高延性FRP加固RC矩形柱抗震性能

白玉磊，楊 凱，韓 強，于 輝，張玉峰, 孟慶利

(1.城市與工程安全減災教育部重點實驗室(北京工業大學)，北京 100124；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056004；3.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000)

鋼筋混凝土(reinforced concrete，RC)結構廣泛應用于橋梁、建筑、隧道等基礎設施建設領域。在地震災害下，大量的鋼筋混凝土結構因為缺乏足夠的耗能能力及延性而產生嚴重破壞甚至發生倒塌。這些發生破壞的RC結構大多采用舊規范進行設計建造，其箍筋配筋率較小，抗剪切能力及延性較差，抗震性能明顯不足，加上自然和荷載作用下結構的劣化，使結構抗震性能已不能滿足現行規范抗震要求，亟需進行抗震加固。

近年來，纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer, FRP)由于其耐腐蝕性能好、輕質高強、耐疲勞性能好、施工方便等優點，在RC結構加固領域得到了廣泛的應用。其中外包FRP加固方法因其施工簡單和快速高效、加固后幾乎不對結構產生附加荷載、不影響結構外觀等特點，被認為是RC結構進行抗震修復的一種經濟高效的措施[1-3]。傳統的FRP材料包括碳纖維(carbon FRP，CFRP)，玻璃纖維(glass FRP，GFRP)，芳綸纖維(aramid FRP，AFRP)等，是一種低斷裂應變(1.5%～2%)的線彈性材料，耗能能力低且破壞時沒有明顯預兆，在常見的矩形柱的抗震加固中效果不理想，甚至發生脆性破壞。近年，出現了一種由聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，PEN)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)纖維制成的新型高延性FRP(large-rupture-strain FRP，LRS FRP)，這種材料具有較大的拉伸斷裂應變(5%以上)[4-5]。已有研究表明，由于高延性的特性，LRS FRP加固的橋墩在獲得很大延性的情況下(大于10倍屈服位移)，盡管塑性鉸區混凝土鼓脹和鋼筋屈曲明顯，LRS FRP仍然沒有斷裂，避免了脆性破壞發生的可能性，在抗震修復中具有極大的優越性[6-12]。目前國內外學者已經對傳統的FRP加固鋼筋混凝土墩柱進行了大量的試驗和理論研究，但對高延性FRP約束墩柱的抗震性能研究較少。其中，Anggawidjaja等[13]對LRS FRP約束RC方柱進行了抗震性能試驗，發現LRS FRP在柱的極限狀態下沒有破裂，展示了高延性FRP在抗震加固中不易發生脆性斷裂破壞的優勢。Dai等[14]也在試驗中證明了這一點。鄭松彬[15]將高延性FRP與纖維水泥基復合材料(engineered cementitious composites，ECC)兩者結合進行了抗震試驗研究，結果表明，與普通鋼筋混凝土柱相比，FRP約束塑性鉸區ECC結構柱在抗震性能上有十分顯著的提升。此外一些學者也對高延性FRP加固銹蝕鋼筋混凝土墩柱進行了一系列的抗震試驗研究[16-20]。以上研究大多都集中于高延性FRP對普通或銹蝕鋼筋混凝土柱的抗震加固上，對高延性FRP加固箍筋配筋率較小的老舊非延性RC方柱的抗震性能研究較少。因此，研究高延性FRP加固非延性RC柱的抗震性能具有重要的意義。

本文對6個FRP加固RC方柱和1個對比柱進行了擬靜力試驗。通過分析試件的破壞形態、抗震性能參數和FRP應變，研究了FRP種類和加固層數對其破壞形態和抗震性能的影響，并通過OpenSees有限元分析對試驗結果進行了模擬，驗證了課題組前期發展的高延性FRP約束混凝土模型的適用性。

1 試驗方案

1.1 試件設計及制作

圖1 墩柱配筋(mm)

對試件進行FRP加固的過程嚴格按照CECS 146:2003《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》[21]完成。加固柱FRP設置500 mm(柱周長的一半)的重疊區,試件基本參數見表1。

表1 試件參數詳情

1.2 材料特性

1.2.1 混凝土和鋼筋

混凝土立方體28 d抗壓強度為32.0 MPa。其中試件縱筋和箍筋均為HRB400，材料力學性能參數見表2。

表2 鋼筋力學性能參數

1.2.2 FRP

試驗中所用FRP布種類有CFRP、PEN FRP和PET FRP。CFRP由北京卡本工程有限公司生產，PEN FRP和PET FRP由日本Maeda Kosen公司生產。采用的膠體由上海三悠樹脂有限公司生產。由ASTM 標準(ASTM D3039/D3039M-14)[22]，對CFRP、PEN FRP和PET FRP進行了平板拉伸試驗。材料力學性能見表3。不同FRP的本構關系曲線見圖3。

圖3 FRP拉伸應力-應變曲線

表3 纖維布力學參數

1.3 加載制度與測點布置

1.3.1 加載制度

試驗在北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室進行，其中軸向荷載通過1 000 kN的液壓千斤頂施加，水平荷載通過500 kN的水平液壓千斤頂施加。每個試件在試驗開始前均要預先施加軸壓比大小為0.2的軸壓荷載并保持恒定。采用力、位移混合控制加載方法，進行分級加載，每級循環1次。在試驗開始時先采用荷載控制來確定加載試件的縱筋屈服時的位移Δy；試件屈服后采用控制位移的方式按屈服位移的倍數進行逐級加載，直至試件完全破壞，或其水平承載力下降到極限承載力的85%，試驗結束。加載裝置見圖4。

圖4 加載裝置

1.3.2 測點布置

在水平位移加載點處布置拉線位移計來測量試件的水平位移。澆筑混凝土前在距離墩底150、300、450 mm高度處提前預埋螺桿，用來架設位移計以測量試件的曲率。在塑性鉸區兩個箍筋中間高度的縱筋內、外各貼1個應變片，并在箍筋上布置2個應變片，記錄鋼筋在加載過程中的應變發展。在FRP上距柱底100 mm高度環向粘貼了6個應變片，與FRP重疊區的距離依次為0、125、208、291、375、500 mm。具體布置見圖5。

圖5 FRP布及鋼筋應變測點布置(mm)

2 試驗結果

2.1 破壞形態

對于未加固柱(FRP-0)，其破壞形式如下：試件屈服前，當水平荷載到達30 kN時，在試件距離墩底大約30 mm高度處出現橫向微裂縫；水平位移到達1Δy(位移9.8 mm)時，在150 mm高度處產生水平裂縫，隨著試件側向位移的持續增加，原有裂縫逐漸加寬；試件側向位移到達3Δy(位移29.4 mm)時，在距離柱子根部50 mm范圍左右產生了寬達1 mm左右的裂縫，柱體塑性鉸區混凝土保護層受壓破壞、縱筋外露，見圖6(a)；試件側向位移到達6Δy(位移58.8 mm)時，塑性鉸區200 mm高度內的核心混凝土發生破壞，縱筋也發生了明顯的屈曲。承載力急劇下降，試驗停止，見圖6(b)。

圖6 試件FRP-0破壞形態

對于FRP加固柱，其破壞形式基本一致。以PET-1為例，試件屈服前，當水平荷載到達30 kN時，試件無明顯現象；水平位移到達1Δy(位移9.1 mm)時，在加固區域以上100 mm高度內有水平裂縫出現，FRP布表面沒有發現任何變化；繼續進行加載，試件水平位移增大，裂縫逐步向往側面延伸；水平位移到達3Δy(位移27.3 mm)時，未約束區域的裂縫向斜下方發展；水平位移到達6Δy(位移54.6 mm)時，加載柱根部50 mm高度范圍內FRP布受壓出現鼓脹，隨著水平位移的增加，有環氧樹脂膠與混凝土剝離時的清脆響聲，柱子根部產生裂縫，見圖7(a)；試件側向位移到達13Δy(位移118.3 mm)后，FRP布仍基本完好，FRP布表面出現拉裂現象，柱腳部分與基礎發生分離，直至承載力下降到最大承載力85%以下，試驗結束。破壞狀態見圖7(b)。

圖7 試件PET-1破壞形態

綜上所述，在較低軸壓比(0.2)和水平往復荷載的共同作用下，未加固柱的破壞形態是，試驗過程中柱體表面產生交叉裂縫，塑性鉸區核心混凝土破壞掉落，縱筋也出現了明顯的屈曲行為；FRP加固柱的破壞形態是，試件在達到較大側向位移時，在加固區域上部產生細小的裂縫，混凝土裂縫的分布明顯上移，在較大側向位移時混凝土保護層基本完好，試件柱腳部分與基礎分離，FRP表面基本完好。破壞形式的改變說明了試件在荷載作用下，混凝土內部發生破壞，引起外包的FRP產生環向拉應力，對試件核心混凝土產生環向約束力，對混凝土的變形有一定的抑制作用。進行到試驗后期，試件達到較大的側向位移時，柱子受拉一側的FRP出現了水平裂縫。

2.2 滯回曲線

各試件的滯回曲線見圖8(a)～(g)。圖8(h)～(k)展示了不同工況組合時滯回曲線的對比。由圖8可知，未加固柱的滯回曲線呈現為弓形，但飽滿程度較低，可以觀察到有明顯的“捏縮”效應。與未加固柱相比，FRP加固柱的滯回曲線更為飽滿，達到峰值荷載以后承載力下降較為平緩。加固件的極限水平位移與未加固件相比也有較大的提高，說明加固后試件的延性有所增強。加固柱的極限承載力相比于未加固件也均有提高。從對比圖中可以看出，1層CFRP與1層PEN FRP的滯回曲線十分接近，這是因為兩者的約束剛度數值(FRP約束剛度大小為厚度與彈性模量的乘積)十分接近。曲線沒有體現出PEN FRP的高延性優勢，這可能是因為在較低軸壓比作用下，塑性鉸區截面的受壓面積較小，導致FRP的約束效果并沒有很好地發揮出來。

圖8 試件滯回曲線

2.3 骨架曲線與延性分析

表4為試件的部分試驗結果。由于試驗過程中除未加固柱外，其他加固柱均未發生嚴重破壞，所以取承載力下降至峰值荷載的85%作為極限荷載。各試件的骨架曲線見圖9。結合表4及圖9可知：隨著FRP層數的增加，試件的峰值荷載和極限位移均有所增加。加固件PET-1、PET-2、PET-3、PEN-1、PEN-2、CFRP-1的峰值荷載提高幅度分別為9.1%、8.2%、8.3%、5.5%、8.3%、5.0%；極 限位移分別提高了38.4%、62.5%、67.5%、47.6%、57.7%、36.4%，位移延性系數分別提高了57.9%、94.1%、63.0%、73.4%、94.0%、44.2%，由此可以看出FRP加固會明顯改善結構的抗震性能。

表4 試驗結果

圖9 試件骨架曲線

2.4 耗能

由圖10可知，FRP加固試件最終破壞時消耗的總能量均遠遠超過了未加固柱消耗的總能量，這是因為相比于未加固柱，FRP加固柱的極限位移明顯提高，延性得到了明顯改善。在累積了相同級別的屈服位移圈數時FRP加固柱累積耗能也依舊大于未加固的試件。

圖10 耗能面積對比

2.5 剛度退化

圖11為各試件的剛度退化曲線，表5為初始剛度計算值。由圖11和表5可知：采用FRP進行加固的墩柱和對比柱的剛度變化規律基本一致，即隨著位移的增加試件剛度下降，且在達到其峰值荷載前變化速率快，達到峰值荷載后變化速率慢；FRP加固柱的初始剛度均有所提高，且隨著FRP層數的增大初始剛度也隨之增大。

表5 計算剛度

圖11 剛度退化曲線

2.6 曲率

圖12給出了試件在不同屈服位移倍數(即1δy、3δy、5δy、7δy、9δy、11δy和δu)下沿柱高的曲率分布變化。和預期相同，由于RC柱的旋轉，試件在柱底出現了較大的曲率。觀察到的塑性鉸區高度約為300 mm，略大于鋼筋混凝土柱的邊長。其中未加固柱在250 mm處的曲率略大于其他加固柱，這是因為未加固柱在試驗后期發生了嚴重的混凝土保護層剝落和鋼筋屈曲，導致位移計讀數增大。試件PEN-1由于位移計在試驗過程中意外卡住，未能得到其曲率圖。

圖12 試件曲率分布

2.7 FRP布應變

圖13給出了試件加載過程中FRP的環向應變分布。其中SG9即代表應變片9，應變片分布見圖5。從圖13可看出，試驗過程中FRP基本表現為受拉狀態，且隨著水平位移的增加，6個試件的FRP應變都逐漸增大；試件達到極限位移時6個加固柱的FRP環向應變都比較小，其中CFRP為0.32%，PET FRP為0.3%，PEN FRP為0.45%，遠未達到其在軸壓試驗中的斷裂應變(CFRP為0.59%[23]，PET為7.24%，PEN為3.83%[24])。這是由于柱子的軸壓比較小，柱截面受壓程度較弱，使得FRP發揮作用較小。

圖13 FRP應變分布

3 OpenSees數值模擬

在OpenSees軟件中對試驗結果進行數值模擬。建立有限元模型的細節如下：單元采用非線性梁柱單元，沿柱高度劃分3個節點2個單元，以區分FRP加固區和未加固區，并將底部節點固定，每個單元布置4個高斯積分點。截面劃分為混凝土纖維和鋼筋纖維，其中混凝土截面采用16個徑向分區和16個切向分區。在FRP加固截面中，與FRP相比，箍筋對混凝土的約束效果小，故忽略箍筋的作用。其中混凝土受壓部分采用Teng等[25]在OpenSees二次開發的FRP約束混凝土模型“FrpConfinedConcrete”，并結合了Bai等[7]提出的基于剛度的高延性FRP約束混凝土應力應變設計模型；受拉部分則基于Yassin[26]的模型。對未加固截面，基于Mander等[27]的模型將截面劃分為約束核心混凝土和無約束保護層混凝土兩部分，在Concrete02中來實現。鋼筋采用ReinforcingSteel模型。

圖8(a)～(g)為模擬結果與試驗曲線的對比，可以看到模擬結果的骨架曲線與試驗曲線較為吻合，其中試驗滯回曲線表現出了不同程度的不對稱現象。

由圖8(a)可知，未加固柱在模擬中考慮縱筋屈曲影響后結果更為準確。而在加固柱的模擬中不考慮縱筋屈曲也能與試驗結果很好地吻合，這說明在0.2的軸壓比下，即使只加固1層PET FRP(彈性模量與厚度乘積最小)，也可以明顯地抑制和減小鋼筋的屈曲現象。這與白玉磊等[28]的分析是一致的，即FRP加固為試件提供了額外的環向約束，當混凝土向外膨脹以及縱筋發生屈曲時，就會激活FRP的約束作用，抑制混凝土的膨脹及縱筋的屈曲。在對CFRP加固柱的模擬中，模擬曲線并未達到試驗的極限位移，這是由于CFRP斷裂使得約束混凝土達到了極限應變。而試驗中CFRP并未斷裂，原因是在擬靜力試驗中，FRP約束混凝土會處于偏心受壓，這種情況下混凝土的極限應變一般會大于軸心受壓下的極限應變，造成模型低估了FRP約束混凝土的極限應變。

4 結 語

對7個FRP加固鋼筋混凝土方柱進行了擬靜力試驗，分析并討論了不同加固參數下試件的破壞現象及抗震性能參數，主要結論如下：

1)在軸向荷載及水平往復荷載共同作用下，未加固柱的破壞現象是核心混凝土壓壞破碎，縱筋也發生了明顯的屈曲；FRP加固柱的試驗現象是根部加載面產生拉裂縫，混凝土表面裂縫上移，混凝土保護層沒有產生明顯破壞，FRP出現水平分層裂縫，整體基本完好。采用FRP對結構進行加固后成功改變了其破壞形態和破壞位置。

2)試驗中FRP應變均較小，遠未達到其在軸壓試驗中的斷裂應變，說明其對混凝土強度的提升程度不大，但FRP加固顯著提高了鋼筋混凝土方柱的延性和耗能，并且有效防止了塑性鉸區混凝土的剝落。結合其斷裂應變大、彈性模量低的特點，高延性FRP更適用于那些亟需提高抗震延性的結構。

3)與未加固柱相比，FRP加固為試件提供了額外的環向約束，當縱筋發生側向屈曲時，就會激活FRP的約束作用，減緩縱筋應變的發展，抑制縱筋的屈曲，極大地改善了結構的抗震性能。

4)在OpenSees中基于前人二次開發的模型對試驗結果進行了模擬，結果表明模型能較好地反映LRS FRP加固RC柱的抗震性能。