碳纤维布加固方钢管混凝土柱抗震性能试验研究

杨炳，卢梦潇 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

彭威 （海航实业集团有限公司，海南 海口570100）

查昕峰，付晨曦 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

近年来，钢管混凝土结构因其独特的结构形式和良好的抗震性能在抗震设防区的高层和超高层建筑中有着广泛应用。作为结构主要抗侧力构件，柱的抗震性能的好坏直接决定着整体结构的抗震性能，地震来临时，柱的坍塌则会引起整体结构的坍塌。而相关现行规范，如《建筑抗震鉴定标准》（GB50023－2009）、《混凝土结构加固技术规范》（CECS25：90）、《钢结构加固技术规范》（CECS77：96）及《建筑抗震加固技术规程》（JGJ116－2009）均未涉及到钢管混凝土抗震加固问题。因此，研究钢管混凝土结构的抗震加固问题对于提高此类结构抗震能力显得尤为迫切和重要［1～3］。

碳纤维布（CFRP）具有轻质高强、耐腐蚀、施工便捷和不增加构件尺寸等优点，逐步受到工程人员的重视，并在土木工程界得到广泛运用。碳纤维布在加固钢筋混凝土结构具有良好的加固效果［4～8］，国内学者曹靖［9］、郑云［10］、许成祥［1］等进行了碳纤维布加固钢结构理论分析和试验研究。但碳纤维布加固方钢管混凝土柱的研究尚无人进行，也没有检索到相关文献及报道。为此，笔者拟进行碳纤维布加固方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究，考察轴压比对碳纤维布加固效果的影响。通过对比加固柱的极限承载力、极限位移和耗能能力，检验基于碳纤维布加固方钢管混凝土柱的可行性，以期为方钢管混凝土柱抗震加固设计提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试验设计及制作

试验是在长江大学结构实验室完成的。基于现行设计规范，一共设计并制作了3根方钢管混凝土柱，其中1根作为对比柱，不加固直接进行破坏加载试验。其余2根均经碳纤维布加固后再进行加载试验，试件编号为C－0、C－1、C－2。试件示意如图1所示，设计试验轴压比为0.4，对应柱顶轴压力为500kN，柱的有效高度为1120mm。

1.2 试件材料性能

柱截面选用200mm×200mm×4mm的冷弯薄壁方钢管，管内填充C40商品混凝土，实测混凝土平均抗压强度为39.2N／mm2，柱截面含钢率ρa＝8.5%。钢材力学性能实测值见表1。采用CJ200－Ⅱ碳纤维布，其计算厚度为0.111mm，抗拉强度为3209.4MPa，弹性模量为2.5×105MPa，伸长率为1.5。结构胶选用环氧树脂，加固示意见图2。厂家提供结构胶的抗拉强度为50MPa，抗压强度为81.3MPa，抗剪强度为16.4MPa。

图1 试件构造示意

表1 钢材力学性能实测值

表2 试件柱加固参数

1.3 碳纤维布加固

各试件加固参数见表2，加固设计参照《碳纤维布片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）及《碳纤维加固规程》，在柱加劲肋板顶端处向上560mm的范围内环箍3层碳纤维布，碳纤维布加固如图2所示。

1.4 加载装置、加载制度及量测内容

图2 柱碳纤维布加固示意

图3 试验加载示意

试验通过液压伺服作动器提供水平低周反复荷载来模拟地震作用，轴力通过油压千斤顶和反力梁提供，加载示意如图3所示。规定加载端那侧为试件的后侧，其相对一侧即为前侧，加载端的左右两侧分别为试件的左右侧。

图4 加载制度

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101－96）的有关规定，该试验采用位移控制的方法。加载点距柱底加劲肋板1120mm，加载程序如下：轴力通过液压千斤顶一次性施加并保持恒定直至试验结束，往复水平力是通过施加位移来控制实现。加载初期，侧移率×100%）为0.25%、0.5%、0.75%时，各循环加载1次；直到侧移率为1%，按照侧移率为1%、1.5%、2%、3%、4%、5%、6%实施3次循环加载，直到试件水平承载力下降至极限承载力的85%时才终止加载。其中，Δ为水平位移，L为试件净高度。加载制度如图4所示。

试验量测主要内容如下：用位移计量测每级水平循环加载中柱顶部的水平位移，位移计布置与加载点齐平，荷载－位移滞回曲线及应变经液压伺服系统和电脑采集，应变片布置如图5所示。

图5 钢管表面应变片布置

2 试验现象及破坏形态

所有试件的加载程序及仪器布置都相同，为方便描述，规定作动器向前推为负，向后拉为正。

2.1 试件C－0

试件C－0的轴压比为0.4，不加固直接进行破坏加载试验。位移±16.8mm的第1个循环加载过程中，位移－13mm时，测点22、23应变均超过屈服应变；位移－15mm时，试件根部前侧出现微小鼓曲，距加劲肋板50mm；同级位移反向加载时，鼓曲被拉平且后侧出现微小鼓曲；位移±22.4mm的循环加载过程中，前后侧鼓曲的程度和范围进一步加大，卸载后鼓曲不可恢复；位移±33.6mm的第2个循环加载过程中，位移＋33mm时，鼓曲范围渐向环向发展，试件根部左右侧腹板出现微小鼓曲现象；位移±44.8mm的循环加载过程中，试件根部鼓曲区域迅速膨胀变大，前后侧钢管漆皮纷纷起皱脱落，伴随着混凝土碎裂的声音；位移±56mm的第1个循环加载过程中，柱根部出现严重鼓曲变形，承载能力下降，试件破坏。

2.2 试件C－1

试件C－1的轴压比为0.4，经碳纤维布加固后进行破坏加载试验。位移±16.8mm的循环加载过程中，碳纤维布表面无明显变化，偶尔会发出胶体的脆裂声；位移±22.4mm的第1个循环加载过程中，位移－14mm时，测点24应变超过屈服应变；第2个循环加载过程中，位移＋18mm时，试件后侧产生微小的鼓曲。位移－20mm时，试件前侧也产生微小鼓曲且后侧的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的第2个循环加载过程中，柱前后侧与左右侧转角处的碳纤维布均出现不同程度裂缝，试件前后侧鼓曲进一步加大，胶体的脆裂声持续且变得更加密集；位移±44.8mm的第1个循环加载过程中，试件的左右侧碳纤维也开始出现起鼓现象，转角处碳纤维布裂缝进一步向两侧延伸；位移±55.6mm的第2个循环加载过程中，试件前后侧碳纤维布产生层状撕裂，转角处碳纤维布进一步被拉断；位移±66.8mm的第1个循环加载过程中，因位移角过大，轴力不能稳定，终止试验。

2.3 试件C－2

试件C－2的轴压比为0.6，经碳纤维布加固后进行破坏加载试验。位移±16.8mm的循环加载过程中，碳纤维布无明显变化，不时会发出胶体的脆裂声；位移±22.4mm的第1个循环加载过程中，位移－16mm时，测点24应变超过屈服应变；第2个循环加载过程中，位移＋20mm时，试件后侧产生微小的鼓曲。位移－20mm时，试件前侧也产生微小鼓曲且后侧的鼓曲被拉平；位移±33.6mm的前2个循环加载过程中试件前后侧鼓曲逐渐加大，且卸载后不能恢复；位移±33.6mm的第3个循环加载过程中，试件柱钢管转角处的碳纤维布出现断裂现象；位移±44.8mm的第2个循环加载过程中，试件左右侧也发生鼓曲现象；位移±55.6mm的循环加载过程中，试件柱根部碳纤维布产生不同程度破坏，表现在柱的四侧的层状破坏和转角处的撕裂破坏；位移±66.8mm的第一个循环加载过程中，因水平荷载下降至极限荷载85%以下，试件宣告破坏，终止试验。

对比试件C－0和碳纤维布加固试件C－1、C－2的破坏形态，主要表现为压弯破坏（见图6）。从破坏特征及破坏区域来看，最终破坏位置位于柱根部，构件具有较好的变形能力和较大的延性。塑性铰没有转移，是最为理想的破坏模式。试验结束后，很难剥离包裹的碳纤维布，说明结构胶工作性能较好，碳纤维布能较好的发挥约束作用。

图6 试件破坏形态

3 滞回曲线

图7为各试件柱顶荷载－位移滞回曲线。各试件具有一些共同的滞回特点：试件在屈服之前刚度基本保持不变，加卸载刚度基本相同。试件屈服之后，随着加载位移的逐渐增加，加载曲线的斜率逐渐减小。同级位移情况下，第3次加载荷载要低于第1次加载荷载，说明在往复荷载作用下结构出现了损伤和一定程度的强度、刚度退化。越到加载后期，滞回曲线变得越加饱满，表明塑性铰的转动能力逐渐加强。

图7 试件滞回曲线

对比可知，加固试件C－1、C－2的滞回曲线要比试件C－0饱满，说明碳纤维布加固效果明显。其他参数相同时，轴压比较大的试件C－2具有比试件C－1更高的极限荷载，但是在达到极限荷载后，其承载力和刚度衰减要快于试件C－1，且破坏过程具有突然性，且破坏时达到的破坏位移下降，表现出延性性能要差于试件C－1。

4 骨架曲线

将各试件滞回曲线上每级循环的峰值点连接起来就可以得到骨架曲线。试件的荷载－位移骨架曲线见图8。

从图8中可以看出：

1）从试件屈服到达极限荷载之前，试件C－2骨架曲线的斜率要大于试件C－1的，说明在其他条件均相同时，高轴压比时碳纤维布加固柱的刚度要高于轴压比低的加固柱；

2）碳纤维布加固能不同程度提高试件极限承载力，轴压比较大试件经碳纤维布加固后其极限承载力提高程度更大；

3）试件C－0到达极限荷载后，荷载下降较快。而试件C－1、C－2骨架曲线出现较大的水平段，且下降段更平缓，说明碳纤维布加固方钢管混凝土柱能明显改善试件的延性性能。

5 位移延性系数及耗能能力

位移的延性系数μ采用公式μ＝Δu／Δy计算，式中Δu为破坏位移，即荷载下降至0.85Pmax时所对应的位移；Δy为屈服时所对应的位移。试件承载力、位移和延性系数见表3。

图8 试件骨架曲线

表3 试件承载力、位移和位移延性系数

由表3可知，碳纤维布加固方钢管混凝土柱可以一定程度提高其极限承载力，极限位移也有一定程度提高，故可以明显改善试件的延性。笔者认为碳纤维布提高方钢管混凝土柱延性的机理是碳纤维可以充分发挥受拉作用，限制了柱根部塑性铰的发展速度，从而大大改善了试件的延性。比较试件C－0、C－2发现，轴压比对碳纤维布加固效果有一定程度影响，轴压比越大，碳纤维布加固柱的极限承载力提高程度可达18.66%，同时其延性提高率会下降。这主要是由于较大的轴压力使得方钢管混凝土柱的主压应力增大，降低了钢管内核心混凝土后期变形能力，较大的轴压力还导致了P－Δ效应增大，从而导致试件在达到极限荷载后承载力和刚度退化速度加快，这也和试验现象相吻合。

试件在加载过程中形成的滞回环越饱满，其包围的面积也就越大，则表示其耗能能力较好。笔者选用滞回曲线包络线所包围的面积来代表试件的耗能值作为比较。

实测各试件耗能值如表4。由表4可知，试件C－1、C－2较试件C－0的耗能值分别提高42.2%、31.9%，轴压比对碳纤维布加固柱的耗能能力有着明显的影响，轴压比越大，加固柱的耗能能力提升率反而下降。

表4 实测各试件耗能值

6 刚度退化

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ－1996）规定：刚度退化采用试件不同加载位移下滞回曲线的割线刚度Ki来描述，割线刚度又称等效刚度。Ki按照同一级加载第一次循环的峰值荷载进行计算。笔者采用刚度退化率λ来描述刚度退化，计算公式为：

式中，Ki为第i次加载循环的刚度；K0为初始刚度［11］。

根据实测试验数据计算得到的刚度退化率曲线（见图9）。由图9可知，试件C－1、C－2刚度退化与试件C－0相比要更加平缓，说明碳纤维布加固可以延缓柱的刚度衰减，使柱在加载后期仍有一定的抵抗变形能力。

7 结论

通过对3根柱的低周反复荷载破坏试验，研究了碳纤维布加固方钢管混凝土柱的有效性，考察了轴压比对加固效果的影响，研究其试验相关参数并进行计算分析，可以得到如下结论：

1）碳纤维布加固对试件承载力影响不大，但能明显提高试件的延性性能和变形能力，延性的最大提高率为26.95%。

2）轴压比对碳纤维布的加固效果有重要的影响，轴压比越大，加固试件极限承载力提高程度越高，延性及耗能提高率有所下降。

3）与对比试件相比，碳纤维布加固方钢管混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线形状更加饱满，从刚度退化程度来看，经加固的试件刚度退化能够得到延缓，说明碳纤维布加固方钢管混凝土柱是一种有效的加固方式。

图9 刚度退化曲线

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