碳纖維布加固實驗

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摘要：對1榀達到極限承載力的鋼筋混凝土框架進行了CFRP加固，對加固后的框架結構進行了模擬地震作用的水平低周反復荷載試驗，分析了被加固框架的受力性能及位移延性，研究了已嚴重損傷的混凝土框架結構經碳纖維加固后的抗震性能。試驗結果表明，嚴重損傷框架結構經碳纖維加固震后，其極限承載能力、耗能能力及延性等抗震性能有明顯提高。

關鍵詞：框架結構；抗震性能研究；水平低周反復試驗；碳纖維布加固

目前已進行的碳纖維加固研究主要是針對簡支梁、柱等單個構件及節點加固后的受力性能進行的研究[1-3]，而加固震后嚴重損傷甚至破壞的鋼筋混凝土框架的研究很少。本文針對1榀進行模擬地震作用的水平低周反復荷載試驗最大承載力、形成機構體系的鋼筋混凝土框架模型進行CFRP布加固，再進行水平低周反復荷載的試驗至破壞。

1試驗概況

1.1試件概況

圖1為1榀按1:3的縮尺模型設計的鋼筋混凝土框架，經模擬地震作用的水平低周反復荷載試驗，已達到最大承載力、形成機構體系。其裂縫分布如圖2所示，其中，柱端裂縫最大寬度達3mm。

1.2加固方案設計

對圖1所示的已嚴重損傷的框架KJ-1進行加固（加固后命名為KJ-1A），按照施工工藝[4]，梁頂粘貼長800mm×寬50mm碳纖維布一層，彎剪區按100mm寬@100mm粘貼U型箍，裂縫處粘貼U型箍，加載點處粘貼2個U型箍。柱的兩端均按100mm寬@100mm粘貼環形箍三道；柱上下端的內外側在豎直方向粘貼長600mm×寬120mm的碳纖維布；為防止柱側豎向碳纖維布在柱底剝離，在柱腳兩側基座上分別粘貼100mm寬的U型箍各一道。節點處粘貼水平方向長400mm×寬50mm，豎直方向長300mm×寬50mm的十字形碳纖維布。為防止水平碳纖維布與梁剝離，梁兩端外伸部分均加100mm寬U型箍。試件加固如圖3所示。

1.3加載方案設計

本試驗加載裝置如圖4所示，采用力—位移混合控制的加載方法，先以力控制進行加載，屈服后改用位移控制[5]。采用底部剪力法計算各級多遇和罕遇水平地震作用，作為試驗加載制度的依據。不同烈度的多遇及罕遇地震作用的等效荷載如表1所示。

2試驗現象及結果分析

2.1試驗現象

以2kN的水平荷載開始進行加載，加至6kN時左柱下端原結構裂縫處出現第一條寬度為0.05mm的裂縫，則加固后的開裂荷載為6kN。加至16kN時，在右柱節點處出現寬度0.3mm的裂縫，且此處鋼筋屈服，柱頂最大位移8.2mm。然后改為由位移控制加載，位移加至6△y時，左柱底裂縫寬度擴展為3.0mm，右柱底裂縫寬度擴展至2.5mm，此時，構件達到極限狀態，對應的極限荷載為55.2kN，大于表1中9度罕遇地震作用的等效荷載。反向加至-6△y時，左柱頂裂縫寬度擴展至2.5mm，右柱頂裂縫寬度擴展至3mm，此時，柱底部碳纖維布起鼓，試件達到強度極限，荷載呈下降趨勢。

2.2試驗結果分析

2.2.1KJ-1A滯回曲線

KJ-1A的滯回曲線如圖6所示。剛開始加載循環，荷載—位移曲線近似為直線，滯回環面積較小。鋼筋屈服后，由于加載位移幅值的增大及循環次數的增多，試件的滯回環面積增大，呈梭形，滯回曲線向位移軸靠攏，位移增長速率大于荷載增長速率，說明經碳纖維布加固后，嚴重損傷的鋼筋混凝土框架仍具有較好的抗震耗能能力。

2.2.2KJ-1A骨架曲線

由圖6所示的滯回曲線中各環峰值，得到骨架曲線，如圖7所示。開裂前，骨架曲線較陡，基本呈線性。開裂后，曲線斜率減小，出現第一個轉折點。鋼筋屈服時，曲線的斜率進一步減小，曲線出現第二個轉折點，位移的增長速率明顯大于荷載的增長速率，反映出一定的剛度退化。達到極限荷載后，曲線呈下降趨勢，承載力退化，剛度退化更加明顯；試件在達到極限荷載后，荷載緩慢下降，且在荷載下降到極限荷載的85％時，試件仍具有一定的變形能力，說明試件延性良好。

圖8為右柱柱底豎向碳纖維布的滯回曲線，鋼筋屈服前，柱底縱向碳纖維布應變較小，屈服后，改為由位移控制加載，隨著加載位移幅值的增大及循環次數的增多，碳纖維布應變也加快增加，說明碳纖維布粘接性能良好。在碳纖維布其被拉到極限拉應變前，卸載后應變基本可以全部恢復，原因是碳纖維布為彈性材料；試件破壞時，碳纖維布被剝離，未達到極限拉應變。圖9為框架節點處豎向碳纖維布的滯回曲線，節點處的碳纖維布在正反向加載時，均處于受拉狀態，鋼筋屈服后，滯回環趨于豐滿，面積明顯增大，說明節點處碳纖維布能較好地抵抗地震作用，并具有較好的耗能能力。

3結論

1）鋼筋屈服后，試件滯回曲線的滯回環面積增大，曲線向位移軸靠攏，位移增長速率大于荷載增長速率，說明經碳纖維布加固后，嚴重損傷的鋼筋混凝土框架仍具有較好的抗震耗能能力。

2）鋼筋屈服時，試件的骨架曲線的斜率進一步減小，位移的增長速率明顯大于荷載的增長速率，反映出一定的剛度退化。達到極限荷載后，骨架曲線呈下降趨勢，承載力退化，剛度退化更加明顯；但荷載緩慢下降，且在荷載下降到極限荷載的85％時，試件仍具有一定的變形能力，說明試件延性良好。

3）節點處的碳纖維布在正反向加載時，均處于受拉狀態，鋼筋屈服后，滯回環趨于豐滿，面積明顯增大，說明節點處碳纖維布能較好地抵抗地震作用，并具有較好的耗能能力。

4）嚴重損傷混凝土框架經碳纖維布加固后，其承載力、耗能能力及延性等抗震性能均有較大幅度的提高。