至20 kN 時，可觀察到梁和柱交接處的上部初現微小裂縫；當位移加載至約12 mm 時，能觀察到45°的斜向交叉較淺裂縫出現在節點的核心區域表面，繼續增大加載位移，發現其表面裂紋也隨之加寬延展；當加載位移約28 mm 時，核心區裂縫延伸至柱端，以至于柱端和核心區的混凝土碎裂，露出里面的粗骨料；當位移繼續加載至38 mm 時，柱端和核心區混凝土發生了壓潰脫落，縱筋、端部箍筋均明顯暴露在外，如圖4a 所示。據此可以判斷試件J0 的破壞形態為節點核心區域的受剪破壞。

2）未預損直接加固試件JR1。當其水平荷載為26 kN 時，梁柱上端交匯處表面初現裂紋；繼續加載至位移為15 mm 時，原有裂縫持續發展，當位移加載至30 mm 時，梁側表面亦可以觀察到裂縫，梁與柱交界部位的裂縫貫穿；當位移加載到55 mm 時，梁側面的混凝土開始剝落；試件承載力在加載至64 mm 時，下降到不足極限荷載的85%。試件最終的破壞形態如圖4b 所示。

3）經不同程度預損后的加固試件JR2、JR3、JR4。試驗過程中發現，這些試件的裂縫出現和發展情況基本上類似于試件JR1 的，其最終的破壞形態如圖4c～e 所示。通過觀察到的試驗現象，可知試件經過HPFL 加固后，其破壞形態中能看出明顯的改善效果，表現為較為理想的梁端彎曲延性破壞。

2.1 滯回曲線分析

對各試件進行滯回曲線分析，所得結果見圖5。

圖5 各試件滯回曲線Fig.5 Hysteresis curves of individual test pieces

觀察各試件的滯回曲線，可以得知：

1）在加載前期，各個試件的滯回曲線近似表現為線性發展，J0～JR4 分別在位移為6,14,14,8,4 mm后不再保持良好的線彈性，隨著水平荷載的增加，試件出現殘余位移，隨后進入屈服階段，滯回曲線所包圍的區域也一同呈現出增大的變化趨勢，分別在位移加載至20,20,15,15,12 mm 時，曲線中部出現捏縮現象；在位移分別為26,32,28,26,22 mm 時，表現出零滑移現象，滯回曲線呈反S 形，這可能是由于試件混凝土內部變形以及鋼筋黏結滑移現象所導致的。除試件J0 表現為剪切破壞外，其它試件均表現為延性破壞。

2）觀察加固試件JR1～JR4 的滯回曲線，可發現其捏縮效應與滑移現象表現出了較為顯著的改善，滯回環面積也得到了提升，表明HPFL 加固法能有效地提高其耗能能力。

3）對比各試件滯回曲線，可以發現，經過加固后的JR1、JR2 和JR3 試件的承載力和延性比未加固試件J0 的有一定程度的提高，并且隨著震損程度增大，其提高程度減弱；而試件JR4 的承載性能提高得相對不是很明顯，這可能是因其所受的震損程度較為嚴重造成的。

2.2 骨架曲線分析

本研究所得各試件的骨架曲線如圖6所示。

圖6 各試件的骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of individual test pieces

分析圖6所示的各試件骨架曲線，可以得知：

1）加固后的試件JR1～JR3 的極限承載力都比未經加固的J0 試件的高，表明試件經HPFL 加固后，其承載力明顯提高，加固層對試件表面裂縫的產生起到有效的約束作用。

2）承載力提高程度最明顯的是JR1，最弱的是JR4，可能的原因是JR4 的預損程度最大，縱筋發生了屈服，核心區混凝土被壓潰脫落破壞，表明受損愈嚴重，承載力提高程度愈低。

3）從圖中不難觀察到，加固后試件的骨架曲線有較明顯的水平段，說明加固后的試件表現出較好的塑性變形能力。

2.3 承載力及延性分析

延性能夠反應結構或構件變形的能力，較大的延性能夠增大結構的安全儲備，防止建筑物發生脆性破壞。因此，本研究對各試件的承載力和延性進行了分析。

試件的屈服值、最大值和極限值的確定如圖7所示，位移延性采用公式μ=Δu/Δy[11]進行計算，表2為各試件的荷載、位移值以及延性系數。

圖7 試件屈服點的確定Fig.7 Determination of the yield point of the specimen

表2 試件的荷載、位移值及其延性系數Table 2 Specimen load and displacement value with its ductility coefficient

分析表2中荷載、位移和延性系數的數據，可以得出如下結論：

1）采用HPFL 加固后試件的承載力表現為較顯著地提升，其延性改善程度也比較可觀。其中JR1的極限荷載和極限位移提高幅度最大，分別提高了44.09%和48.66%；表明HPFL 加固層對試件裂縫的形成與發展的抑制作用是顯而易見的，因此該加固方法對提高試件的承載力是有效的。

2）試件JR2、JR3 和JR4 的極限荷載與位移雖也有提高，但均不如JR1 的明顯，提高最少的為JR4，僅分別提高了1.71%和2.82%。且能明顯觀察到，各試件的極限荷載與位移提高程度和延性系數從大到小依次為JR1、JR2、JR3、JR4，主要是由于試件JR4 受到震損最嚴重，導致其混凝土內部的裂縫也較多，難以通過加固來完全修復所受損傷；表明HPFL加固法對試件的承載力和延性提高效果隨預損程度的增大而減弱。

2.4 剛度退化曲線分析

用等效剛度法對剛度的退化規律進行分析，以各試件滯回曲線為依據，得到了如圖8所示的剛度退化曲線。由圖8可得：

1）試件J0 的剛度退化曲線走勢相對于JR1 和JR2 的較為陡峭，且其初期的剛度明顯小于試件JR1和JR2 的，說明加固層充分發揮了作用，分擔了荷載，從而有效延緩了剛度退化速率；

2）試件J0 初始剛度比震損程度更嚴重的試件JR3 和試件JR4 的都要大一些，表明試件的預震損程度削弱了加固層對其剛度退化速率的改善效果，試件的預損愈嚴重，剛度退化更為迅速。

圖8 試件的剛度退化曲線Fig.8 Stiffness degradation curves of individual test piece

3 有限元分析

3.1 本構關系

本研究中混凝土的本構關系，采用GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[12]中給定的曲線，鋼筋的應力-應變關系采用理想的彈塑性模型，而對于HPFL 加固層，考慮到其基體材料和界面劑均為水泥基的無機高性能復合材料，與混凝土材料性能非常相似，因此本研究在進行有限元分析時，采用與混凝土相同的本構模型。材料的應力-應變關系曲線如圖9所示。混凝土的破壞準則采用Willian-Warnker 5參數強度破壞準則。

圖9 材料的應力-應變關系曲線Fig.9 Material stress-strain relationship curves

3.2 模型的建立

為了能更好地模擬實際中鋼筋與混凝土之間的黏結滑移作用，采用分離式建模方法，即在建模時把鋼筋和混凝土作為不同的單元類型進行處理。混凝土、高性能水泥復合砂漿選用SOLID65 單元，采用了LINK8 單元模擬鋼筋。對于材料的具體參數按實際值輸入。

圖10～11 所示為各試件的鋼筋混凝土單元模型網格劃分情況。

圖10 原試件的有限元模型網格劃分Fig.10 Mesh division of the finite element model of individual test piece

圖11 加固層的有限元模型網格劃分Fig.11 Mesh division of the finite element model of individual test piece

3.3 模型的加載和求解

為了模擬對震損加固的RC 框架節點施加荷載的過程，模擬時首先在震損加載至預設荷載時，對HPFL 加固層進行“殺死”處理，當達到預損目標進行二次加載破壞時，再次重新激活加固層。試件的邊界約束與加載模型如圖12所示。

圖12 試件的邊界約束與加載模型Fig.12 Boundary constraints and loading models

3.4 有限元模擬結果分析

根據試件的尺寸和相關參數對試件進行建模和加載后，對試件進行有限元分析，經過模擬得出在加載歷程中試件的滯回曲線以及骨架曲線，圖13和14 分別為各試件試驗與模擬的滯回曲線對比和骨架曲線對比圖。

觀察圖13可以得出：各試件滯回曲線的試驗值與模擬值形態吻合度較好，模擬曲線和試驗曲線的斜率、拐點大致相同，這說明所建立的有限元模型具有很好的可靠度。

圖13 試件的滯回曲線對比圖Fig.13 Comparison of hysteresis curves

圖14 試件的骨架曲線對比圖Fig.14 Skeleton curve comparison chart

仔細觀察圖14可以看出：各試件骨架曲線的試驗值與模擬值都呈現出明顯的上升段、平緩段和下降段，都有明顯的屈服點。從開始加載到位移控制前，試驗值與模擬值的骨架曲線基本呈線性增長，斜率較大，即初始剛度較大，試驗值與模擬值較為接近，斜率基本相同。由此說明了有限元計算出的模擬值與試驗值契合度較好，可以互為驗證。

4 結論

本研究通過對1 個對比框架節點和4 個HPFL 加固法加固的震損程度不同的鋼筋混凝土框架節點的擬靜力加載試驗，并利用ANSYS 進行有限元數值模擬分析，研究了HPFL 對加固框架節點的抗震性能的改善情況，可得出如下結論：

1）HPFL 加固法對有震損框架節點的修復和加固起到了較為理想的效果。高性能復合砂漿與受損傷的混凝土相互連通滲透，能使界面自愈合，同時又可以作為防護層保護鋼筋網；而鋼筋網能有效地抗拉，從而約束試件變形，能較好地達到“強節點、弱構件”的設計目標。

2）震損的RC 框架節點在經過HPFL 加固后，其破壞形態得到明顯的改善，表現出良好的塑性變形能力，由脆性破壞變為理想的延性破壞；其耗能能力、試件承載力及延性也得到了較好的提升；剛度和強度退化情況得以改善，退化速率相對于未加固試件均較明顯減緩。

3）加固后試件的各項抗震性能都得到了很好的提升，但震損程度對加固效果影響較為明顯，震損愈嚴重時，其加固效果愈不理想。

4）利用ANSYS 軟件進行有限元數值模擬分析，得到了各個試件的滯回曲線、骨架曲線圖；同時在通過對試驗結果的進一步分析整理的基礎上，經對比分析，發現模擬值與試驗值的吻合情況較為理想，以此驗證了模擬結果、計算結果和試驗結果具有一定的可靠性和合理性。

以上結論為后續相關研究與工程實際應用提供了一定的參考。