，，

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

目前，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系已在各種工程中被廣泛使用，但是對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的研究還不夠完善，設(shè)計(jì)時(shí)主要以異形柱的受力特征為依據(jù)，如此設(shè)計(jì)的短肢剪力墻連梁結(jié)構(gòu)可能存在抗震性能不足的隱患，因此研究如何對(duì)短肢剪力墻連梁進(jìn)行加固是非常有必要的。已有加固方法有很多，目前國(guó)內(nèi)對(duì)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fibre-reinforced polymer，CFRP）加固方法的研究和運(yùn)用比較廣泛和深入[1-11]，如王步等[1]采用CFRP 布加固框架梁柱外節(jié)點(diǎn)，研究結(jié)果表明采用適量CFRP條帶黏貼在核心區(qū)側(cè)面可以提高試件的抗剪性能。董江峰等[2]研究了采用CFRP 加固再生混凝土梁的受彎性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加固后提高了試件的剛度和極限承載力。金瀏等[3]從細(xì)觀角度對(duì)采用CFRP 加固無(wú)腹筋混凝土梁剪切強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明CFRP 加固小尺寸構(gòu)件的加固效果更好。

本文采用CFRP網(wǎng)高性能復(fù)合砂漿加固方法，該方法加固操作簡(jiǎn)便，并且加固效果顯著。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)采用CFRP網(wǎng)復(fù)合砂漿用于連梁抗剪加固的研究比較少，因此采用CFRP網(wǎng)高性能復(fù)合砂漿對(duì)連梁進(jìn)行抗剪加固具有一定的研究意義與價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

本試驗(yàn)選取高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系邊節(jié)點(diǎn)的墻梁反彎點(diǎn)單元作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。并制作了兩個(gè)縮尺比例為1:3的短肢剪力墻試件，制作時(shí)在試件的上端和下端設(shè)置了加載板和墊塊，方便做試驗(yàn)時(shí)對(duì)試件固定和施加軸力。試件編號(hào)分別為DZ1和DZ2，與之相對(duì)應(yīng)的加固后的試件編號(hào)分別為JGDZ1和JGDZ2。試件澆筑采用的混凝土等級(jí)為C30。試件的具體尺寸如圖1所示，所用鋼筋情況如表1所示。

圖1 試件尺寸圖Fig.1 Size of specimens

1.2 加固方案與步驟

具體的加固細(xì)節(jié)與效果如圖2所示。

圖2 加固詳細(xì)圖Fig.2 Reinforcement pictures

在高層剪力墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，墻梁節(jié)點(diǎn)部位通常具有樓板，因此CFRP網(wǎng)不能全部包裹圍包連梁，所以本試驗(yàn)加固方法中，采用U型CFRP網(wǎng)包裹連梁，在靠近樓板的腹板部位開(kāi)槽用于嵌入鋼板以固定CFRP網(wǎng)。試件DZ1 用一層CFRP網(wǎng)加固，試件DZ2 使用兩層CFRP網(wǎng)加固，并且搭配高性能復(fù)合砂漿與界面劑[12-13]對(duì)連梁進(jìn)行加固。

具體施工步驟如下：

1）開(kāi)槽、鑿毛。根據(jù)加固方案，梁端處開(kāi)鑿出一個(gè)長(zhǎng)度為1.5 倍梁高的凹槽，凹槽的上邊緣距離梁頂部為樓板的厚度。然后將需加固部位進(jìn)行鑿毛處理并且將梁底部棱角處進(jìn)行倒角，可有效防止CFRP網(wǎng)因棱角處的應(yīng)力集中而出現(xiàn)破壞。最后，將需要加固部位表面的裂縫開(kāi)鑿成V型口以利于灌漿，并根據(jù)鋼板上的孔的位置，用鉆孔機(jī)在凹槽處進(jìn)行鉆孔。

2）沖洗與修復(fù)。用清水沖洗需要加固部位，同時(shí)把試件上的混凝土碎塊等清除掉，便于后續(xù)將界面劑涂抹到裂縫中，見(jiàn)圖2a。

3）布置CFRP網(wǎng)。根據(jù)加固方案，用鋼板將網(wǎng)格端緊壓在凹槽內(nèi)，并且將網(wǎng)格適度拉緊使其緊貼混凝土表面，最后用螺絲將鋼板固定，見(jiàn)圖2b。固定好后，在加固的部位涂抹界面劑，見(jiàn)圖2c。

4）涂抹砂漿。涂抹砂漿分3 步進(jìn)行：①將需要加固部位的鑿毛面用砂漿壓緊填實(shí)，②涂抹時(shí)，邊涂抹邊用工具搗實(shí)直至砂漿將CFRP網(wǎng)覆蓋；③涂抹至設(shè)計(jì)厚度，約20～25 mm，并將表面抹平。如圖2d。

5）澆水養(yǎng)護(hù)。在加固層表面適當(dāng)灑水，自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d。試件養(yǎng)護(hù)好后刷白，見(jiàn)圖2e。

1.3 試件加載

試驗(yàn)的加載裝置簡(jiǎn)圖和現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置和現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Loading device and test site drawing

試驗(yàn)所需設(shè)備有多通道多點(diǎn)伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)、作動(dòng)器、機(jī)械千斤頂?shù)?。軸壓比設(shè)置為0.3，通過(guò)力學(xué)關(guān)系得出需施加的軸壓力為1 520 kN，在軸壓比施加完成后對(duì)梁進(jìn)行位移循環(huán)加載，初始位移幅值為1 mm，之后每個(gè)循環(huán)在前一循環(huán)的基礎(chǔ)上增加1 mm的位移循環(huán)加載，在試件梁端箍筋屈服后，每個(gè)循環(huán)在前一循環(huán)的基礎(chǔ)上增加2 mm的位移循環(huán)加載。整個(gè)加載過(guò)程每級(jí)均循環(huán)兩次。采用東華3818 靜態(tài)應(yīng)變儀對(duì)試件的應(yīng)變值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，觀察試件的裂紋發(fā)展情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，同時(shí)觀察電腦中施加荷載值，當(dāng)觀察到荷載達(dá)到峰值荷載后，繼續(xù)加載直到觀察到的荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過(guò)程與破壞形態(tài)

圖4是各試件的最終破壞圖。

圖4 試件最終破壞圖Fig.4 Final failure pictures of specimens

對(duì)比試件DZ1的整體破壞過(guò)程同對(duì)比試件DZ2相一致。在加載前期，由于梁端的配箍率不足，梁的側(cè)面出現(xiàn)形如X的交叉裂縫。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂縫加寬加長(zhǎng)并且向梁根部擴(kuò)展，形成兩條交叉型裂紋，并且在裂紋發(fā)展區(qū)有少量混凝土被壓碎，屬于典型的剪切破壞模式。加固試件JGDZ1和JGDZ2 在梁端也出現(xiàn)了交叉裂縫，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)加載，兩者的交叉裂縫不再擴(kuò)展，而梁的根部以及梁與腹板的連接處處出現(xiàn)了新的裂縫，JGDZ1的最終破壞形態(tài)是梁根部的開(kāi)裂變形嚴(yán)重，并且部分混凝土脫落，梁側(cè)面有交叉狀的細(xì)小裂縫，沒(méi)有混凝土被壓碎，梁與腹板連接處有比較多的細(xì)微裂縫，靠近梁根部的CFRP網(wǎng)局部斷裂，是典型的彎剪破壞，破壞具有一定的脆性。JGDZ2的最終破壞形態(tài)是梁根部開(kāi)裂變形嚴(yán)重，部分混凝土脫落，梁與腹板交接區(qū)域有許多細(xì)小的裂縫，裂縫延伸到了剪力墻里面，試件的失效是由于梁內(nèi)局部混凝土率先被壓碎破壞，進(jìn)而導(dǎo)致其承載能力迅速下降，是典型的彎曲破壞模式。

2.2 加固工作機(jī)理

U型圍包連梁CFRP網(wǎng)中，與連梁軸線垂直的CFRP網(wǎng)線協(xié)同原梁箍筋承擔(dān)了地震剪力。與連梁軸線平行的CFRP網(wǎng)線起到了很好的“成網(wǎng)”或“分布筋”作用，使各抗剪網(wǎng)線受力更均勻。在梁腹板上端嵌入的鋼板和擰入的螺栓能牢固固定抗剪CFRP網(wǎng)，復(fù)合砂漿協(xié)同混凝土抗剪，發(fā)揮了很好的抗壓剪、黏結(jié)、保護(hù)層、找坡和對(duì)混凝土裂縫的填充修補(bǔ)作用。界面劑優(yōu)良的黏結(jié)性能和活性從微觀上阻止了加固層的剝離，也對(duì)混凝土裂縫起到了很好的填實(shí)修復(fù)作用。加固前原試件箍筋嚴(yán)重不足，連梁出現(xiàn)交叉斜裂縫，發(fā)生剪切破壞。加固前試件破壞集中在梁的根部，加固后的試件破壞區(qū)域向剪力墻里轉(zhuǎn)移，加固后連梁根部的應(yīng)力集中擴(kuò)散到剪力墻里，剪力墻起到了分擔(dān)作用，進(jìn)而提高了梁的承載力和延性。

2.3 試件滯回特性

本試驗(yàn)試件加固前后的滯回曲線如圖5所示。

圖5 試件加固前后的滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens before and after reinforcement

比較DZ1和JGDZ1的滯回曲線，加載初期兩者基本相同，隨著加載的進(jìn)行，JGDZ1的滯回環(huán)更飽滿(mǎn)，且達(dá)到峰值荷載后荷載下降速度較緩，試件破壞時(shí)的變形程度更大，可見(jiàn)加固后試件的耗能能力和延性均明顯提高。將試件DZ2與試件JGDZ2的滯回曲線進(jìn)行比較可知，試件JGDZ2的滯回環(huán)更加飽滿(mǎn)，剛度和延性也較試件DZ2 有所提高。由圖5可看出，試件JGDZ2的峰值荷載比試件JGDZ1的高，通過(guò)對(duì)比JGDZ1和JGDZ2的飽滿(mǎn)度和面積大小，可知JGDZ2具有更高的耗能能力。同時(shí)，JGDZ2的剛度退化速度比試件JGDZ1 小，且水平段更長(zhǎng)，表明其延性性能更佳。由此可知兩層加固抗震效果更好。

2.4 骨架曲線

圖6為“T”型短肢剪力墻加固前后的骨架曲線。

圖6 試件加固前后的骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of specimens before and after reinforcement

由圖6可知，試件加固后初始剛度都得到了提高，且試件JGDZ2的剛度略大于JGDZ1的，這說(shuō)明試件加固后剛度有所提高，且采用兩層CFRP網(wǎng)加固的方法提高試件剛度的程度比一層加固的更大。JGDZ1的承載力相對(duì)于DZ1的承載力略有增加，而JGDZ2的承載力相對(duì)于DZ2的承載力明顯增加，JGDZ1 承載力位于加固前試件與JGDZ2 之間。在加載試驗(yàn)后期，JGDZ2 骨架曲線的斜率高于JGDZ1的，且水平段更長(zhǎng)，這說(shuō)明兩層CFRP網(wǎng)加固對(duì)減緩試件后期的剛度退化和提高試件的延性更有效。

2.5 承載力及延性分析

各加固前后試件的荷載特征值、位移特征值和延性系數(shù)如表2所示。

表2 各試件骨架特征點(diǎn)及延性計(jì)算結(jié)果Table2 Characteristis and ductility calculation results of the test specimens

由表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于各試件的峰值承載力，JGDZ2 最高，JGDZ1次之，原試件DZ1和DZ2的峰值承載力最低，并且非常接近。試件JGDZ2和JGDZ1的峰值承載力比原試件的分別提高了58.1%和27.9%，試件JGDZ2的峰值承載力比試件JGDZ1的高23.6%。對(duì)比各試件的延性系數(shù)發(fā)現(xiàn)，試件JGDZ2和JGDZ1的延性系數(shù)比原試件的延性系數(shù)分別提高了44.3%,25.9%，試件JGDZ2的延性系數(shù)比試件JGDZ1的高14.6%。相比于原試件，加固試件在CFRP網(wǎng)加固層的包裹下，在加載中后期CFRP網(wǎng)筋協(xié)同箍筋一起受力，極大地改善了試件的承載能力和延性性能，而兩層CFRP網(wǎng)加固效果更顯著。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

本文對(duì)短肢剪力墻采用分離式建模模型，在建模過(guò)程中對(duì)剪力墻上下兩端、梁端剛體選用solide45單元，混凝土和復(fù)合砂漿選用solide65單元，二者取用William-Warnker 破壞準(zhǔn)則，張開(kāi)裂縫和閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)都取默認(rèn)值；碳纖維網(wǎng)選用link8單元。

3.2 模型邊界條件

墻梁節(jié)點(diǎn)為短肢剪力墻體系上下反彎點(diǎn)位置，對(duì)剪力墻下端X、Y、Z方向的平動(dòng)進(jìn)行約束，允許其轉(zhuǎn)動(dòng)，形成類(lèi)似于球鉸的作用是對(duì)剪力墻上端X、Y方向平動(dòng)進(jìn)行約束，允許其轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7所示。

圖7 模型邊界條件Fig.7 Model boundary conditions

3.3 模擬結(jié)果滯回曲線分析

為研究本文提出的加固方法對(duì)滯回性能的改善效果，通過(guò)有限元計(jì)算，得到如圖8所示的滯回曲線。從圖中可以看出，兩個(gè)加固試件的初始剛度和極限承載力均大于未加固試件的，并且滯回環(huán)面積也大于未加固試件的。對(duì)比試件JGDZ2與試件JGDZ1的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)，試件JGDZ2的耗能能力和承載能力都高于試件JGDZ1的，說(shuō)明采用兩層加固的加固效果更好，這與試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

圖8 有限元計(jì)算的試件滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves of specimens culculated by finite element method

3.4 模擬結(jié)果骨架曲線分析

模擬結(jié)果的骨架曲線如圖9所示。從圖中可以看出，JGDZ2的極限承載力高于JGDZ1，而JGDZ1的極限承載力高于未加固試件的。并且通過(guò)對(duì)比3條曲線的水平段可知，未加固試件最短，兩層加固試件最長(zhǎng)，一次加固試件居中，說(shuō)明加固可以改善試件的延性性能，且兩層加固對(duì)試件的延性性能提高程度更大，這與試驗(yàn)得出的結(jié)論是一致的。

圖9 試件的骨架曲線Fig.9 Skeleton curves of specimens

4 加固理論計(jì)算

4.1 加固梁斜截面承載力計(jì)算

在水平地震作用下，試件受力如圖10所示，其中N為軸力，F(xiàn)為施加的豎向荷載，Vc為對(duì)試件施加荷載時(shí)剪力墻受到的水平方向的力，其他字母代表試件各部分的尺寸。

由試驗(yàn)可知，原試件梁端因配箍筋不足引起斜截面抗剪性能不足，發(fā)生了剪切破壞，是一種脆性的破壞。本試驗(yàn)的加固方案是在斜裂縫水平段采用CFRP網(wǎng)增強(qiáng)的高性能復(fù)合砂漿加固已有損傷試件，該試驗(yàn)所用CFRP網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm、單絲直徑為1.2 mm，計(jì)算時(shí)依據(jù)“等面積”原則對(duì)CFRP網(wǎng)筋進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將多根CFRP網(wǎng)絲按橫截面相等的原則等效為一根CFRP網(wǎng)絲參與梁端抗剪。最終得到加固梁斜截面承載力為

式中：Vcs為混凝土與箍筋對(duì)斜截面承載力的貢獻(xiàn)值；為CFRP網(wǎng)單筋屈服強(qiáng)度；為截面內(nèi)各肢網(wǎng)筋總面積值，即，其中，n為截面內(nèi)網(wǎng)筋筋肢數(shù)，為CFRP網(wǎng)單筋面積；s′為延梁縱筋方向等效碳纖維網(wǎng)筋間距；h0為梁截面有效高度。

圖10 水平地震下的試件受力簡(jiǎn)圖Fig.10 Stress diagram of test piece under horizontal earthquake

4.2 試驗(yàn)值及理論值的比較

梁端斜截面承載力的理論值和試驗(yàn)值結(jié)果對(duì)比如表3所示。從表3中可知：通過(guò)公式計(jì)算出的未加固試件的承載力和試驗(yàn)得出的結(jié)果較為一致，試件JGDZ1和JGDZ2的理論計(jì)算值要小于試驗(yàn)值，分析原因可知，在計(jì)算時(shí)未考慮高性能復(fù)合砂漿和鋼板等對(duì)增強(qiáng)試件抗剪能力的貢獻(xiàn)，但總的說(shuō)來(lái)，試驗(yàn)值和理論值的誤差在合理的范圍之內(nèi)。

表3 梁端斜截面承載力結(jié)果Table3 Bearing capacity of inclined section at beam end

5 結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)研究可知，本文采用CFRP網(wǎng)和高性能復(fù)合砂漿相結(jié)合的加固方法是一種可靠而有效的加固方法。同時(shí)，采用兩層CFRP網(wǎng)加固的整體抗震效果要好于一層加固的。

2）采用機(jī)械錨固U型CFRP網(wǎng)加固連梁的方法，可以避免在實(shí)際工程加固過(guò)程中對(duì)連梁和樓板的進(jìn)一步破壞，而且鋼板可以有效防止CFRP網(wǎng)發(fā)生剝離破壞，對(duì)實(shí)際工程有借鑒意義。

3）本文提出的加固方法不但加固效果比較顯著，而且加固過(guò)程和工序簡(jiǎn)單，容易操作，在實(shí)際工程實(shí)際中有明顯的優(yōu)勢(shì)。