碳纤维布加固混凝土框架抗震性能试验研究.pdf

第 1 4 卷第 5 期 2 0 1 1年 1 O月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS Ve 1 14， NO 5 Oc t ， 2 0 11 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 5 9 1 0 6 碳 纤维布加 固混凝土框 架抗震性能试验研究 郑七振 ， 王 东， 唐 玉 ， 康 伟 ( 上 海理 工大 学 土木 工程 系 ， 上 海 2 0 0 0 9 3 ) 摘 要 ：为研 究碳 纤维布 加 固方 式对 混凝 土框 架结 构抗 震性 能 的影 响 ， 按 1： 2缩 尺 比例 设计 制 作 了 3榀 单 层钢 筋 混 凝 土框 架 试件 ， 进 行 了低 周 反 复荷 载 试验 通过 对 比 完好 框 架 、 碳 纤 维布加 固受损 与未受损框架， 研 究了 3榀框 架的破坏形态、 滞回性能、 骨架曲线及承载能力 结果表 明：采用碳纤 维布加 固框 架能有 效 改善其 受力性 能和 抗 震 能 力 ， 提 高结 构 抗倒 塌 能 力 ； 采 用碳 纤 维布 加 固受 损 框架能有效提高其极限承载能力， 对 结构 的延性性能也有一定的改善效果 ； 采 用碳 纤维布加 固未 受损框架 ， 能显著提 高框架的极限承载能力和抗震性能， 使其具有良好的滞回耗能能力 关键 词 ：碳 纤维 布 ；加 固 ；滞 回性能 ； 钢 筋 混凝 土框 架 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 5 0 0 3 Ex p e r i m e nt a l S t u d y o n S e i s m i c Be ha v i o r o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Fr a me S t r e n g t he ne d b y Ca r b o n Fi b e r S he e t s ZHENGQi z h e n， WANG Do n g，T ANG Yu，KANG We i ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t：Thr e e s i ng l e s t o r y f r a m e s d e s i gn e d wi t h 1 ：2 s c a l e m o de l we r e t e s t e d u nd e r - c y c l i c l o a di r ； gs t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f t h e r e i n f o r c e me n t wi t h c a r b o n f i b e r s h e e t s ( CF S)o n t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f t h e s p e c i me n s Co mp a r i n g a g o o d s p e c i me n wi t h 3 d a ma g e d o n e ，b o t h o f wh i c h a r e s t r e n g t h e n e d b y C FS，t h e m a i n i nd e x e s we r e s t ud i e d s uc h a s e xp e r i me nt a l p he n o m e n a，hy s t e r e t i c pe r f or ma nc e，t he s ke l e t on c ur v e s， b e a r i n g c a p a c i t y a n d S O o n Th e r e s u l t s h o ws t h a t u s i n g CFS t o s t r e n g t h e n a r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me c a n e f f e c t i v e l y i m p r ov e i t s me c ha ni c a l pr o pe r t i e s， s e i s mi c pe r f or ma nc e a n d c o l l a ps e r e s i s t a nc e be ha v i o r S t r e n g t h e n i n g t h e d a ma g e d s p e c i me n b y CF S c a n i n c r e a s e t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y ，b u t t h e e f f e c t o f i mp r o v i n g i t s d u c t i l i t y i s n o t o b v i o u s Th e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y a n d s e i s mi c p e r f o r ma n c e c a n b e i m p r o v e d by CFS whe n i t i s t he go o d o ne，a nd t h e e ne r gy di s s i pa t i on c a pa c i t y of i t c a n a l s o be e nh a nc e d Ke y wo r d s ：c a r b o n f i b e r s h e e t s ( CFS ) ；s t r e n g t h e n i n g；h y s t e r e t i c p e r f o r ma n c e ；r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me 我国建筑物 的地震设 防 目标是小震不坏 ， 中震 可 修 ， 大 震 不 倒 对 于建 筑 物 的震 后修 复 ， 加 固措 施 和加固材料至关重要 碳纤维是一种轻质高强材料 ， 厚度薄且易弯折 用碳纤维布( C F S ) 加 固结构 ， 施工 也 比较方便 因此 ， 用碳纤维布加固钢筋混凝土结构 技术以其便捷的施工工艺和 良好的加 固效果 ， 得到 了工程界的广泛应用 1 然而 国内外学者对 C F S加 固钢筋混凝 土结构技术的研究 主要集 中在梁、 柱等 基本构件的抗弯、 抗剪性能上 z - s ， 针对 C F S加 固钢 筋 混凝 土框 架 结 构 整 体 抗 震性 能 的研 究 还 较 少 本 文通 过 3榀 框 架 的低 周 反 复 试 验 ， 对 比研 究 了 3 榀框架的抗震性能 ， 为框架结构 的抗震加 固设计提 供参考 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 0 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 1 2 1 3 基金项 目： 上海市教委 自然科学发展基金资助项 目( 0 4 E B 1 5 ) 第一作者 ： 郑七振( 1 9 6 2 一) ， 男 ， 河北石家庄人 ， 上海理工大学教授 ， 硕士 E ma i l ： z h e n g q z l 1 6 3 c o m 通信作者 ： 王东( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 上海理工大学硕士 ， 助理工程师 E - ma i l ： d e mo 8 0 0 0 1 6 3 c o r n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 郑七振 ， 等 ： 碳纤维布加 固混凝 土框 架抗震性能试验研究 ( b ) K J 一 2 7 o 6 【 J - 5 O 4 o- 3 0- 2 0一 l 0 0 l 0 2 O 3 O 4 0 5 O 6 O 7 0 4 mm ( c ) K J - 3 图 7 3榀试件的 F _ 滞回曲线 Fi g 7 For c e d i s pl a c e me nt hy s t e r e t i c c u r v e s o f t hr e e s p e c i me ns 限 ( 2 ) K J - 2在加 载初 期其 曲线 斜 率 较小 ， 当加 载 至 极限荷载的 5 O 左右时 ， 其曲线斜率才有所增 大 ， 表明受损构件加固存 在碳纤维布受力滞后现象， 只 有当碳纤维布与混凝 土基体共 同发挥作用时， 结构 的抗侧移刚度才会有所提高 与 KJ 一 1相 比较 ， KJ 一 2 屈服后的滞 回环 面积 明显增大 ， 表 明加 固后试件的 整体耗能能力得到提高 在每级控制荷载作用下 ， 随 着循 环 次数 的增 加 ， 试 件滞 回环 面积不 断减 小 ， 表 明 其耗能能力有所降低 因此 ， 加 固受损构件虽然能有 效提高其承载能力和变形能力 ， 但不能有效维持其 滞回曲线 的稳定性 ， 构件耐循环能力也不足 ( 3 ) K J 一 3 在循环加载初期处于弹性阶段 ， 其滞 回曲线基本 为直线 ， 变形恢复充分 ， 试件屈服前的滞回环面积较 小 ， 表 明加 固试 件 的抗侧 移 刚度显 著提 高 试件 屈 服 后， 随着控制位移的增加 ， 其滞回曲线较 K J 一 1 ， KJ 一 2 更为丰满 ， 表明其 吸收能量和耗散 能量 的能力都有 很好的改善 在每级荷载作用下 ， 第 2 ， 3次循环下 的 滞回曲线包裹面积较第 1次循 环下 的面积 减少不 多 ， 说 明利用碳纤维材料对完好结构进行加固， 能显 著增 强构 件 的耐 循 环 能 力 ， 碳 纤 维 布对 维 持 循 环 荷 载下 滞 回曲线 的稳 定性 作用 明 显 3 2 2 骨架 曲线 3榀框 架骨 架 曲线如 图 8所示 图 8 KJ 一 1 ， KJ 一 2， KJ 一 3骨 架 曲线 比较 Fi g 8 Comp a r i s o n of s ke l e t on c ur ve s f o r t hr e e s pe c i me n s 由图 8可见， 对于损伤后再加 固的试 件 KJ 一 2 ， 由于加固前试件 已经屈服 ， 因而其骨架曲线 自始至 终变 化较 平缓 ， 构件 初 始 刚度 较 小 ， 没 有 明显 的屈 服 点 ， 但 框架 极 限承 载力 有一定 提 高 ， 变 形 能力 有所 改 善 对于直接加 固的试件 KJ 一 3 ， 由于碳 纤维布的约 束作用， 构件的初始刚度明显提高， 框架极限承载力 和变 形能 力也 得 到显著 改善 由此可 见 ， 采用碳 纤 维 布加固已损和未损构件 ， 可加强结构的整体性 ， 从而 能够保证其在试验后期仍具有较高承载能力和良好 的延性 性 能 3 2 3 屈 服荷 载 和极 限荷载 各榀框架的屈服荷载 、 极 限荷载及其相应位移 见表 5 表 5 试件屈服荷载和极 限荷载 T a b l e 5 Yi e l d l o a d a n d u l t i ma t e l o a d o f s p e c i me n s O O 0 O O O O O 2 4 M m舳印加。 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 由表 5可见 ， 采 用碳 纤维 布加 固框 架结 构 ， 可 明 显提高其屈服荷载和极限荷载 K J 一 2 ， K J 一 3与 K J 一 1 相 比， 其屈服荷载分别提高了 2 O 和 2 7 ； 极 限荷 载分别提高 了 2 9 和 5 3 ； 极 限位移分别 提高 了 7 1 和 l l 3 试验表 明， 损伤后再加 固的构件 ， 能 有 效改 善框 架结 构 的受 力 性 能 和 变 形 能力 ； 对完 好 结 构直 接 加 固 ， 其 加 固 效 果 明 显 优 于 受 损 构 件 的 加 固 3 2 4柱 脚塑 性铰 转动 能力 柱脚处塑性铰区的转动能力可用截面平均转角 来衡量 平均转角按下式计算： 0 一 _ ， 凡 式 中： ， 为柱底塑性铰区左 、 右侧位移计量测的 竖 向变形 ； h为柱左、 右侧位移计的间距 由于 K J - 2在试验中系统 电压不稳 ， 采集箱数据 无法使用 ， 没有得到相应的柱脚塑性铰区的转动值 ， 故本处 只针对 K J 一 1和 KJ 一 3进行讨论 试 件控制位 移 与 塑性 铰 区截 面平 均转 角 的相 关 曲线 如 图 9 所示 u u 量 4 2 。 KJ - 1 l l 啪 。 。 。 。 0 01 O 00 2 0 0 0 3 0 0 0 r a d 图 9 K J 一 1 ， K J 一 3柱脚塑性铰区 曲线 比较 Fi g 9 Comp ar i s o n o f d i s pl a c e me nt r o t at i o n c ur ve o f s p e c i me n KJ - 1 a n d KJ 一 3 a t h e e l p l a s t i c h i n g e a r e a 延缓 混凝 土开 裂 ， 抑 制裂 缝 的扩展 和延 伸 ， 改善 裂缝 的分布 ， 从而保证钢筋与混凝土的良好粘结 ， 间接改 善结 构 的受 力性 能 ( 2 ) 采 用碳 纤维 布加 固受损 构件 ， 能 够在 一定 程 度上提高其极限承载能力 ， 但会 降低结构的初始侧 移刚 度 该 措施 对 结 构 的延 性 性 能 也 有 一 定 的 改善 效果 ( 3 ) 采用碳纤维布加 固完好 的框架结构 ， 能够大 幅度提高其极限承载能力 ， 改善其延性性能 ， 增强其 耐循 环能 力和 耗 能 能力 ； 碳 纤维 布 对 维 持 结 构 在循 环荷载下滞回曲线的稳定性作用显著 ( 4 ) 利 用碳 纤维 布加 固框 架结 构 ， 可提 高塑 性 铰 的转 动能力 ， 有 助 于提高 结构 的抗 倒塌 能力 参考 文献 ： 1 AL S AL L O UM Y A， AL Mus AL L AM T H S e i s mi c r e s p o n s e 由图 9可见 ， K J 一 3的塑性铰转动能力明显好 于 5 K J 一 1 说 明利用碳纤维布来加 固混凝土框架结构能 有效 改 善结构 的延性性 能 ， 提高 结构 的耗 能 能力 ， 从 而有助于提高结构的抗震性能 4 结 论 ( 1 ) 用碳纤维布加固钢筋混凝土框架结构 ， 能够 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m