向東 劉中博 李亞坤

（1.中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司，湖北 武漢 430081；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；3.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 紹興 330600）

0 引言

隨著建筑物服役年限的增加，由于人為或自然原因，建筑結(jié)構(gòu)承載力和剛度降低，影響正常使用時(shí)，其安全性與可靠性不能得到保障，因而需對(duì)既有建筑進(jìn)行損傷檢測和加固改造以保證建筑安全。

角鋼加固具有施工快速、無需濕作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代施工中常見的加固方式，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究。許成祥等［1］、許奇琦等［2］對(duì)外包鋼加固震損SRC 框架與連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震加固分析，結(jié)果表明，損傷試件加固后，其峰值荷載、極限位移、抗震性能均得到一定提高。徐銓彪等［3］采用外包鋼加固鋼筋混凝土梁和梁柱連接節(jié)點(diǎn)，利用ABAQUS 對(duì)試件進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)加固后RC框架梁承載力大幅提高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度及延性顯著增強(qiáng)，并對(duì)綴板抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)提出建議。陳慶軍等［4］為研究鋼套管加固柱的抗震性能，對(duì)加固柱進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，并用ABAQUS對(duì)影響試驗(yàn)的相關(guān)因素進(jìn)行參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)加固柱抗震性能顯著提升，鋼套管厚度與軸壓比在特定區(qū)間時(shí)抗震性能提升最大，加固可有效延緩構(gòu)件損傷發(fā)展。高悅［5］提出了一種新型外包鋼加固組合梁，并對(duì)8 個(gè)組合梁試件進(jìn)行單調(diào)靜力集中荷載下的受剪性能分析，結(jié)果表明，外包鋼新型組合梁的承載力、受剪性能明顯提高，并基于規(guī)范疊加法建立了新型組合梁的受剪承載力計(jì)算公式。TARABIA A M 等［6］對(duì)10 根角鋼加固柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，研究影響承載力的加固柱相關(guān)參數(shù)，得出外包鋼加固柱極限承載力計(jì)算公式。林彥等［7］提出了一種新型外包鋼混凝土組合梁連接節(jié)點(diǎn)形式，并設(shè)計(jì)2 組試件以研究其在低周反復(fù)荷載下的抗震性能，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力。LISANTONO A 等［8］研究了外包鋼加固柱綴板間距對(duì)加固性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸壓試驗(yàn)中綴板間距為100 mm 的試件承載力提升幅度最大，偏壓試驗(yàn)中綴板間距為50mm的試件承載力提升幅度最大。PUDJISURYADI P 等［9］對(duì)不同包裹面積的外包角鋼加固柱進(jìn)行水平滯回試驗(yàn)，結(jié)果表明角鋼加固試件延性與包裹面積呈正相關(guān)。

根據(jù)我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防“中震可修”的思想，本文先對(duì)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行地震破壞試驗(yàn)，在達(dá)到中等損傷后進(jìn)行加固處理。本文共設(shè)計(jì)制作2 個(gè)試件，針對(duì)角鋼加固震損RC柱開展擬靜力試驗(yàn)，研究角鋼加固RC 柱的極限承載力、荷載-位移滯回曲線、應(yīng)變分布規(guī)律、延性以及耗能等抗震性能，并對(duì)角鋼加固的作用機(jī)理進(jìn)行分析，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

為研究角鋼加固震損鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)、承載力、延性及耗能性能，共設(shè)計(jì)制作2 個(gè)試件，試件間尺寸相同，設(shè)置上加載端頭和地梁以保證加載試驗(yàn)中試件與加載裝置連接牢固。鋼筋混凝土柱采用C45 商品混凝土，加固鋼構(gòu)件均采用Q235B 級(jí)鋼，鋼筋混凝土柱縱筋和箍筋分別采用HRB400 級(jí)與HPB300 級(jí)鋼筋，角鋼截面尺寸為1000mm×70 mm×7 mm，綴板尺寸為200 mm×40 mm×4 mm，保護(hù)層厚度為20 mm。圖1 為試件配筋，圖2 為角鋼加固示意，各試件具體參數(shù)如表1 所示。

表1 各試件參數(shù)

圖1 試件配筋（單位：mm）

圖2 角鋼加固示意

1.2 材料性能

試件使用C45 商品混凝土，同批次澆筑的混凝土試塊按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）［10］進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度fcu為43.3 MPa。試驗(yàn)中角鋼構(gòu)件選用Q235B 級(jí)鋼，鋼材厚度7 mm。根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2021）［11］進(jìn)行材料性能拉伸試驗(yàn)，具體結(jié)果如表2—表3 所示。

表2 混凝土力學(xué)性能單位：MPa

1.3 驗(yàn)裝置及試驗(yàn)工況

角鋼加固震損RC 柱擬靜力試驗(yàn)裝置如圖3 所示，試驗(yàn)中由液壓千斤頂提供豎向荷載，由MTS 作動(dòng)器提供水平荷載。地梁兩端使用鋼壓梁及地錨螺栓固定，并設(shè)置限位裝置防止構(gòu)件產(chǎn)生位移。

試驗(yàn)開始前，施加2 mm 的循環(huán)位移進(jìn)行預(yù)加載，確保地梁固定、儀器正常工作后，進(jìn)入正式加載階段。首先對(duì)柱頂施加豎向荷載并且保持恒定，試驗(yàn)全程采用位移控制，加載制度如圖4 所示，試件屈服前位移增量以2 mm 為級(jí)差，每級(jí)循環(huán)1 次，直至構(gòu)件屈服。構(gòu)件屈服后，位移增量以0.5△y為級(jí)差，循環(huán)3 次，當(dāng)構(gòu)件承載力下降至峰值荷載的85%以下時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。采用位移計(jì)測量地梁、柱中、柱端的相對(duì)位移，將電阻應(yīng)變片粘貼于鋼筋、混凝土、角鋼表面，以測量縱筋和箍筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變及角鋼應(yīng)變。

圖4 加載制度

1.4 試件預(yù)損

根據(jù)《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分》（GB/T 24335—2009）［12］將震損建筑物損傷程度劃分為5個(gè)階段。本文通過對(duì)普通鋼筋混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)加載以達(dá)到地震損傷的效果。將Z2 試件加載至位移角的1/100 以模擬中度地震損傷，試件預(yù)損表現(xiàn)現(xiàn)象如圖5 所示。試件預(yù)損后，各試件加固和安裝完成后，進(jìn)入正式加載階段，具體如圖6 所示。

圖5 Z2 預(yù)損表觀現(xiàn)象

圖6 各試件正式加載

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)于試件Z1，加載至-5 mm 時(shí)，試件C 面距柱底10 cm 的位置產(chǎn)生1 條約5 cm 的水平裂縫；繼續(xù)加載至8 mm 的過程中，試件底部塑性區(qū)裂縫增多，D 面距柱底10 cm 和20 cm 處出現(xiàn)多條水平貫穿裂縫；加載至13 mm 時(shí)，D 面裂縫變寬，C 面中下部出現(xiàn)多條長微裂縫，且原有裂縫不斷延伸發(fā)展；加載至19 mm（101.35 kN），達(dá)到峰值荷載，試件各面裂縫不斷變寬，延伸發(fā)展貫穿交匯，此時(shí)達(dá)到加載后期；加載至23 mm，柱角部混凝土被壓碎，D 面混凝土出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；加載至30 mm時(shí)，試件中下部混凝土開裂脫落；荷載降至峰值荷載的85%，試驗(yàn)結(jié)束。圖7（a）為Z1 破壞情況。

圖7 試件破壞情況

對(duì)于試件Z2，加載初期無新裂縫產(chǎn)生；加載到-16 mm，鋼板出現(xiàn)被擠壓的“咔咔”聲；加載至19 mm（108.78 kN）達(dá)到峰值荷載，試件表面無明顯變化；當(dāng)循環(huán)第3 圈位移加載至28 mm時(shí)，試件B面底部混凝土出現(xiàn)橫向貫穿裂縫，試件角部混凝土被壓碎；荷載降至峰值荷載的85%，試驗(yàn)結(jié)束。加固鋼構(gòu)件無明顯變形，內(nèi)部混凝土A 面及C 面底部發(fā)現(xiàn)斜裂縫，角鋼包裹處有較多水平裂縫，受壓受拉B面、D 面混凝土脫落嚴(yán)重，破壞程度較Z1 有所減輕。圖7（b）為Z2 破壞情況。

2.2 失效模式分析

通過對(duì)各試件試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，總結(jié)其破壞過程如下：加載初期，Z1、Z2 表面無明顯現(xiàn)象，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，Z1 試件A、C 面出現(xiàn)較多微裂縫。進(jìn)入破壞階段，Z1 表面裂縫不斷延伸，柱底部出現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象；Z2 表面出現(xiàn)少量斜向裂縫，角鋼輕微屈曲，綴板無明顯變化。達(dá)到峰值荷載后，Z1 表面裂縫不斷延伸，縱筋屈服，試件承載力不斷下降；Z2 底部混凝土開裂膨脹，外部角鋼開始代替鋼筋承受主要拉力。根據(jù)破壞現(xiàn)象，最后Z1 表現(xiàn)為彎曲破壞，Z2 表現(xiàn)為彎剪破壞。角鋼加固柱破壞區(qū)集中在柱底，具有較好的延性和耗能能力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載-位移滯回曲線

圖8 為各試件荷載-位移滯回曲線。由圖8 可知，加載前期，試件處于彈性階段，滯回曲線基本為線性變化，滯回環(huán)面積較小，剛度變化較小，耗能較少，試件累積損傷較小。進(jìn)入彈塑性階段后，普通RC柱Z1 承載能力出現(xiàn)一定降低，雖然角鋼加固柱荷載增長速率變緩，但還會(huì)保持一定增長，試件剛度退化明顯，滯回環(huán)面積逐漸增大，耗能逐漸增加，試件損傷不斷積累。試件屈服后，底部混凝土破壞嚴(yán)重，逐漸退出工作，鋼筋進(jìn)入塑性階段，與混凝土間產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，滯回曲線出現(xiàn)“捏縮”。加載后期，由于底部混凝土被破壞及鋼筋屈服，試件承載力開始緩慢下降，試件殘余變形較大，角鋼加固柱表現(xiàn)出較好的延性。

圖8 滯回曲線

3.2 骨架曲線

圖9 為各試件的骨架曲線。由圖9 可知，由于加載試驗(yàn)中試件對(duì)正負(fù)向響應(yīng)不對(duì)稱，導(dǎo)致試件正向承載力略高。加載初期，骨架曲線呈線性發(fā)展，RC柱與角鋼加固柱初始剛度相差不大。進(jìn)入塑性階段后，剛度發(fā)生退化現(xiàn)象，角鋼逐漸發(fā)揮作用，Z2 剛度退化較慢。進(jìn)入破壞階段后，角鋼加固柱表現(xiàn)出較好的延性，承載力下降速度較慢。采用能量法確定各試件的屈服位移。

圖9 骨架曲線

3.3 剛度退化

圖10 為各試件剛度退化曲線。由圖10 可知，在整個(gè)加載過程，角鋼加固試件剛度均大于普通RC柱，且剛度退化曲線較平順，表明角鋼加固后試件抗震性能較好。加載初期，各試件剛度下降速率相差不大；進(jìn)入彈塑性階段后，內(nèi)部混凝土柱產(chǎn)生橫向變形，擠壓外部鋼構(gòu)件，鋼構(gòu)件開始發(fā)揮作用約束混凝土裂縫，并與混凝土柱協(xié)同工作，加強(qiáng)構(gòu)件整體性能。加載后期，縱筋和加固鋼構(gòu)件相繼屈服，試件剛度持續(xù)衰減。角鋼加固試件剛度比普通RC 試件初始剛度提高了14.9%，試件不同階段剛度如表4 所示。

表4 各試件不同階段剛度單位：kN/mm

圖10 剛度退化曲線

3.4 承載力

對(duì)比2 個(gè)試件的承載力和延性，相較于普通鋼筋混凝土柱，角鋼加固柱屈服荷載和峰值荷載分別提高了5.14%、7.32%，位移延性系數(shù)和極限位移分別提高了13.97%、25.00%，角鋼加固后試件延性有所改善，承載能力有一定提高。角鋼加固后，可有效降低內(nèi)部構(gòu)件破壞速度，提高試件的整體抗震性能。

3.5 耗能能力

累積耗能和等效黏滯阻尼系數(shù)he作為判斷其耗能能力的指標(biāo)，he的計(jì)算為：

式中，SOAE+SOCF為結(jié)構(gòu)構(gòu)件一直處于彈性階段時(shí)，結(jié)構(gòu)變形所能吸收的能量；單個(gè)滯回環(huán)面積SABCD為構(gòu)件在1 個(gè)加載循環(huán)內(nèi)所消耗的能量。

圖11 為各試件的等效黏滯阻尼系數(shù)。相較于普通RC 柱Z1，角鋼加固柱Z2 的耗能在峰值荷載時(shí)提高了31.58%，在極限荷載時(shí)提高了48.31%，表明角鋼加固后試件的塑性變形能力得到充分發(fā)揮，角鋼限制混凝土開裂的同時(shí)，也避免了縱筋的屈曲，試件耗能能力得到明顯提高。

圖11 等效黏滯阻尼系數(shù)

3.6 應(yīng)變分析

測量了各試件不同組成構(gòu)件的應(yīng)變，圖12—圖14 為各試件不同組成構(gòu)件的應(yīng)變變化規(guī)律。

圖12 Z1 應(yīng)變

3.6.1 Z1 應(yīng)變

加載初期，試件Z1 鋼筋應(yīng)變呈線性增長，鋼筋主要承受拉應(yīng)力。進(jìn)入彈塑性階段后，拉區(qū)混凝土開裂，產(chǎn)生較大剪切斜向應(yīng)變，箍筋與縱筋限制混凝土橫向變形，混凝土應(yīng)變?cè)鲩L減緩。達(dá)到峰值荷載后，拉區(qū)鋼筋屈服，混凝土裂縫不斷延伸，直至貫穿整個(gè)試件，試件被破壞。試件主要破壞區(qū)集中在柱底部塑性鉸區(qū)域，中上部裂縫較少，如圖12 所示。

3.6.2 Z2 應(yīng)變

加載前期，鋼筋、混凝土、角鋼共同受力，應(yīng)變持續(xù)增大，綴板在屈服荷載受力較小，并未發(fā)揮限制作用。達(dá)到峰值荷載后，底部混凝土裂縫不斷延伸加寬，外包鋼構(gòu)件開始限制混凝土的橫向變形，此時(shí)綴板應(yīng)變與角鋼底部豎向應(yīng)變?cè)鲩L較快，圖13 表明角鋼與混凝土柱開始協(xié)同工作，試件主要破壞區(qū)集中在柱底。鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L速度減緩，角鋼替代鋼筋承受主要拉壓應(yīng)力。角鋼在峰值荷載后發(fā)揮主要作用，提高試件性能，限制混凝土開裂。

圖13 Z2 應(yīng)變

3.6.3 試件應(yīng)變對(duì)比

圖14 為各試件荷載-應(yīng)變曲線。由圖14 可知，加載初期，Z1 與Z2 試驗(yàn)現(xiàn)象較為類似，應(yīng)變呈線性增長，鋼筋承擔(dān)主要拉應(yīng)力，Z2 鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L速率較緩，推測角鋼承擔(dān)了一部分拉壓應(yīng)力。進(jìn)入彈塑性階段后，試件達(dá)到峰值荷載，Z2 內(nèi)部混凝土膨脹變形，產(chǎn)生較大橫向變形，角鋼應(yīng)變急劇增長，發(fā)揮作用限制混凝土裂縫延伸，角鋼與內(nèi)部構(gòu)件形成整體共同受力，有效延緩了試件的破壞程度。

圖14 各試件荷載-應(yīng)變曲線

通過分析各試件的試驗(yàn)結(jié)果可知，角鋼加固試件抗震性能明顯優(yōu)于普通RC試件，具體破壞過程分為以下階段：

1）屈服階段。加載初期，試件處于彈性階段，由鋼筋混凝土柱承擔(dān)主要拉壓荷載，外包鋼構(gòu)件前期受力較小，僅對(duì)混凝土的開裂與延伸有一定的限制作用，綴板前期不受力。

2）彈塑性階段。在達(dá)到峰值荷載前，試件處于彈塑性階段，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水平位移不斷增加，試件內(nèi)部混凝土不斷膨脹變形，試件產(chǎn)生較大的橫向變形，擠壓外包鋼，使得加固構(gòu)件與內(nèi)部鋼筋混凝土柱形成整體，共同承擔(dān)荷載，綴板應(yīng)變?cè)鲩L較大，開始發(fā)揮作用，限制混凝土裂縫的開裂延伸。

3）破壞階段。達(dá)到峰值荷載后，隨著水平位移的不斷增加，鋼筋逐漸屈服，角鋼應(yīng)變急劇增長，開始代替鋼筋承擔(dān)主要應(yīng)力，混凝土裂縫不斷延伸加寬，試件剛度逐漸退化；直至混凝土產(chǎn)生貫穿裂縫，角鋼退出工作，荷載逐步下降至峰值荷載的85%，試驗(yàn)結(jié)束。

4 結(jié)論

1）普通RC 試件Z1 中下部混凝土開裂嚴(yán)重，僅拉區(qū)鋼筋屈服，試件承載能力未充分發(fā)揮；角鋼加固試件Z2 可對(duì)內(nèi)部混凝土起到一定約束作用，延緩混凝土裂縫擴(kuò)大延伸，試件被破壞時(shí)整體性較好。

2）相較于Z1，角鋼加固試件Z2 屈服荷載和峰值荷載分別提高了5.14%、7.32%；位移延性系數(shù)提高了13.97%；初始剛度提高了14.91%；角鋼加固柱峰值階段耗能提高了22.64%，其抗震性能、滯回性能、承載力、耗能及延性均得到一定提高。

3）角鋼加固對(duì)RC柱初始剛度影響不大，當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段后，角鋼開始對(duì)試件產(chǎn)生影響，限制內(nèi)部混凝土柱的橫向變形，減緩試件的剛度退化速率。

4）加載前期角鋼加固柱外部角鋼與內(nèi)部鋼筋混凝土柱協(xié)同工作能力較低，當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段后，混凝土膨脹變形對(duì)外部構(gòu)件產(chǎn)生擠壓，兩者開始共同工作，試件整體性能得到明顯提升。