碳纤维布加固柱抗震性能试验研究

叶 赟 程 昆 闫志榜

(1.内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头 014010;2.中铁九局集团第二工程有限公司，吉林吉林 132001)

0 引言

目前碳纤维布加固在建筑工程加固改造中的应用越来越广［1］，碳纤维布以其轻质高强、施工方便等优点备受欢迎。试验证明用碳纤维布加固钢筋混凝土构件对防止斜裂缝开展、提高受剪承载力和改善构件延性具有良好的效果［2，3］。

本文对受荷载作用下碳纤维布加固带裂缝工作的RC柱进行抗震性能试验研究，反映加固受损RC柱的受力状况，对工程抗震加固具有实际指导意义。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

本次试验共设计了4根RC柱，试件1为对比柱不进行加固，其余3根柱加固后进行试验。试件几何尺寸及配筋见图1。柱截面尺寸为200 mm×200 mm，水平荷载作用点到柱底的距离为520 mm，剪跨比为 2.6，并按文献［4］，［5］配置足够数量的纵筋和箍筋，纵筋配筋率2.3%，配箍率0.50%。混凝土保护层厚度为25 mm，碳纤维布采用沿柱高包裹的方式，纤维方向与柱中心线方向垂直，搭接长度为150 mm，搭接缝沿柱子轴向交错布置。试件的基本参数见表1。

1.2 混凝土、钢筋及碳纤维布性能参数［6］

图1 试件尺寸及配筋

表1 试件参数

1.3 试验加载制度

本试验加载制度依照《建筑抗震试验方法规程》［7］的规定，采用荷载—位移混合控制的加载方法。首先施加竖向轴力至预定值并在整个试验过程中保持恒定，然后反复施加水平荷载。在试件纵筋屈服之前，采用荷载控制并分级加载，荷载按照10 kN，20 kN，30 kN，40 kN，50 kN逐级增加，每级荷载反复循环一次直至试件屈服达到屈服位移Δy;构件屈服后，按柱顶水平位移控制加载，按0.25Δy进行逐级加载，每级荷载循环三次，直至荷载下降到最大水平荷载的85%，此时认为试件破坏停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 荷载—位移滞回曲线

各试件的滞回曲线如图2所示，滞回曲线分析如下:

1)纵筋屈服前，滞回曲线基本为直线;屈服后，随着侧向位移、循环次数的增加，残余变形增大。

2)由图2b)，图2c)，图2d)可以看出:加固柱的滞回环面积明显增大，具有良好的耗能能力，说明碳纤维布加固受损柱可以有效改善其抗震性能。加载后期，滞回曲线越来越偏向位移轴，反映出试件产生了一定的滑移。构件屈服后滞回环有轻微的“捏缩”现象［8］，而随着加载的持续进行，碳纤维布开始与混凝土协同受力，滞回环变得十分饱满。预裂裂缝相同，大轴压比加固试件与轴压比减小一半的加固试件相比，滞回特性的改善效果更加明显。

3)由图2c)可以看出:加固前柱的受损程度越大，加固后在低周反复水平荷载作用下，其滑移量也越大，但到加载后期，随着滑移量的增加，滞回环相当的丰满，即具有较强的耗能能力。

2.2 骨架曲线及延性分析

由各试件的滞回曲线可得到相应的骨架曲线。如图3所示，从试件屈服到达极限荷载之前，各加固柱骨架曲线的斜率从小到大依次为:试件2，试件4，试件3，说明在其他条件相同时，轴压比高的受损柱加固后，刚度要高于轴压比低的加固柱。加固试件3的峰值荷载最大。达到峰值荷载后，3个加固试件的骨架曲线下降段平缓且较长，说明试件仍具有一定的变形能力以及较好的延性。

图2 各试件的荷载—位移滞回曲线

图3 各试件骨架曲线的对比

由此可以得出:1)碳纤维布加固的受损RC柱，达到极限荷载后具有良好的延性，位移延性系数在4.6～6.6之间。轴压比较小的受损柱加固后位移延性系数提高更加明显，加固试件2的位移延性系数较对比柱提高了70%。2)轴压比和预裂裂缝宽度对加固柱的位移延性系数有较大影响。轴压比增大一倍，加固试件2与试件4相比，位移延性系数反而降低了30.6%;裂缝宽度增大一倍，加固试件4与试件3相比，位移延性系数提高了22.8%。

2.3 试验结果

试验结果表明:

1)预裂柱用碳纤维布加固后极限承载力均有一定程度的提高。当轴压比相同时，受损较严重的柱经适当的修复加固后，可以与受损较轻的柱具有基本相同的承载力。2)加固试件2的极限承载力与试件1相比提高了9.3%。说明受损柱经加固后，其承载力基本能恢复到受损前混凝土柱的承载力水平。采用碳纤维布横向加固受损钢筋混凝土可以有效约束核心区混凝土，但与对比柱相比，碳纤维布对承载力的贡献不大，在低周反复水平荷载作用下，承载力主要取决于受拉纵筋，受压区混凝土的贡献其次［9］。3)轴压比增大一倍，加固试件4与试件2相比，极限承载力提高了10.3%;裂缝宽度增大一倍，加固试件3与试件4相比，极限承载力提高了9.3%。

3 结语

1)未加固RC柱和所有用碳纤维布加固后的受损RC柱最终破坏特征都表现为延性较好的弯曲破坏。轴压比和预裂裂缝宽度对受损RC柱抗震性能具有较大影响。碳纤维布加固的受损钢筋混凝土柱达到极限承载力后具有良好的延性，耗能能力明显提高，刚度退化趋势有所减缓。2)当轴压比相同时，受损较严重的柱(预裂裂缝1.0 mm)经加固，可以与受损较轻的柱(预裂裂缝0.5 mm)具有基本相同的承载力;当预裂裂缝宽度相同时，轴压比越大，碳纤维布加固受损RC柱承载力提高幅度更显著。3)用碳纤维布加固受损RC柱的位移延性系数都有了明显的提高。加固柱的位移延性系数在4.6～6.6之间。轴压比和预裂裂缝宽度对加固柱的位移延性系数影响较大。在其他条件相同时，随着轴压比增大，加固柱的位移延性系数反而降低，但仍能满足抗震延性的要求。轴压比相同，裂缝宽度较大的加固柱位移延性系数有一定程度的提高。

［1］蔡光汀，邹 岳，侯云芬.碳纤维加固混凝土结构的性能及应用技术［J］.混凝土，2001(12):71-72.

［2］岳清瑞，陈小兵，牟宏远.碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构新技术［J］.工业建筑，1998，28(11):26-29.

［3］赵树红，李全旺，叶列平，等.碳纤维加固混凝土柱受剪性能试验研究［J］.工业建筑，2000，30(2):16-19.

［4］GB 50011-2001，建筑抗震设计规范［S］.

［5］GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］.

［6］吴善能，虞哓红.考虑二次受力碳纤维布加固设计方法［J］.住宅科技，2001(7):46-47.

［7］JGJ 101-96，建筑抗震试验方法规程［S］.

［8］陆洲导，宋彦涛，王李果.碳纤维加固混凝土框架节点的抗震试验研究［J］.结构工程师，2004(3):68-69.

［9］刘建起，王敬莎，丁乃庆，等.碳纤维加固预应力梁抗弯承载力试验研究［J］.土木工程学报，2010(4):34-35.