第 4 期胡克旭, 等 : 新型混凝土材料加固震损 RC 框架柱抗震性能试验研究 423 本课题组结合上海美创建筑加固工程有限公司提供的新型混凝土加固材料, 前期已进行过新型材料加固混凝土梁柱抗弯抗剪性能的静力试验研究 [2], 新型材料加固混凝土框架节点破坏机理和加固效果的低周反复加载试验研究

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证蔺
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1 第 41 卷第 4 期 2013 年 8 月 JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.41No.4 Aug.2013 DOI: /isn 文章编号 : (2013) 新型混凝土材料加固震损 RC 框架柱抗震性能试验研究胡克旭, 刘继壮, 张彦博 ( 同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所, 上海 ) 摘要 : 通过 5 根采用新型混凝土材料加固 RC 框架柱和 1 根未加固框架柱在定常轴力和水平往复荷载作用下的拟静力试验, 研究了不同震损程度和不同加固方式对试件抗震性能的影响. 试验结果表明 : 各加固试件的极限承载力相对于未加固试件均有不同程度的提高, 其中三面加固柱极限承载力高于单面加固柱, 而四面加固柱极限承载力最高 ; 中等震损和严重震损试件经加固后的极限承载力比未损直接加固试件的极限承载力略低, 但相差不大. 采用新型混凝土材料加固受损试件, 能够有效的提高受损构件的滞回性能极限承载力和刚度等抗震性能. 关键词 : 新型混凝土材料 ; 震损 RC 框架柱 ; 拟静力试验 ; 抗震性能中图分类号 :TU375.3 文献标识码 :A Experimentalresearchesonseismicbehaviorofearthquake-damagedRCframe columnsstrengthenedwithnewconcretematerial HUKe-xu,LIUJi-zhuang,ZHANGYan-bo (ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction,TongjiUniversity,Shanghai20092,China) Abstract:Quasi-statictestsoffivereinforcedconcreteframecolumnsstrengthenedwithnewconcrete material(ncm)andonecolumnwithoutstrengtheningunderconstantaxialloadandcycliclateral loadwereconducted.theinfluencesofparametersincludingdamagelevelsandstrengtheningmethods onseismicbehaviorsofthesixcolumnswereinvestigated.testsresultsshowthattheultimatebearing capacityofalthefivestrengthenedspecimenswereenhancedindiferentlevelsrelativetotheone withoutstrengthening,wherethecolumnstrengthenedbythreesidesperformsbeterthanthatstrength enedonlyoneside,whilethecolumnstrengthenedbyfoursidesisthebest.theultimatecaryingca pacitiesofthosewithmoderatedamageorseveredamageareslightlylowerthanthatofthecolumn strengtheneddirectlywithoutdamage.thetestsalsoindicatethattheseismicbehaviors,suchashys tereticperformance,caryingcapacityandstifnes,ofthedamagedcolumnsstrengthenedwithncm wereimprovedsignificantly. Keywords:new concretematerial;earthquake-damagedrc framecolumns;quasi-statictest; seismicbehavior 0 引言框架柱作为钢筋混凝土框架结构中的主要抗侧力构件, 其抗震性能优劣决定着整体结构抗震性能的好坏. 实际震害调查显示, 绝大多数混凝土框架结构并未形成设计预期的强柱弱梁破坏模式, 而塑性铰更多地出现在柱端, 形成柱铰破坏机制. 合理地选取框架柱震后加固方案, 保证加固效果的可靠性经济性和便捷性是加固修复中要考虑的主要问题. 新型混凝土加固材料是在水泥基灌浆料基础上开发的一种具有高黏结低收缩自密实特性的混凝土加固材料 [1], 与传统加大截面加固法相结合, 通过层内泵送加固技术, 可以充分发挥水泥基灌浆材料的施工优势, 同时水泥基材料与混凝土粘结强度高, 接触密实, 加固效果可靠. 收稿日期 : 通讯作者 : 胡克旭 (1964-), 博士, 教授, kexuhu@163.com 基金项目 : 国家科技支撑计划资助项目 (2009BAJ28B02)

2 第 4 期胡克旭, 等 : 新型混凝土材料加固震损 RC 框架柱抗震性能试验研究 423 本课题组结合上海美创建筑加固工程有限公司提供的新型混凝土加固材料, 前期已进行过新型材料加固混凝土梁柱抗弯抗剪性能的静力试验研究 [2], 新型材料加固混凝土框架节点破坏机理和加固效果的低周反复加载试验研究 [3]. 结合前期研究成果, 通过拟静力试验对不同加固方式和不同震损程度的新型材料加固混凝土框架柱的破坏形态滞回性能极限承载力等抗震性能进行研究 [4]. 1 试验概况 1.1 试件设计及制作共设计 6 根 RC 框架柱, 柱体高度均为 1.5m, 试件尺寸及编号如表 1 所示. 其中 Z-0 为对比试件, 即不进行加固直接试验,Z-1 为单面加固,Z-2 为三面加固,Z-3 Z-4 Z-5 为四面加固. 但 Z-4 Z-5 在加固前先进行预震损,Z-4 的震损程度为中等震损,Z-5 为严重震损. 通过 Z-0 试验结果与 JGZ-1 JGZ-2 JGZ-3 试验结果的比较, 分析 RC 框架柱采用不同加固方式对框架柱抗震性能的影响 ; 对比 JGZ-3 试验结果与 JGZ-4 JGZ-5 震损加固后试验结果, 研究具有不同程度震损的试件经过加固后的抗震效果. 试验试件在同济大学结构试验室制作, 设计原始试件混凝土强度等级为 C25, 加固用新材料混凝土强度等级 C40, 纵筋 HRB335 级, 箍筋 HPB235 级. 在浇筑混凝土时, 同期制作两组 150mm 150mm 150 mm 试块 ( 共计 6 个 ), 并与试件在同条件下进行养护. 一组试块在达到 28d 龄期时进行抗压强度试验标定混凝土强度, 另一组试块在试件试验同期进行抗压强度试验. 实测原始试件混凝土 28d 强度 33.9MPa, 试验时 ( 龄期 136d) 强度 35.1MPa. 加固混凝土 28d 强度 60.4MPa, 试验时 ( 龄期 96d) 强度 65.5MPa. 试验钢筋主要为三种, 每种型号的钢筋取 3 根试样进行屈服强度和极限强度的测定, 并且三者的实测强度平均值分别为 MPa. 表 1 试件设计参数 Tab.1 Parametersofspecimens 试件编号预震损截面尺寸截面内钢筋加固方式加固前加固后程度加固前加固后原截面加固截面 Z-0 400mm 400mm Z-1 JGZ-1 400mm 400mm 400mm 460mm 3 16 单面 Z-2 JGZ-2 400mm 400mm 460mm 520mm 7 16 三面 Z-3 JGZ-3 400mm 400mm 520mm 520mm 四面 Z-4 JGZ-4 中等震损 400mm 400mm 520mm 520mm 四面 Z-5 JGZ-5 严重震损 400mm 400mm 520mm 520mm 四面 1.2 试件加固试件 Z-4 和 Z-5 预先进行震损试验, 之后与试件 Z-1 Z-2 和 Z-3 一起进行加固. 但 Z-4 和 Z -5 加固前震损裂缝按照混凝土结构加固设计规范 [5] (GB ) 修补之后进行相应加固处理. 原始试件截面配筋及各加固方式试件截面配筋如图 1 所示, 各试件加固过程中钢筋绑扎及混凝土浇筑如图 2 所示.

试验采用低周反复加载的形式, 参照建筑抗震试验方法规程 [6] (JGJ101-1996), 试验加载采用水平荷载和位移混合控制的混合加载制度, 此种加载方式不仅可以建立恢复力模型, 也适用于建立极限破坏荷载计算公式或构件破坏机制的研究 [7]. 试验时, 首先施加竖向荷载至预定值 1000kN( 轴压比 0.53), 并在试验过程中保持不变.

3 424 第 41 卷图 1 原试件及加固试件截面配筋 ( 单位 :mm) Fig.1 Detaildrawingofspecimens(unit:mm) 图 2 不同加固方法加固柱 Fig.2 Specimensstrengthenedwithdiferentmethods 1.3 加载制度试件 Z-4 和 Z-5 预先进行震损试验, 在柱顶部施加低周反复水平荷载模拟地震作用, 同时施加竖向荷载模拟上部荷载. 荷载大小参照多层房屋底层柱体所受实际荷载, 由装有随动装置的千斤顶施加. 水平荷载由电液伺服结构试验系统 PL-Z630x 液压伺服作动机施加, 加载装置示意如图 3 所示. 试验采用低周反复加载的形式, 参照建筑抗震试验方法规程 [6] (JGJ ), 试验加载采用水平荷载和位移混合控制的混合加载制度, 此种加载方式不仅可以建立恢复力模型, 也适用于建立极限破坏荷载计算公式或构件破坏机制的研究 [7]. 试验时, 首先施加竖向荷载至预定值 1000kN( 轴压比 0.53), 并在试验过程中保持不变. 然后施加水平荷载, 水平荷载采用荷载位移混合控制的加载制度, 即在试件受力纵筋屈服前采用荷载控制, 屈服后采用位移控制. 在试件达到屈服之前的小变形阶段, 采用荷载控制并分级加载. 首先施加试件计算开裂荷载的 50%, 每级荷载递增 20kN 作为下一等级控制点, 且往复循环两次. 在试件达到屈服后, 采用位移控制. 即以屈服位移作为控制参数, 实施等位移加载, 即按 1/2Δy Δy 3/2Δy(Δy 为屈服位移 ) 方法加载, 并在每一位移等级循环两次, 按此制度加载, 当试件破坏, 无法继续加载, 或水平荷载下降到最大荷载的 85% 时, 停止试验. 第一批试验是对框架柱 Z-4 和 Z-5 进行预震损, 其中 Z-4 为中等损坏,Z-5 为严重损坏. 参考地震灾后建筑鉴定与加固技术指南 [8] 确定试验中中等损坏的标准为柱体裂缝最大宽度超过 0.3mm, 严重损坏标准为框架柱达到极限承载能力. 第二批试验是对试件 Z-0 与加固后的试件 JGZ-1 JGZ-2 JGZ-3 JGZ-4 和 JGZ-5 做破坏试验, 加载至试件荷载下降到极限荷载的 85% 或者试件变形不能够继续加载为止. 1.4 量测方案主要量测水平低周反复荷载作用下, 试件特定部位的位移应变 ; 了解荷载与变形关系变化规律 ; 钢

4 第 4 期胡克旭, 等 : 新型混凝土材料加固震损 RC 框架柱抗震性能试验研究 425 筋应力及应变分布情况, 有助于了解构件非线性发展过程. 位移计 1 布置于柱头, 用来量测柱顶的平面内水平位移 ; 考虑到纵筋应变片在钢筋屈服后会遭到破坏而失效, 将位移计 3 布置于底座上表面 150mm 高度处的柱身外表面, 位移计 2 布置于试件中间部位 ; 底座滑动位移由布置在底座上表面轴线处的位移计 4 来测量 ; 因柱头在竖向平面内的转动而产生的竖向位移由通过布置柱头上的位移计 5 和 6 来量测. 具体布置如图 4 所示. 图 3 加载装置示意 Fig.3 Schematicoftestsetup 图 4 位移计布置示意 ( 单位 :mm) Fig.4 Ilustrationofdisplacementgauges(unit:mm) 2 试验现象及破坏形态试件 Z-0 为对比试件, 即不经过加固处理的原始构件, 当加载位移至 38mm 时, 根部混凝土严重剥落, 钢筋露出, 并且水平荷载出现了明显下降 ; 加载位移至 40mm 时, 荷载明显下降, 约为极限荷载的 60%, 试件发生破坏, 不适宜再继续加载, 试验停止. JGZ-1 为无震损单面加固的试件. 当加载至 32mm 时, 未加固面混凝土严重剥落, 钢筋露出, 一个方向的承载力下降至极限承载力的 70% 左右, 另一个方向降至 95% 左右, 认为不适宜再继续加载, 停止试验, 依次卸载. JGZ-2 为无震损三面加固的试件. 当水平位移为 48mm 时, 一个方向的水平荷载降至极限荷载的 74% 左右, 不适合再继续加载, 停止试验, 依次卸载. JGZ-3 为无震损四面加固试件. 当水平位移为 42mm 时, 角部混凝土出现轻微剥落 ; 在加载的最后阶段, 加固钢筋出现锚固失效, 同时一个方向的水平承载力降至极限承载力的 80% 左右, 停止试验, 依次卸载. JGZ-4 为中等震损四面加固试件. 当水平位移为 48mm 时, 柱根部出现开裂现象 ; 在加载的最后阶段, 加固钢筋出现锚固失效, 底座产生冲切破坏, 此时水平位移为 68mm, 一个方向的承载力降为极限承载力的 82% 左右时, 停止试验. JGZ-5 为严重震损四面加固的试件. 水平位移为 64mm 时, 加固钢筋出现锚固失效现象, 底座产生冲切破坏, 一个方向的承载力降为极限承载力的 73% 左右, 另一个方向降为 84% 左右时, 不适合继续加载, 停止试验, 依次卸载. 3 试验结果及分析 3.1 试件滞回曲线从图 5 所示的各试件的滞回曲线中可以看出, 各滞回曲线的共同特点是 : 在逐级增加的反复荷载作用下, 构件都经历了弹性弹塑性和破坏三个阶段. 水平荷载较小时, 滞回环基本为直线, 构件刚度基本不变, 位移和荷载关系基本为线性, 说明构件处于弹性工作阶段. 接近屈服荷载时, 滞回曲线斜率开始减小, 同时所包围的面积逐步增大, 构件进入弹塑性阶段. 构件屈服时, 滞回曲线更加倾向位移轴, 位移和荷载不再呈线性增加, 刚度下降. 接近极限强度时, 滞回曲线开始由梭形向倒 S 形发展. 达到极限荷载后, 滞回曲线倒向位移轴, 承载力下降. 同时, 各滞回曲线出现了不同程度的捏拢现象.

426 第 41 卷对比各滞回曲线, 可以看出 :JGZ-1~JGZ-5 相对于 Z-0 的滞回曲线的饱满度和包围面积明显提高,

采用新型材料进行四面加固后的抗震性能趋于一致, 并能够达到与 JGZ-3 大体相同的性能.

滞回曲线 (f)jgz-5 滞回曲线图 5 各柱滞回曲线 Fig.5 Hystereticloopsofspecimens 3.

通过这些骨架曲线可以看出, 加固后的构件承载力整体刚度以及变形能力都较加固前有了显著提高.

5 426 第 41 卷对比各滞回曲线, 可以看出 :JGZ-1~JGZ-5 相对于 Z-0 的滞回曲线的饱满度和包围面积明显提高, 说明新型混凝土材料对提高构件的抗震性能有明显的效果 ;JGZ-4 与 JGZ-5 相比较, 二者在不同震损情况下, 采用新型材料进行四面加固后的抗震性能趋于一致, 并能够达到与 JGZ-3 大体相同的性能. (a)z-0 滞回曲线 (b)jgz-1 滞回曲线 (c)jgz-2 滞回曲线 (d)jgz-3 滞回曲线 (e)jgz-4 滞回曲线 (f)jgz-5 滞回曲线图 5 各柱滞回曲线 Fig.5 Hystereticloopsofspecimens 3.2 试件骨架曲线根据试验数据绘制各试件的骨架曲线如图 6 所示. 通过这些骨架曲线可以看出, 加固后的构件承载力整体刚度以及变形能力都较加固前有了显著提高. 单面加固的 JGZ-1 相对于 Z-0, 加固面受压时的承载力有显著提高, 而未加固一面受压时, 由于混凝土的压碎导致该方向的承载力与 Z-0 相当. 三面加固的 JGZ-2 的加固面和未加固面的承载力都有显著提高, 但加固面的承载力明显好于未加固面, 并且趋近于四面加固构件的承载力. 对 Z-4 和 JGZ-4

6 第 4 期胡克旭, 等 : 新型混凝土材料加固震损 RC 框架柱抗震性能试验研究 427 Z-5 和 JGZ-5 的骨架曲线的对比. 可以清晰地看出, 震损后加固的试件的弹性阶段明显较震损前变长, 屈服荷载也有大幅度提高. 比较 JGZ-3 JGZ-4 和 JGZ-5 可以看出, 三者的承载能力都有很大提高, 并且它们的承载能力相近, 说明新型材料对震损结构和未震损结构都有良好的加固效果. 从加固方式来说, 加固效果优劣依次是 : 四面加固三面加固单面加固. 图 6 骨架曲线对比 Fig.6 Contrastbetweenskeletoncurves 图 7 各试件等效刚度 Fig.7 Equalstifnesofspecimens 3.3 试件承载力分析由于混凝土是一种非均质材料, 同时试件浇筑时的人为因素以及试验中的其它因素的影响, 使得本身对称的试件 (Z-0 JGZ-3 JGZ-4 JGZ-5) 的正反两个方向的承载力并不相同, 为方便分析, 这里取二者的平均值. 对于 JGZ-1 JGZ-2, 由于两个方向的结构本身不同, 故分别列出. 具体数值见表 2 所示. 从表 2 中可以看出, 较之试件 Z-0,JGZ-2 JGZ-3 JGZ-4 JGZ-5 的开裂荷载均有提高, 分别为 Z-0 的 1.13 倍 1.98 倍 1.73 倍和 1.79 倍, 由于 JGZ-1 的加固量较少, 开裂荷载和 Z-0 基本相同. 加固后的试件的极限荷载也均有显著提高, 其中 JGZ-3 的提高幅度最大, 是 Z-0 的 1.7 倍之多 ; 由于 JGZ-4 和 JGZ-5 经过不同程度的震损, 内部存在损伤, 极限荷载相对 JGZ-3 偏小. 各加固构件的极限位移相对未加固构件也均有不同程度的提高, 四面加固试件提高尤为明显. 表 2 各试件承载力 Tab.2 Capacitiesofspecimens 试件编号 F 开裂 /kn Δ 开裂 /mm F 极限 /kn Δ 极限 /mm Z JGZ / /21.9 JGZ / /25.7 JGZ JGZ JGZ 试件刚度退化曲线试件刚度退化现象也是反应其抗震性能的一个指标. 所谓刚度退化是指在位移幅值不变的条件下, 结构构件的刚度随反复加载次数增加而降低的特性. 为分析各试件刚度的退化情况以及比较不同加固方式和不同震损程度对试件刚度退化的影响, 取往复荷载作用下正反向最大荷载的绝对值与相应的位移绝对值之和的比值, 作为每次循环加载时的平均割线刚度. 由图 7 所示的各试件刚度退化曲线可以看出, 各构件的刚度 - 位移曲线大致经历了 3 个阶段 : 初始加载期的刚度急剧下降阶段刚度下降趋势逐渐缓和阶段以及刚度大体保持稳定阶段 ; 经过加固后各构件的刚度有了明显提高, 其中 JGZ-1 相对于 Z-0 等效刚度提高 1.12 倍,JGZ-2 相对于 Z-0 等效刚度提高 1.49 倍,JGZ-3 和 JGZ-4 相对于 Z-0 提高 1.64 倍, 而 JGZ-5 提高 1.46 倍. 对比 JGZ-3 JGZ-4

7 428 第 41 卷和 JGZ-5 的等效刚度可以得出 : 震损构件经过加固后的试件相对于试件 Z-0 的刚度有了明显提高, 中等损伤的试件经过加固后刚度相当于未震损直接加固的构件, 严重震损的试件加固后刚度有所损失. 通过对比试件 JGZ-1 JGZ-2 和 JGZ-3 的等效刚度, 可以看出加固方式对于试件刚度有较为显著的影响. 总之, 新型混凝土材料能够有效提高构件的刚度, 对损伤构件加固后的刚度也会有显著提高, 原构件损失越严重, 构件的刚度损失也就越多. 4 结语 1) 采用增大截面法加固混凝土框架柱, 在截面尺寸增大较小时, 普通混凝土难以实现密实填充, 混凝土质量得不到充分保证 ; 而采用新型混凝土加固材料无需振捣, 仅靠材料本身的自流自密实就可达到加固混凝土的均匀性和密实性. 2) 采用新型混凝土材料对 RC 框架柱进行加固后, 各加固试件的极限承载力相对于未加固试件均有不同程度的提高, 其中三面加固极限承载力高于单面加固, 而四面加固的极限承载力最高, 在本试验中其极限承载力相当于未加固试件的 1.7 倍之多. 3) 对比未损中等震损和严重震损试件极限承载力可以得到, 中等震损和严重震损试件经加固后的极限承载力比未损直接加固后的试件承载力略低, 但相差不大. 同时, 对比试件刚度退化曲线可以看出, 新型混凝土材料加固后的构件刚度得以有效提高. 采用新型混凝土材料加固受损试件时, 能够有效地提高受损构件的极限承载力和刚度, 达到良好的加固效果. 参考文献 : [1] 张鹏. 新型材料加固混凝土梁柱构件的应用研究 [D]. 上海 : 同济大学,2011. [2] 王剑锋. 新型混凝土材料加固钢筋混凝土梁柱构件试验研究 [D]. 上海 : 同济大学,2010. [3] 刘春浩. 新型混凝土材料加固框架节点抗震性能试验研究 [D]. 上海 : 同济大学,2010. [4] 张彦博. 新型材料加固 RC 框架柱抗震性能试验研究 [D]. 上海 : 同济大学,2012. [5]GB 混凝土结构加固设计规范 [S]. [6]JGJ 建筑抗震试验方法规程 [S]. [7] 姚振纲, 刘祖华. 建筑结构试验 [M]. 上海 : 同济大学出版社,2011. [8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 地震灾后建筑鉴定与加固技术指南 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2008. ( 责任编辑 : 沈芸 )

第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 23 生混凝土结构的研究不多, 影响了再生混凝土的推广应用框架结构是目前我国一般建筑结构应用最多的结构形式, 也是再生混凝土可能率先应用的结构形式为了给再生混凝土框架结构工程应用提供依据, 通过对 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50%

第 1 期闵珍, 等 : 再生混凝土框架抗震性能试验研究 23 生混凝土结构的研究不多, 影响了再生混凝土的推广应用框架结构是目前我国一般建筑结构应用最多的结构形式, 也是再生混凝土可能率先应用的结构形式为了给再生混凝土框架结构工程应用提供依据, 通过对 2 榀再生骨料掺量分别为 25% 50% 第 27 卷, 第 1 期 2011 年 3 月世界地震工程 WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING Vol. 27,No. 1 Mar. 2011 文章编号 : 1007-6069( 2011) 01-0022 - 06 再生混凝土框架抗震性能试验研究闵珍, 孙伟民, 郭樟根 ( 南京工业大学土木工程学院, 南京 210009) 摘要 : 通过 2 榀再生骨料掺量分别为 25%