李 培

(上海建橋?qū)W院商學(xué)院, 上海 201306)

我國(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，然而，由于目前對(duì)于地震預(yù)測(cè)的研究尚不成熟，地震的活動(dòng)難以得到有效預(yù)報(bào)，因此結(jié)構(gòu)抗震性能研究成為了工程抗震減災(zāi)領(lǐng)域的重要研究方向[1-3]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、材料成本低等特殊優(yōu)勢(shì)，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中得到了廣泛的應(yīng)用。曹玉貴等[4]構(gòu)建了FRP包裹預(yù)損傷混凝土柱的應(yīng)變模型，提出該模型能夠準(zhǔn)確描述FRP束縛下?lián)p傷混凝土的環(huán)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系。鄭植等[5]依托于某雙塔三跨斜拉橋工程，基于材料性能試驗(yàn)及縮尺模型結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證了加固后的連接結(jié)構(gòu)可靠性高，能夠保證防撞套箱防護(hù)性能的充分發(fā)揮。

但隨著對(duì)FRP材料研究的逐漸推進(jìn)與不斷創(chuàng)新，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）具有更卓越的工程性能，CFRP材料的應(yīng)用能夠有效延遲混凝土裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，大幅提高混凝土的變形能力[6-9]。陳華等[10]基于試驗(yàn)等對(duì)CFRP材料的失效機(jī)制展開(kāi)了深入研究，發(fā)現(xiàn)在CFRP筋錨固體系界面粘結(jié)應(yīng)力主要是由摩擦力和機(jī)械咬合力兩種因素承擔(dān)。王作虎等[11]室內(nèi)設(shè)計(jì)了3組CFRP加固鋼筋混凝土柱并對(duì)其開(kāi)展了軸心受壓破壞試驗(yàn)，指出CFRP加固鋼筋混凝土柱的強(qiáng)度要高于素混凝土。

綜上所述，CFRP復(fù)合材料能夠大幅加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的工程性能，然而，目前對(duì)CFRP材料在工程結(jié)構(gòu)抗震性能應(yīng)用方面的研究還比較缺乏。本文將基于室內(nèi)不同尺寸的未加固、CFRP加固的鋼筋混凝土的分級(jí)增量加載振動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果結(jié)合理論知識(shí)深入研究CFRP材料對(duì)鋼筋混凝土柱構(gòu)件抗震性能的影響及其工程應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制備

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了有、無(wú)CFRP材料包裹層的鋼筋混凝土柱，此外，為進(jìn)一步探討CFRP在不同工況、不同條件下的應(yīng)用情況，進(jìn)一步考慮了尺寸效應(yīng)對(duì)CFRP材料加固效果的影響。室內(nèi)制作邊長(zhǎng)分別為100mm、200mm和300mm的鋼筋混凝土柱，采用C40級(jí)混凝土，測(cè)得平均抗壓強(qiáng)度為38.97MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[12-13]的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)鋼筋混凝土柱的配筋進(jìn)行計(jì)算，縱筋采用HRB400級(jí)，箍筋采用HRB300級(jí)，得出混凝土柱的配筋如表1所示。試驗(yàn)采用的CFRP材料及養(yǎng)護(hù)制作完成并加固后的鋼筋混凝土柱如圖1所示。

表1 鋼筋混凝土柱基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of reinforced concrete column

圖1 CFRP加固混凝土柱Fig.1 Concrete columns strengthened with CFRP

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)研究對(duì)象為不同尺寸、不同層數(shù)條件下的CFRP復(fù)合材料加固鋼筋混凝土柱。利用MTS150液壓伺服設(shè)備進(jìn)行加載，該設(shè)備最大可實(shí)現(xiàn)1000kN軸向加載；利用大量程應(yīng)變片對(duì)鋼筋混凝土柱的表面橫向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)變片貼合位置為構(gòu)件兩端各4個(gè)、構(gòu)件中部4個(gè)。計(jì)算得出上述不同尺寸的鋼筋混凝土柱的屈服強(qiáng)度Fy，對(duì)混凝土柱進(jìn)行分級(jí)增量振動(dòng)加載，每級(jí)荷載下振蕩次數(shù)為3個(gè)循環(huán)。其中第一級(jí)荷載為0.5Fy，此后每級(jí)增量為0.5Fy，直至達(dá)到峰值并進(jìn)入殘余階段后停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 滯回曲線(xiàn)分析

圖2為鋼筋混凝土柱抗震試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)結(jié)果，反映了材料在反復(fù)受力作用下的變形特征。其中(a)、(c)、(e)為不同尺寸的未加固的鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)結(jié)果，(b)、(d)、(f)為不同尺寸的CFRP加固的鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可以看出，在分級(jí)加載振動(dòng)試驗(yàn)條件下，鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)均具表現(xiàn)出了典型的材料滯回曲線(xiàn)特征，其滯回曲線(xiàn)整體明顯呈“弓”形，在滯回環(huán)中部均出現(xiàn)了明顯的“捏攏”現(xiàn)象，這表明在振動(dòng)荷載作用下，混凝土柱在各節(jié)點(diǎn)區(qū)域均出現(xiàn)縱筋的屈服與滑移?！肮毙螠厍€(xiàn)形態(tài)表明，鋼筋混凝土柱具有較強(qiáng)的塑性變形能力，結(jié)構(gòu)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)性能好，能夠較好地吸收地震荷載產(chǎn)生的能量，因此其抗震性能優(yōu)。

圖2 鋼筋混凝土柱抗震試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)Fig.2 Seismic test hysteresis curve of reinforced concrete column

CFRP加固鋼筋混凝土柱的滯回曲線(xiàn)的滯回環(huán)較未加固構(gòu)件的更加飽滿(mǎn)，這表明CFRP復(fù)合材料加固后的鋼筋混凝土柱在卸載過(guò)程中所釋放的能量更少，其在反復(fù)加載過(guò)程中吸收的能量更多。進(jìn)一步分析曲線(xiàn)可知，不同尺寸的CFRP加固混凝土柱的塑性變形能力均高出未加固混凝土柱，以100mm×100mm×250mm混凝土柱為例，未加固構(gòu)件的最大位移為16.12mm，CFRP加固后構(gòu)件最大位移為24.33mm。塑性變性能力相對(duì)提高了50.93%，變形能力提升效果明顯。此外，隨著鋼筋混凝土柱尺寸的增大，結(jié)構(gòu)的最大位移也逐漸增大，承受的荷載也越大，但由于需要考慮到本身尺寸的原因，因此將在討論章節(jié)結(jié)合各種因素對(duì)材料變形能力及抗震性能尺寸效應(yīng)進(jìn)行深入探討。

2.2 骨架曲線(xiàn)分析

圖3 為各鋼筋混凝土構(gòu)件的骨架曲線(xiàn)。由圖3可知，鋼筋混凝土柱在彈性階段后曲線(xiàn)呈線(xiàn)性，而當(dāng)達(dá)到鋼筋的屈服點(diǎn)以后，構(gòu)件內(nèi)部鋼筋開(kāi)始屈服，但構(gòu)件整體仍然持續(xù)硬化，荷載水平依舊在提高。而隨著荷載的持續(xù)增大，構(gòu)件整體達(dá)到了峰值，構(gòu)件端部的混凝土開(kāi)始破裂、剝落，鋼筋混凝土構(gòu)件整體承載力開(kāi)始下降。不同尺寸的CFRP加固后的鋼筋混凝土柱構(gòu)件的變形能力均要強(qiáng)于未加固鋼筋混凝土柱構(gòu)件，這表明CFRP材料在混凝土柱發(fā)生破壞的過(guò)程中起到了很好的束縛作用，增強(qiáng)了其塑性變形能力，抑制了混凝土柱產(chǎn)生橫向破壞的趨勢(shì)。

圖3 不同尺寸混凝土柱節(jié)點(diǎn)Fig.3 Concrete column joints of different sizes

2.3 剛度退化分析

圖4為不同鋼筋混凝土柱構(gòu)件的剛度退化曲線(xiàn)。在加載初期，鋼筋混凝土柱的剛度迅速下降，而在振動(dòng)荷載的作用下，混凝土產(chǎn)生了很大的橫向變形，混凝土柱表面產(chǎn)生剝落，構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生了一定程度的裂隙且損傷程度不斷提高。隨著損傷程度的提高，構(gòu)件剛度退化速率不斷降低。相同比例條件下，尺寸效應(yīng)對(duì)鋼筋混凝土柱構(gòu)件的初始相對(duì)剛度產(chǎn)生了明顯的影響，隨著混凝土柱尺寸的增大，其初始剛度逐漸降低。此外，加固后的鋼筋混凝土柱的相對(duì)剛度要略高于未加固的鋼筋混凝土柱。

對(duì)相對(duì)剛度與粘性系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析擬合，建立了相對(duì)剛度-粘性系數(shù)擬合關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，振動(dòng)荷載作用下鋼筋混凝土柱的相對(duì)剛度與粘性系數(shù)之間成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即隨著粘性系數(shù)的增大，構(gòu)件的相對(duì)剛度不斷降低但降低速度逐漸變慢。線(xiàn)性回歸系數(shù)R2均高于0.96，二者之間相關(guān)性高，擬合函數(shù)能夠有效表達(dá)相對(duì)剛度與粘性系數(shù)之間的關(guān)系。進(jìn)一步觀(guān)察到，CFRP加固鋼筋混凝土柱的擬合指數(shù)函數(shù)的指數(shù)的絕對(duì)值均小于未加固構(gòu)件，這表明CFRP加固構(gòu)件的剛度衰減更慢。

圖4 不同鋼筋混凝土柱構(gòu)件的剛度退化曲線(xiàn)Fig.4 Stiffness degradation curve of reinforced concrete column

3 討論

大量研究表明，材料的強(qiáng)度隨著高徑比的增大逐漸減小[14-15]，而相同高徑比試樣的抗壓強(qiáng)度隨著試樣尺寸的增大而不斷增大[16]。隨著鋼筋混凝土柱尺寸的不斷增大，其塑性變形能力也持續(xù)增大，但考慮到主體本身尺寸的原因，因此需要進(jìn)行歸一化處理。在歸一化處理過(guò)程中，通過(guò)引入位移角與承載應(yīng)力比參數(shù)分別對(duì)位移與應(yīng)力進(jìn)行表征，其計(jì)算方法為：

式中，θ為位移角，Δl為水平位移（mm），h為混凝土構(gòu)件高度(mm)，P為承載力(MPa)，F(xiàn)c為混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）。

3.1 尺寸效應(yīng)

歸一化后承載應(yīng)力比-位移角曲線(xiàn)如圖5所示，由圖可知，尺寸效應(yīng)造成鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。對(duì)于未加固與CFRP加固的鋼筋混凝土構(gòu)件，大尺寸構(gòu)件的歸一化承載能力均低于小構(gòu)件與中構(gòu)件，以未加固的鋼筋混凝土構(gòu)件為例，小、中、大構(gòu)件最大承載應(yīng)力比分別為0.111、0.109及0.073，大構(gòu)件的承載力相對(duì)小、中構(gòu)件分別下降34.23%、33.03%。由此可見(jiàn)，在高徑比相同條件下，盡管鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力不斷提高，但其歸一化后的承載能力降低。對(duì)于不同尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件，尺寸越大，塑性變形能力越強(qiáng)，其歸一化后用于表征變形能力的位移角最大值也越大。

圖5 鋼筋混凝土構(gòu)件抗應(yīng)力比-位移角關(guān)系Fig.5 Relationship between stress ratio and displacement angle of reinforced concrete members

3.2 CFRP材料加固效果

根據(jù)鋼筋混凝土柱構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)可知，CFRP復(fù)合材料加固的構(gòu)件的滯回環(huán)更加飽滿(mǎn)，其對(duì)地震能量吸收能力更強(qiáng)。由表2可知，CFRP材料加固后的鋼筋混凝土柱的承載能力并未產(chǎn)生加強(qiáng)，不同尺寸下構(gòu)件的屈服荷載與峰值荷載均比較接近；但是，由于加固后的鋼筋混凝土柱表面有CFRP復(fù)合材料的包裹，因此混凝土柱的側(cè)向變形得到了束縛，因此加固后的鋼筋混凝土柱的變形能力產(chǎn)生了明顯的提高，其在屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)及最終破壞點(diǎn)的變形均遠(yuǎn)大于未加固材料。相較于未加固的鋼筋混凝土柱構(gòu)件，不同尺寸的CFRP加固鋼筋混凝土柱的最大位移相對(duì)分別提高33.56%、7.09%、21.78%，延性系數(shù)分別相對(duì)提高20.85%、31.24%、35.35%。

表2 鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 2 Mechanical parameters of reinforced concrete members

考慮到尺寸效應(yīng)，對(duì)最大位移與最大荷載參數(shù)進(jìn)行歸一化，得到歸一化曲線(xiàn)如圖6所示，由圖6可知，不同尺寸的鋼筋混凝土柱的最大應(yīng)力比相近，小構(gòu)件與中構(gòu)件強(qiáng)度接近；加固后的鋼筋混凝土柱變形能力遠(yuǎn)高于未加固鋼筋混凝土柱，提升幅度在36.25%～124.07%之間，且中構(gòu)件與大構(gòu)件的變形能力接近。

圖6 不同鋼筋混凝土柱強(qiáng)度與變形歸一化曲線(xiàn)Fig.6 Normalized curves of strength and deformation of different reinforced concrete columns

4 結(jié)論

為研究CFRP加固的鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)抗震性能，室內(nèi)展開(kāi)了不同尺寸的未加固、CFRP加固的鋼筋混凝土的分級(jí)增量加載振動(dòng)試驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下。

（1）鋼筋混凝土柱具有較強(qiáng)的塑性變形能力，其滯回曲線(xiàn)整體明顯呈“弓”形，能夠較好地吸收地震荷載產(chǎn)生的能量，抗震性能較好。CFRP加固鋼筋混凝土柱構(gòu)件在反復(fù)加載過(guò)程中吸收地震能量的能力更強(qiáng)，其滯回曲線(xiàn)的滯回環(huán)更加飽滿(mǎn)。

（2）振動(dòng)荷載作用下，鋼筋混凝土柱構(gòu)件的相對(duì)剛度隨著粘性系數(shù)的增大而不斷降低但降低速度逐漸變慢，相對(duì)剛度與粘性系數(shù)之間成負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，線(xiàn)性回歸系數(shù)R2均高于0.96，二者之間相關(guān)性高； CFRP加固鋼筋混凝土柱的剛度衰減較慢，變形能力更好。

（3）受CFRP復(fù)合材料的束縛作用，加固后的鋼筋混凝土柱構(gòu)件的變形能力產(chǎn)生明顯的提升，相較于未加固的鋼筋混凝土柱構(gòu)件，不同尺寸的CFRP加固鋼筋混凝土柱的最大位移相對(duì)分別提高33.56%、7.09%、21.78%，延性系數(shù)分別相對(duì)提高20.85%、31.24%、35.35%。

（4）隨著鋼筋混凝土的尺寸增大，其歸一化承載能力逐漸下降，歸一化變形能力逐漸增強(qiáng)。小、中構(gòu)件的歸一化承載能力相對(duì)較接近，大構(gòu)件的承載能力較差；中、大尺寸構(gòu)件的變形能力接近，小構(gòu)件的變形能力較差。