楊炳，查昕峰（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

彭威（海航實業(yè)集團(tuán)有限公司，海南 海口 570100）

盧夢瀟，付晨曦（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑借著優(yōu)異的抗震性能逐步被工程設(shè)計人員所重視，在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛［1～3］。對于受力柱而言，因抗震設(shè)防調(diào)整和抗震設(shè)計變更等原因需要對現(xiàn)有柱進(jìn)行額外的加固補強，使其具備足夠的抗震能力。而《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS25：90）、《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CECS77：96）及《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ116－2009）雖然基于不同的結(jié)構(gòu)和材料提出了相應(yīng)的加固補強方法，但均未涉及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。因此，研究方鋼管混凝土柱的抗震加固對于提高該類構(gòu)件的抗震能力具有現(xiàn)實意義。

目前對于鋼管混凝土的抗震加固研究不多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加固多借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［2］。王偉等［4］、侯東序等［5］、楊劍［6］、王家磊［7］、王蘇巖等［8］、劉香等［9］對碳纖維布加固鋼筋混凝土柱進(jìn)行了廣泛的理論分析和試驗研究。劉義等［10］、郭俊平等［11］、王海東等［12］、劉立鵬等［13］將鋼材用于鋼筋混凝土柱的加固中，并取得了良好的加固效果。盧亦焱等［14］、周明杰［15］進(jìn)行了鋼板與碳纖維布復(fù)合加固柱的研究。近年來，隨著新材料和新工藝的層出不窮，越來越多的學(xué)者致力于將新的方法用于加固中。郭子雄等［16］發(fā)明了一種新型外包預(yù)應(yīng)力緊固鋼套，楊勇等［17］首次將包裝中的打包帶用于鋼筋混凝土柱抗震加固中。但關(guān)于方鋼管混凝土柱的抗震加固尚屬于空白，采用哪種方法加固能取得較好的加固效果，也未有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。

因此，筆者擬采用外包鋼套法和碳纖維布這2種方法加固方鋼管混凝土柱（碳纖維布因其出色的受力性能，已被應(yīng)用于工程加固領(lǐng)域；外包鋼套法則是對傳統(tǒng)外包鋼法進(jìn)行改良），通過對比加固柱的極限承載力、極限位移和耗能能力，分析這2種方法的加固效果和加固機(jī)理，檢驗基于外包鋼套和碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的可行性，以便為方鋼管混凝土柱抗震加固設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗按照1∶2的縮尺比例設(shè)計并制作了3根方鋼管混凝土柱試件模型。3根試件模型的幾何尺寸完全相同，柱的有效高度為1120mm，柱截面尺寸為200mm×200mm×4mm。按照“強剪弱彎”原則設(shè)計，柱腳采用外露式剛接構(gòu)造，柱腳底板設(shè)置加勁肋板模型構(gòu)造示意圖見圖1。設(shè)計試驗軸壓比n為0.4，柱頂施加豎向軸力500kN，柱截面含鋼率ρa為8.5%，鋼管選用Q235B鋼材，屈服強度為362.8MPa，抗拉強度為422.3MPa。

1.2 加固設(shè)計

一共有3根試件，模型試件編號為Z－1、Z－2和Z－3。試件Z－1為對比試件，直接進(jìn)行破壞加載試驗，表1列出了試件柱加固參數(shù)。

試件Z－2采用CJ200－Ⅱ碳纖維布，其計算厚度為0.111mm，其物理力學(xué)性能如表2所示。加固設(shè)計參照CECS146：2003《碳纖維布片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，在柱加勁肋板頂端向上560mm的范圍內(nèi)環(huán)箍3層碳纖維布，加固示意見圖2。

試件Z－3采用外包鋼套加固，鋼套選用與鋼管等材質(zhì)等厚鋼材制作而成，根據(jù)被加固柱加勁肋板位置，制作出可以扣合的2個U型鋼套，再將2個鋼套用連接板焊接形成一個封閉環(huán)套，最后將鋼套的上下邊緣與柱焊接成一個整體，加固示意見圖3。

圖1 試件構(gòu)造示意圖（單位：mm）

表1 試件柱加固參數(shù)

表2 碳纖維布性能指標(biāo)

圖2 碳纖維布加固示意圖（單位：mm）

圖3 外包鋼套加固示意圖（單位：mm）

1.3 加載裝置及加載制度

在柱頂施加恒定軸壓力500kN，軸壓比為0.4，通過液壓伺服作動器提供水平低周反復(fù)荷載來模擬地震作用。試驗時，試件通過8?24高強螺栓固定在底座上，底座通過地錨螺栓與剛性地面相連。加載裝置見圖4。規(guī)定加載端那側(cè)為試件的后側(cè)，其相對一側(cè)即為前側(cè)，加載端的左右兩側(cè)分別為試件的左右側(cè)。采用位移控制加載，直到荷載下降至極限荷載的85%，停止加載。

2 試驗現(xiàn)象描述及破壞形態(tài)

先施加軸壓力并保持，檢查各儀器均正常后進(jìn)行水平加載。為便于描述，規(guī)定作動器向前推為負(fù)，向后拉為正。

2.1 試件Z－1

試件Z－1直接進(jìn)行破壞加載試驗。試件在水平荷載達(dá)到屈服荷載以前，沒有明顯的試驗現(xiàn)象。試件屈服之后，柱根部前后側(cè)開始出現(xiàn)區(qū)部微凸。隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，前后側(cè)屈曲持續(xù)加大，并漸向環(huán)向發(fā)展。隨著柱頂位移的進(jìn)一步加大，前后側(cè)鼓曲的范圍進(jìn)一步加大并與左右側(cè)相連，形成了一個完整的呈燈籠形狀的外突環(huán)，最后因承載力下降至極限承載力85%以后終止試驗。

圖4 加載裝置

2.2 試件Z－2

試件Z－2經(jīng)過碳纖維布加固后再加載至破壞。試件屈服前碳纖維布無明顯現(xiàn)象，且未聽到任何異常聲響。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，試件前后側(cè)交替出現(xiàn)輕微鼓曲，結(jié)構(gòu)膠發(fā)出零星脆裂聲。繼續(xù)加載，試件前后側(cè)鼓曲進(jìn)一步極大，脆裂聲變得密集且持續(xù)，試件前側(cè)與左右側(cè)轉(zhuǎn)角處碳纖維布出現(xiàn)豎向裂縫。隨著加載持續(xù)進(jìn)行，裂縫逐漸向兩側(cè)延伸，但碳纖維布并未完全拉斷。試件承載力下降至極限承載力的85%以下，且位移角過大造成軸力無法保持，終止試驗。

2.3 試件Z－3

試件Z－3經(jīng)外包鋼套加固后再加載至破壞。首先在試件前后側(cè)交替出現(xiàn)微小鼓曲，出現(xiàn)鼓曲時對應(yīng)的位移滯后于試件Z－1。繼續(xù)加載，試件前后側(cè)鼓曲逐漸變大，且伴隨著前后側(cè)鋼套漆皮起皺。隨著加載位移和荷載加大，試件前后側(cè)鼓曲擴(kuò)展至試件左右側(cè)，但左右側(cè)鼓曲較為輕微。少許漆皮產(chǎn)生脫落，聽到較為明顯的混凝土碎裂聲；承載能力下降，試件破壞。

各試件的破壞特征見圖5。對比可知，加固試件Z－2、Z－3的破壞形態(tài)和試件Z－1相同，均表現(xiàn)為同一位置形成塑性鉸的壓彎破壞，塑性鉸沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，說明這2種加固方式具有其可行性和合理性。

圖5 各試件破壞形態(tài)

3 主要試驗結(jié)果及其分析

3.1 滯回曲線

圖6為試件柱頂荷載－位移滯回曲線。從圖6可知：①各試件具有一些相同的滯回特征。加載初期，試件處于彈性工作階段，鋼管和混凝土能很好協(xié)同變形，荷載和位移基本呈線性關(guān)系，剛度退化不明顯；繼續(xù)加載，滯回環(huán)逐漸倒向位移軸，卸載后存在殘余變形，荷載和位移不再呈線性關(guān)系，剛度有所下降，試件進(jìn)入彈塑性階段，但滯回環(huán)包圍的面積逐漸變大；試件達(dá)到極限荷載后，同級位移下后次循環(huán)荷載值要低于前次循環(huán)，說明各試件都存在承載力和剛度退化現(xiàn)象。伴隨著試件塑性鉸鼓曲加重，各試件滯回環(huán)包圍面積減小，耗能能力下降。②與未加固試件Z－1相比，試件Z－2、Z－3滯回曲線均更為飽滿，表明這2種方法加固后試件具有更好的變形能力和耗能能力，碳纖維布加固對提高試件水平承載力不明顯，外包鋼套加固可以顯著提高試件水平承載力。

圖6 試件滯回曲線

3.2 骨架曲線

試件的骨架曲線見圖7。由圖7可知：①試件Z－2和試件Z－1初始剛度相差不大，而試件Z－3比試件Z－1初始剛度有顯著提升，說明碳纖維布加固不能增加試件的初始剛度，而外包鋼套加固可以顯著提高試件的初始剛度。②加固試件Z－2、Z－3達(dá)到極限荷載后，其骨架曲線下降段相對試件Z－1更加平緩，說明承載力和剛度退化較試件Z－1要慢，這有利于試件更好地持續(xù)承受荷載，對于經(jīng)受地震作用時抗倒塌是十分有利的，加固試件的延性和耗能能力得到了明顯改善。

圖7 各試件骨架曲線

3.3 延性和耗能

1）延性 位移的延性系數(shù)μ采用式（1）計算：

式中，Δu為破壞位移，即荷載下降至0.85Pmax時所對應(yīng)的位移，mm；Δy為屈服時所對應(yīng)的位移，mm［18］。

表3 試件承載力、位移和位移延性系數(shù)

從表3可知：①試件Z－2、Z－3的位移延性系數(shù)分別為5.04、4.64，而對比試件Z－1位移延性系數(shù)為3.97，說明這2種加固方法均能不同程度改善試件的延性，且碳纖維布改善延性的效果要優(yōu)于外包鋼套加固法。②試件Z－2、Z－3極限荷載較試件Z－1均有不同程度提高，最大提高率分別為25.81%、9.49%，說明碳纖維布和外包鋼套加固均能提高試件極限荷載。就提高程度而言，外包鋼套加固效果較為顯著。③試件Z－2、Z－3的極限位移為44.79mm和33.59mm，而對比試件Z－1的極限位移為33.56mm，表明碳纖維布加固提高了極限位移，而外包鋼套加固不能提高試件的極限位移。

2）耗能 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力可以看作延性的能量表達(dá)方式。滯回環(huán)的飽滿程度體現(xiàn)了構(gòu)件耗散地震能量輸入的能力，滯回環(huán)的面積表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力。采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來衡量試件的耗能能力［18］。

各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)he在0.32～0.49范圍內(nèi)，而鋼筋混凝土試件和型鋼混凝土試件的等效粘滯阻尼系數(shù)分別在0.1和0.3左右，說明各試件的耗能能力強，耗能指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求。試件Z－2、Z－3的等效粘滯阻尼系數(shù)he較試件Z－1提高了43.75%、53.13%，表明2種加固方法均能顯著增強試件的耗能能力，有利于方鋼管混凝土柱的抗震，且外包鋼套法增強耗能能力的效果要優(yōu)于碳纖維布加固法。

表4 等效粘滯阻尼系數(shù)

3.4 承載力退化和剛度退化

1）承載力退化 承載力退化反映結(jié)構(gòu)的累計損傷，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，筆者對承載力退化采用各級加載控制位移下第3次循環(huán)的最大水平荷載與第1次循環(huán)的最大水平荷載之比來表示，退化曲線如圖8所示。

從圖8可知：隨著加載位移的持續(xù)增加，各試件均表現(xiàn)出不同程度的承載力退化現(xiàn)象，這主要是由于試件在持續(xù)加載過程中損傷累計所致。其中，試件Z－1承載力下降速度最快，而試件Z－2、Z－3承載力下降速度要慢于試件Z－1，表明這2種加固方法均能起到延緩試件承載力衰減的效果。需要指出的是，試件Z－1的承載力退化曲線表現(xiàn)出了起伏現(xiàn)象，這主要是因為碳纖維布加固屬于被動約束，只有當(dāng)位移較大時，碳纖維才能充分發(fā)揮受拉作用。而位移達(dá)到44.8mm后，試件Z－2的承載力退化速度要快于試件Z－3，這是由于碳纖維布在加載過程中因受力較大而產(chǎn)生裂縫，約束作用下降所致，也與試驗現(xiàn)象相吻合。

2）剛度退化 剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來表征，Ki按照同一級位移加載第一次循環(huán)的峰值荷載進(jìn)行計算，由于試件在彈性階段的剛度幾乎不退化，故筆者選取彈塑性階段之后的剛度作為研究對象，剛度退化曲線如圖9所示。

圖8 承載力退化曲線

圖9 剛度退化曲線

由圖9可知：①各試件的剛度在加載過程中都出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，而試件Z－3的初始剛度較試件Z－1顯著提高，但試件Z－2的初始剛度較試件Z－1提供不明顯，這說明外包鋼套加固可以顯著提高試件初始剛度而碳纖維布加固對試件初始剛度影響不大。②加固試件Z－2、Z－3加載全過程試件剛度均明顯大于試件Z－1，且它們的退化速率要慢于試件Z－1，說明這2種加固方法都能起到延緩試件剛度衰減的作用。CECS159：2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：“多、高層巨型鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)或主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)的多、高層矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋，在地震作用下的層間相對位移與層高之比值不宜大于下列數(shù)值：在多遇地震下，1／300；在罕遇地震作用下，1／50?！惫P者所使用的2種方法加固后位移角均滿足規(guī)范規(guī)定，且碳纖維布加固能提高試件的抗倒塌能力，有利于試件在地震到來時持續(xù)承載，從而提高了試件的延性性能。

3.5 加固效果對比

通過比較試件Z－1、Z－2和Z－3的破壞過程和相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)外包鋼套法加固效果更優(yōu)。原因如下：①碳纖維布雖然具有較好的抗拉強度，但加載后期還是會被拉斷，從而喪失了約束作用。而鋼套既具有抗拉強度又具有抗壓強度，延性性能要明顯優(yōu)于碳纖維布。②碳纖維布實際計算厚度較小，單位加固面積上，碳纖維布用量要遠(yuǎn)小于鋼材使用量。

3.6 加固機(jī)理分析

試件Z－2的破壞形態(tài)是典型的壓彎破壞，滿足“強剪弱彎”原則，同時碳纖維布有斷裂現(xiàn)象。碳纖維布屬于被動約束，加載初期時可不考慮膠體的黏結(jié)作用，柱處于單向受力狀態(tài)。當(dāng)柱的根部出現(xiàn)鼓曲，碳纖維布才參加工作，開始發(fā)揮約束作用。約束能力隨著柱鼓曲程度的增大而上升，直到加載后期鼓曲程度過大，超過了碳纖維布的抗拉強度，造成碳纖維布被拉斷。整個加載過程中，碳纖維布充分發(fā)揮了其抗拉作用。試驗結(jié)束后，很難剝離碳纖維布，說明結(jié)構(gòu)膠工作性能良好，保證了碳纖維布的加固效果。

試件Z－3破壞形態(tài)與試件Z－2相同。加固過程中通過施焊使得鋼套與被加固柱成為一個整體，通過對比同一位移加載下的相同位置鋼材應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變差小，說明外包鋼套參與工作時間較早。外包鋼套加固顯著增加了試件的初始剛度，加固部分對鋼管內(nèi)部核心混凝土具有更好的約束作用，不會由于核心混凝土碎裂而產(chǎn)生柱的側(cè)向剛度的突變。故減緩了試件塑性鉸發(fā)展的速率，利于試件持續(xù)承載，因此增加了試件的耗能能力。

4 結(jié)論

通過采用碳纖維布和外包鋼套加固柱的低周反復(fù)加載破壞試驗，并分析試驗相關(guān)參數(shù)，可以得出如下結(jié)論：

1）碳纖維布加固對試件承載力影響不大，最大提高率達(dá)9.49%，對試件的極限位移提高顯著，提高率達(dá)32%。加固后試件具有良好的彈塑性變形能力，其綜合抗震性能良好，滿足工程抗震設(shè)計需要。

2）外包鋼套加固試件對顯著提高了試件的水平承載力和初始剛度，承載力最大提高率達(dá)25.81%，耗能能力也有很大程度提升，說明該加固方法對于提高抗震性能有效。

3）就提高試件的抗震性能而言，外包鋼套法抗震加固效果要優(yōu)于碳纖維布加固。

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