碳纤维布对混凝土柱抗震加固的试验分析

　　1995年阪神地震后，日本采用碳纤维布对高速公路桥墩震害的快速加固，使交通运输很快得到了恢复，给抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间。采用碳纤维布对混凝土柱进行抗震加固，是将混凝土柱塑性铰区用碳纤维布封闭粘贴包裹。纤维方向应与柱轴向垂直，一方面可提高柱的抗剪承载力，另一方面对混凝土形成约束，使塑性铰区实现强剪弱弯，并具备较大的延性，以达到提高抗震能力的要求。介绍了采用碳纤维布进行混凝土柱抗震加固、改善延性的试验研究。本文在此基础上，进一步分析了碳纤维布约束混凝土、增加延性的作用，提出了碳纤维布有效约束系数的概念和抗震加固设计建议。

　　在进行的6个试验的基础上，又进行了2个破坏后加固的试件试验，模拟地震后结构产生破坏情况下的加固，试件设计和试验加载方案与基本相同。破坏后加固的试验过程是先初始加载至构件刚达到屈服，然后进行加固，再继续进行试验直至破坏。此外，中对试件CF30-5-44进行了二次受力试验，先采用预应力方法对试件施加初始轴向压力Ni=230kN，然后进行加固，待外包粘贴碳纤维布树脂达到设计强度后，施加轴力至试验值，切断预应力筋后再进行反复水平荷载试验直至破坏。所有试件的主要参数见表1.第1，2组试验的详细情况详见，其中二次受力试件CF30-5-44加固后的受力过程与第1试件主要参数表1组别试件编号混凝土强度/碳纤维配箍特征值配箍特征值轴压比备注未加固试件全包二次受力B20S60注：B25S60表示加固所用碳纤维宽度为25mm，碳纤维中心间距为60mm.H为柱加力点到底座的距离为600mm；h为截面高组试件类似。破坏后加固的第3组试件，未加固前先在预定的轴力作用下进行反复水平荷载试验至位移角R=V125时，试件产生明显的斜裂缝，柱底部破坏显著；卸载后用碳纤维布进行加固后继续进行试验，其受力过程与第1组的类似。试件CF3（H-48卩固前后的水平荷载位移滞回曲线如所示，可见破坏后加固可使构件继续承受较大的塑性变形，但由于存在初始裂缝，构件具有一定的损伤，加固后的刚度明显降低。

　　试验结果表明，采用碳纤维布加固混凝土柱后，可使原来的受剪脆性破坏转变为延性较好的正截面破坏，并通过约束混凝土的作用，显著提高了延性、滞回本课题为国家“九五”重点科技攻关项目（项目号96-A14-04-03）。

　　（b）加固后试件滞回曲线试验主要结果表2试件弯曲裂缝斜裂缝纵筋屈服CFS断裂极限荷载位移延性系数荷载位移荷载位移荷载（位移荷载（位移荷载（位移正向反向注：一“表示反向加载；试件CF30-5~31和CF30-48分别是第3组试件CF305-31'和CF306~48'加固前的试件。

　　耗能等抗震性能，加固量越大，延性系数越大。因地震产生可修复程度破坏后再进行加固，同样可提高柱的抗震性能，但初始刚度有所降低。各试件的主要试验结果见表2，其中第3组试件的位移延性系数是相对加固前初始试验屈服位移确定的。

　　三、碳纤维布受力分析1.一次受力试件给出第1组一次受力试件的碳纤维布应变随荷载的发展情况，可见在加载初期，碳纤维布应变很小，当水平荷载接近极限承载力时，由于混凝土受压破坏开始膨胀，碳纤维布应变才开始持续增长直至碳纤维布拉断破坏。由各图中碳纤维布南北面和侧面（试件各面与加载方向如所示）的应变发展可以看出，各面的应变发展基本保持同步，说明碳纤维布主要起约束混凝土的作用。

　　所示为第2组二次受力试件CF30-5-44的碳纤维布应变发展情况，可见二次受力试件的碳纤维布应变不如一次受力的第1组试件大，这主要是因为首次受力使混凝土已经有所膨胀，再次受力时混凝土膨胀程度不及一次受力试件，故碳纤维布的约束作用不如一次受力试件的约束作用强，应变发展也相应较小。

　　给出第3组破坏后加固试件碳纤维布应变随荷载的发展情况。与破坏前加固试件不同的是，在加载初期（推，正向）北面的碳纤维布应变发展较快，而南面的碳纤维布应变发展相对较慢。分析其原因可能是由于在加载前试件已经存在斜裂缝，初加载时，正向斜裂缝继续开展，而反向斜裂缝尚未闭合，故北面的碳纤维布首先受力，当反向斜裂缝闭合后，南面的碳纤维破坏后加固各试件碳纤维的应变发展布才开始受力。而一次受力的第1组试件与之不同，在加载初期，南面的碳纤维布首先受到压力，应变开始发展，由于混凝土此时膨胀并不明显，碳纤维布的应变很小，各面碳纤维布应变发展的差异也很小。但不论破坏前还是破坏后加固，在达到极限承载力时，各面碳纤维布的应变发展比较均匀，这再次说明，在抗震加固中碳纤维布主要起约束混凝土的作用。

　　四、碳纤维布有效约束系数随着水平荷载和位移的增加，碳纤维布的应变也在持续增长，对混凝土的约束程度也不断增加。

　　为试件CF30-4-48实测碳纤维布应变沿竖向分布以及距离柱底为1/2柱截面高度处各面碳纤维布应变的分布，图中Vp为大荷载，Vu表示荷载降至大荷载的85.由（a）可见，当荷载降至极限荷载的85时，由于距柱底1/2柱截面高度处混凝土破坏为显著，膨胀大，故该处碳纤维布应变发展充分，对混凝土约束效果也强；由（b）可知，此时各面碳纤维布应变的发展也比较均匀。因此，取荷载降至极限荷载的85时各试件距柱底1/2柱截面高度处的碳纤维布的平均应变与其极限应变的比值为碳纤维布有效约束系数各试件所得的有效约束系数Vd列于表3.由于二次受力试验数量少，试验数据尚不够充分，故其有效约束系数V未列于表3中。

　　碳纤维布有效约束系数表3试件平均值利用碳纤维布有效约束系数，即可确定混凝土的约束程度。当采用体积配箍特征值反映约束程度大小时，则可用以下总折算体积配箍特征值值，分别按下式计算：按式（1）计算的总折算体积配箍特征值与位移延性系数M的关系见，图中位移延性系数M随总折算体积配箍特征值的增长基本上呈线性增长。因为总折算体积配箍特征值反映的对混凝土约束程度与箍筋一致，因此，当总折算体积配箍特征值按混凝土构件抗震要求取值即可认为满足抗震的延性要求。

　　移延性比的经验公式如下：3gXv0.045+1.4n，a为体积配箍特征值的修正系数，普通矩形箍取a=1.0.对于本次试验n= 0.48，1.0，代入（3）的折算配箍特征值来确定碳纤维布加固量，可以满足规范对柱的抗震延性要求，且是偏于安全的。考虑到碳纤维破坏时的脆性特征，留有一定的安全储备是必要的。

　　通过对8根碳纤维布加固混凝土柱抗震性能的试验研宄和分析，可得到以下结论：碳纤维布加固混凝土柱对改善柱子的延性有明显的效果。

　　碳纤维布对混凝土柱的延性加固，主要作用是约束内部混凝土，其约束效果用碳纤维布有效约束系数V表示。试验表明V与碳纤维布加固量关系不大。对于破坏前加固试件，有效约束系数V试验值为0.473；对破坏后加固试件，Vd试验值为0. 387.考虑到碳纤维后破坏为脆性的特点，为有足够的安全储备，建议对破坏前加固试件取vv=0.45，对破坏后加固试件取V=0.延性系数随总折算体积配箍特征值必的增长基本呈线性增长，其规律与混凝土构件一致。总折算体积配箍特征值按混凝土规范抗震要求取值，即可认为满足有关抗震要求，由此可确定在抗震加固时的碳纤维布加固量。

　　虽然加固试件延性系数大大提高，但终由于碳纤维布拉断时的脆性性质，破坏仍属于脆性破坏，具有较大突然性，因此要考虑延性的储备。