碳纖維加固混凝土板柱節(jié)點抗震性能試驗研究

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞動性，是工業(yè)和民用建筑工程中常見的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)節(jié)點主要包括框架梁和框架柱連接的節(jié)點中心，以及靠近市中心的梁和柱的末端。上海在20世紀(jì)80年代以前是一座沒有防御的老城市。上海的許多框架結(jié)構(gòu)尚未進(jìn)行抵抗設(shè)計?；谶@些結(jié)構(gòu)的梁板柱節(jié)點屬于低加固區(qū)，這與“強(qiáng)節(jié)點、弱組件”的抗疲勞動概念設(shè)計原則相矛盾。從施工的角度來看，節(jié)點績效是整個結(jié)構(gòu)的坍塌，危害極大。因此，在議程中，我們將討論如何加固低加固混凝土結(jié)構(gòu)的問題。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高彈模、低重量、耐腐蝕、易施工、適應(yīng)性強(qiáng)以及與混凝土良好的協(xié)同工作等優(yōu)越的性能,是一種新型、高效的結(jié)構(gòu)加固材料.隨著研究的深入開展,碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在土木工程領(lǐng)域發(fā)展迅猛.盡管如此,國內(nèi)外碳纖維加固結(jié)構(gòu)的研究一般均限于構(gòu)件加固研究,碳纖維技術(shù)加固節(jié)點基本屬于空白.為了解決這一矛盾,同濟(jì)大學(xué)受上海市抗震辦公室的委托,對碳纖維加固低配箍混凝土梁板柱節(jié)點進(jìn)行抗震試驗研究.希望通過研究,對碳纖維在鋼筋混凝土節(jié)點抗震加固中的應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ),提出建設(shè)性的意見.1測試測試1.1節(jié)點的裝配和配筋共進(jìn)行了五個試件的低周反復(fù)試驗研究,為了如實地體現(xiàn)碳纖維加固節(jié)點的效果和碳纖維加固后節(jié)點的抗震性能,本試驗中采用了帶板的十字節(jié)點,以下簡稱梁板柱交叉節(jié)點.節(jié)點梁端、柱端和核心區(qū)的配箍率均低于規(guī)范的最低要求.其它部位的配筋在規(guī)范允許范圍內(nèi)配置.1.2心區(qū)加固措施五個試件采用不同的加固形式,其中:JD-2,JD-3梁端用整體式U型箍加固,核心區(qū)加固;JD-4梁端整體式U型箍加固,核心區(qū)不加固;JD-5梁端用條帶式U型箍加固,核心區(qū)加固,以利于對比它們之間的加固效果差異.加固用的碳纖維是由日本日石三菱株式會社提供,其拉伸強(qiáng)度為3430MPa,彈性模量為230GPa.1.3柱端加載方法為了了解碳纖維加固梁板柱節(jié)點的效果和研究加固后梁板柱節(jié)點的抗震性能,在試件上作如圖2所示的測點布置,試件混凝土采用C25,制作相同試件5個,應(yīng)變片總計38個,位移計共8個,利用試驗架將柱的下端鉸接固定,梁的兩端用鉸支座限制其豎向位移,允許其水平位移,在柱的上端用申克試驗機(jī)施加水平反復(fù)荷載,同時用油壓千斤頂在柱頂施加固定的軸向荷載.當(dāng)試件安裝就位后,先施加柱頂軸向荷載到預(yù)定值(各試件的軸壓比JD-1,JD-2,JD-4,JD-5為0.5,JD-3為0.3),并在試驗過程中保持這個值不變,然后由申克試驗機(jī)逐級施加水平反復(fù)荷載,加載頻率為0.005Hz.在梁主筋屈服之前,采用力控制,梁主筋屈服之后采用位移控制.采用柱端加載的最大優(yōu)點在于可以考慮P-Δ效應(yīng)對節(jié)點抗震性能的影響,完全模擬實際情況.1.4節(jié)點應(yīng)力水平與節(jié)點剪切變形表2中屈服荷載和屈服位移是根據(jù)荷載級別以及鋼筋應(yīng)變數(shù)值線性插值得到;極限承載力取的是正向荷載進(jìn)行比較;極限位移是當(dāng)荷載降到極限承載力85%時的位移,但由于試驗時考慮到安全問題,JD-2~JD-5都只加到60mm,未能反映真正的極限位移.加固后節(jié)點破壞時均發(fā)生不同程度的碳纖維剝離.從表2中可以看出,節(jié)點核心區(qū)經(jīng)碳纖維加固后,屈服荷載有所提高,幅度在45%左右,這是由于梁底粘貼的碳纖維分擔(dān)了部分荷載,降低了梁縱筋的應(yīng)力水平,推遲了縱筋的屈服,間接提高了節(jié)點的屈服荷載.因此本試驗是柱端加載,柱端位移是由柱的彎曲變形和節(jié)點剪切變形引起的柱端變位兩部分組成,表中數(shù)值顯示,各個試件屈服位移相近,說明在縱筋屈服之前,在小變位下,碳纖維對核心區(qū)的約束作用還不十分明顯.這是由于碳纖維約束混凝土是一種被動約束機(jī)制,只有當(dāng)被約束構(gòu)件的膨脹變形足夠時,碳纖維的約束效果才比較顯著.因此,當(dāng)達(dá)到極限位移時,核心區(qū)的剪切變形和開裂膨脹使碳纖維這種被動約束機(jī)制得到了充分的發(fā)揮,極限位移和承載力都有了明顯的提高.幾個試件的對比表明,整體式U型箍的加固效果優(yōu)于條帶式U型箍.核心區(qū)沒有粘貼碳纖維的試件JD-4的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和破壞形式也都得到了改善,究其原因是因為梁底粘貼的縱向碳纖維分擔(dān)了梁縱筋的應(yīng)力,降低了縱筋的應(yīng)力水平,因此降低了由縱筋粘結(jié)應(yīng)力傳入節(jié)點核心區(qū)的剪力,間接提高了核心區(qū)的抗剪承載力,這對于實際工程中存在直交梁的梁板柱節(jié)點的加固很有意義.試件JD-2和試件JD-3相比,JD-3的各項性能都稍優(yōu)于JD-2,這主要是由于加固施工過程中JD-3無論在碳纖維的浸漬以及陰角的填補(bǔ)方面都略勝于JD-2,因此可以認(rèn)為施工質(zhì)量對碳纖維加固的效果影響比較明顯,相對而言軸壓比的效果就不太明顯.應(yīng)變片的數(shù)值顯示,在粘貼了碳纖維的部位,節(jié)點縱筋和箍筋的應(yīng)力水平大幅下降,約為同等級荷載的一半左右,因此通過結(jié)構(gòu)膠與混凝土粘貼在一起的碳纖維能夠很好地與混凝土共同工作,分擔(dān)荷載.2滯回曲線分析幾個試件的滯回曲線對比可以看出,鋼筋混凝土框架節(jié)點滯回曲線的共同特點是從最初加載時耗能能力較好的梭形很快過渡到耗能能力最差的倒S形,并且捏攏現(xiàn)象嚴(yán)重,這種情況與節(jié)點區(qū)的鋼筋粘結(jié)滑移、混凝土的剪切變形以及混凝土的裂面效應(yīng)分不開.加固后試件滯回曲線的捏攏現(xiàn)象和零滑移現(xiàn)象都比沒有加固的試件有改善,滯回環(huán)更加飽滿,滯回曲線的形狀也有改善.在研究柱端荷載-位移滯回曲線的基礎(chǔ)上,對試件的以下幾個性質(zhì)進(jìn)行對比分析以評價碳纖維對節(jié)點核心區(qū)抗震加固效果的優(yōu)劣.2.1骨架曲線圖本文將滯回曲線第一循環(huán)的回載頂點連接成為包絡(luò)線,將各個試件的包絡(luò)線都畫在圖3中.從骨架曲線圖4中也可以看出,加固后節(jié)點的強(qiáng)度和延性都顯著提高.2.2硬化和僵硬化結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì)反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響,是結(jié)構(gòu)動力性能的重要特點之一.下面引入兩個系數(shù)來評價結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì).2.2.1節(jié)點的強(qiáng)度退化根據(jù)試驗數(shù)據(jù),在達(dá)到最大承載力之前,強(qiáng)度退化的現(xiàn)象并不顯著,因此,在下面試件承載力降低系數(shù)的計算中,僅給出了進(jìn)入位移控制、循環(huán)兩圈后的承載力降低系數(shù).圖5表示出各節(jié)點的強(qiáng)度退化情況.可以看出,柱軸力的影響在這個試驗中并不明顯,可能是由于兩個試件的軸壓比都偏小的緣故,也可能是碳纖維加固節(jié)點對軸壓比的變化不敏感.未經(jīng)加固的梁板柱節(jié)點在加載的后期,強(qiáng)度退化很明顯,而經(jīng)碳纖維加固后的試件,在加載后期,承載力降低系數(shù)曲線趨于平緩,可見對節(jié)點進(jìn)行碳纖維加固不僅緩和了混凝土的累積損傷,還改善了貫穿節(jié)點區(qū)梁縱筋的粘結(jié)滑移,有效地改善了節(jié)點在加載后期的承載性能.從圖5中還可看出,節(jié)點JD-2和JD-3的性能又要明顯優(yōu)于節(jié)點JD-4以及節(jié)點JD-5.2.2.2循環(huán)剛度各節(jié)點在不同柱端位移下的環(huán)線剛度計算如圖6所示.節(jié)點經(jīng)碳纖維加固后,剛度退化的性能也得到了改善,但程度不如強(qiáng)度退化改善明顯.3節(jié)點核心區(qū)混凝土抗剪性能本試驗加固的重點是箍筋沒有加密的核心區(qū),下面主要對核心區(qū)粘貼的碳纖維以及核心區(qū)箍筋的應(yīng)變進(jìn)行分析,為進(jìn)一步深入分析有限元理論提供參考.在碳纖維加固后,節(jié)點核心區(qū)箍筋應(yīng)力水平顯著降低,降為同級荷載下未加固節(jié)點箍筋應(yīng)力的一半左右.從應(yīng)變上看,核心區(qū)粘貼的水平向和豎向碳纖維在協(xié)助核心區(qū)鋼筋混凝土抗剪上發(fā)揮了很大的作用.橫向和豎向的碳纖維不僅起到橫向和豎向鋼筋的作用,分擔(dān)了傳入節(jié)點的水平剪力和垂直剪力,還包裹節(jié)點核心區(qū),對混凝土形成約束,提高核心區(qū)混凝土強(qiáng)度,從而提高了核心區(qū)混凝土的抗剪能力.無論是水平向的碳纖維還是垂直向的碳纖維,纖維上的最大應(yīng)變能達(dá)到0.07左右,而這時節(jié)點核心區(qū)的箍筋還未屈服,可見碳纖維承擔(dān)了很大一部分的剪力.到后期,由于結(jié)構(gòu)膠失效,核心區(qū)粘貼的碳纖維會出現(xiàn)局部到全部空鼓.4纖維加固效果通過五個節(jié)點的低周反復(fù)試驗,得到以下主要結(jié)論:(1)采用碳纖維加固后的梁板柱節(jié)點,承載力顯著提高,破壞形式明顯改善,從節(jié)點核心區(qū)破壞轉(zhuǎn)變成梁端彎曲破壞.可見用碳纖維進(jìn)行節(jié)點加固是一種有效的加固方式,在實際工程中可以推廣應(yīng)用.(2)采用碳纖維加固后的梁板柱節(jié)點,抗震性能也得到了顯著改善.加固后節(jié)點滯回環(huán)的形狀更加理想,節(jié)點的延性提高,強(qiáng)度退化和剛度退化都趨于緩和,耗能能力提高.(3)從應(yīng)變分析中可知,粘貼于混凝土表面的碳纖維可以有效地參與混凝土共同受力,并且承擔(dān)了大部分的荷載,降低了混凝土及內(nèi)部鋼筋的應(yīng)力水平.但在加載后期,由于混凝土開裂導(dǎo)致錯動,碳纖維剝離破壞比較嚴(yán)重,影響了碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)效果