碳纤维布加固实验

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摘要：对1榀达到极限承载力的钢筋混凝土框架进行了CFRP加固，对加固后的框架结构进行了模拟地震作用的水平低周反复荷载试验，分析了被加固框架的受力性能及位移延性，研究了已严重损伤的混凝土框架结构经碳纤维加固后的抗震性能。试验结果表明，严重损伤框架结构经碳纤维加固震后，其极限承载能力、耗能能力及延性等抗震性能有明显提高。

关键词：框架结构；抗震性能研究；水平低周反复试验；碳纤维布加固

目前已进行的碳纤维加固研究主要是针对简支梁、柱等单个构件及节点加固后的受力性能进行的研究[1-3]，而加固震后严重损伤甚至破坏的钢筋混凝土框架的研究很少。本文针对1榀进行模拟地震作用的水平低周反复荷载试验最大承载力、形成机构体系的钢筋混凝土框架模型进行CFRP布加固，再进行水平低周反复荷载的试验至破坏。

1试验概况

1.1试件概况

图1为1榀按1:3的缩尺模型设计的钢筋混凝土框架，经模拟地震作用的水平低周反复荷载试验，已达到最大承载力、形成机构体系。其裂缝分布如图2所示，其中，柱端裂缝最大宽度达3mm。

1.2加固方案设计

对图1所示的已严重损伤的框架KJ-1进行加固（加固后命名为KJ-1A），按照施工工艺[4]，梁顶粘贴长800mm×宽50mm碳纤维布一层，弯剪区按100mm宽@100mm粘贴U型箍，裂缝处粘贴U型箍，加载点处粘贴2个U型箍。柱的两端均按100mm宽@100mm粘贴环形箍三道；柱上下端的内外侧在竖直方向粘贴长600mm×宽120mm的碳纤维布；为防止柱侧竖向碳纤维布在柱底剥离，在柱脚两侧基座上分别粘贴100mm宽的U型箍各一道。节点处粘贴水平方向长400mm×宽50mm，竖直方向长300mm×宽50mm的十字形碳纤维布。为防止水平碳纤维布与梁剥离，梁两端外伸部分均加100mm宽U型箍。试件加固如图3所示。

1.3加载方案设计

本试验加载装置如图4所示，采用力—位移混合控制的加载方法，先以力控制进行加载，屈服后改用位移控制[5]。采用底部剪力法计算各级多遇和罕遇水平地震作用，作为试验加载制度的依据。不同烈度的多遇及罕遇地震作用的等效荷载如表1所示。

2试验现象及结果分析

2.1试验现象

以2kN的水平荷载开始进行加载，加至6kN时左柱下端原结构裂缝处出现第一条宽度为0.05mm的裂缝，则加固后的开裂荷载为6kN。加至16kN时，在右柱节点处出现宽度0.3mm的裂缝，且此处钢筋屈服，柱顶最大位移8.2mm。然后改为由位移控制加载，位移加至6△y时，左柱底裂缝宽度扩展为3.0mm，右柱底裂缝宽度扩展至2.5mm，此时，构件达到极限状态，对应的极限荷载为55.2kN，大于表1中9度罕遇地震作用的等效荷载。反向加至-6△y时，左柱顶裂缝宽度扩展至2.5mm，右柱顶裂缝宽度扩展至3mm，此时，柱底部碳纤维布起鼓，试件达到强度极限，荷载呈下降趋势。

2.2试验结果分析

2.2.1KJ-1A滞回曲线

KJ-1A的滞回曲线如图6所示。刚开始加载循环，荷载—位移曲线近似为直线，滞回环面积较小。钢筋屈服后，由于加载位移幅值的增大及循环次数的增多，试件的滞回环面积增大，呈梭形，滞回曲线向位移轴靠拢，位移增长速率大于荷载增长速率，说明经碳纤维布加固后，严重损伤的钢筋混凝土框架仍具有较好的抗震耗能能力。

2.2.2KJ-1A骨架曲线

由图6所示的滞回曲线中各环峰值，得到骨架曲线，如图7所示。开裂前，骨架曲线较陡，基本呈线性。开裂后，曲线斜率减小，出现第一个转折点。钢筋屈服时，曲线的斜率进一步减小，曲线出现第二个转折点，位移的增长速率明显大于荷载的增长速率，反映出一定的刚度退化。达到极限荷载后，曲线呈下降趋势，承载力退化，刚度退化更加明显；试件在达到极限荷载后，荷载缓慢下降，且在荷载下降到极限荷载的85％时，试件仍具有一定的变形能力，说明试件延性良好。

图8为右柱柱底竖向碳纤维布的滞回曲线，钢筋屈服前，柱底纵向碳纤维布应变较小，屈服后，改为由位移控制加载，随着加载位移幅值的增大及循环次数的增多，碳纤维布应变也加快增加，说明碳纤维布粘接性能良好。在碳纤维布其被拉到极限拉应变前，卸载后应变基本可以全部恢复，原因是碳纤维布为弹性材料；试件破坏时，碳纤维布被剥离，未达到极限拉应变。图9为框架节点处竖向碳纤维布的滞回曲线，节点处的碳纤维布在正反向加载时，均处于受拉状态，钢筋屈服后，滞回环趋于丰满，面积明显增大，说明节点处碳纤维布能较好地抵抗地震作用，并具有较好的耗能能力。

3结论

1）钢筋屈服后，试件滞回曲线的滞回环面积增大，曲线向位移轴靠拢，位移增长速率大于荷载增长速率，说明经碳纤维布加固后，严重损伤的钢筋混凝土框架仍具有较好的抗震耗能能力。

2）钢筋屈服时，试件的骨架曲线的斜率进一步减小，位移的增长速率明显大于荷载的增长速率，反映出一定的刚度退化。达到极限荷载后，骨架曲线呈下降趋势，承载力退化，刚度退化更加明显；但荷载缓慢下降，且在荷载下降到极限荷载的85％时，试件仍具有一定的变形能力，说明试件延性良好。

3）节点处的碳纤维布在正反向加载时，均处于受拉状态，钢筋屈服后，滞回环趋于丰满，面积明显增大，说明节点处碳纤维布能较好地抵抗地震作用，并具有较好的耗能能力。

4）严重损伤混凝土框架经碳纤维布加固后，其承载力、耗能能力及延性等抗震性能均有较大幅度的提高。