玄武岩纤维加固震损混凝土框架节点的抗震性能

周运瑜¹，余江滔¹，陆洲导¹，张克纯²

(1. 同济大学 结构工程与防灾研究所，上海，200092；

2. 江苏省无锡市高铁站商务区建设局，江苏 无锡，214105)

摘  要：基于三维钢筋混凝土框架节点试验(包括施加低周反复荷载预震损、灌缝修复处理、运用玄武岩纤维加固和施加低周反复荷载至节点破坏试验)，研究玄武岩纤维对震损钢筋混凝土框架节点的加固效果。根据试验现象和试验数据，对不同三维框架节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、极限承载力、延性系数以及节点表面的玄武岩纤维的应变等参数进行对比分析。研究结果表明：运用玄武岩纤维加固的三维钢筋混凝土框架节点均实现了“强柱弱梁”的设计目标，破坏形态均为梁弯曲破坏形式，加固后节点的滞回曲线饱满，极限承载力和位移延性系数均有所提高，节点的抗震性能得到很大提高。

关键词：玄武岩纤维加固；地震损伤；三维框架节点；损伤修复；抗震性能

中图分类号：TU375.4          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)04-1514-08

Seismic behavior of BFRP-reinforced pre-damaged concrete beam-column joints

ZHOU Yun-yu¹, YU Jiang-tao¹, LU Zhou-dao¹, ZHANG Ke-chun²

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. Construction Bureau of High-Speed Railway Station of Business District in Wuxi, Wuxi 214105, China)

Abstract: Based on the test of repaired column-beam joints (C-BJs) pre-damaged under low cycle reversed loading, seismic performance of the C-BJs strengthened with basalt fiber sheets was studied. The test procedures included pre-damage, rehabilitation, reinforcement with basalt fiber sheets and re-test under low cycle reversed loading. According to the test phenomena and test data, the failure modes, hysteresis curves, skeleton curves, ultimate bearing capacity, ductility and the strain of the basalt fiber sheets of different C-BJs were compared and analyzed. The test results show that the C-BJs strengthened with basalt fiber sheets exhibit strong column-weak beam failure mechanism. All connections fail due to the concrete crushing and rupture of longitudinal bars as a result of plastic hinges at the fixed beam end. The hysteretic curves of the C-BJs strengthened with basalt fiber sheets are full and show better energy dissipation. The reinforcement with basalt fiber sheets has a significant effect on increasing the ultimate bearing capacity and improving the displacement ductility and the seismic behaviors of the C-BJs.

Key words: basalt fiber reinforcement; seismic damage; 3D beam-column joint; rehabilitation of damage; seismic performance

随着土木工程的不断发展，玻璃纤维、芳纶纤维及碳纤维等各种高性能纤维被先后引入工程领域^[1]，并通过试验研究开发应用，扩大高性能纤维的应用领域。目前，国内开发的玄武岩纤维增强复合材料(简称BFRP)^[2-3]，由于其具有强度高、延性好、化学稳定性强等特点，被逐渐应用于结构加固领域，与碳纤维材料相比，玄武岩纤维价格虽然力学性能略差，但其市场价格仅为碳纤维的1/3左右。我国对玄武岩纤维在土木工程领域的应用研究还处于起步阶段，其中欧阳煜等^[4-7]对玄武岩纤维加固钢筋混凝土梁、柱进行了抗震性能研究，了解玄武岩纤维的加固效果。目前，应用玄武岩纤维对框架节点的加固研究很少，众多“抗震性能鉴定与加固”的研究对象大都是未受地震损坏的建筑物^[8-9]。在“5?12汶川大地震”中，大量建筑物受到震损，其中钢筋混凝土框架结构的损伤集中于节点处，亟需采用有效的加固修复技术进行加固修复。为此，本文作者以受地震预损的框架节点为研究对象，运用玄武岩纤维进行加固、补强，进而研究其修复后的抗震性能，以便为指导抗震损伤修复工作提供参考依据。

1  试验方法的选择

 (1) 设计带板带和正交梁的三维框架节点试件。在“5?12汶川大地震”中，有些按照“强柱弱梁”设计的框架房屋出现了“强梁弱柱”的现象，而在以往科研性试验中，低周反复荷载作用下的二维“十”字节点常出现“强柱弱梁”的形式破坏，且节点核心区常出现斜交叉裂缝。其原因之一为二维十字节点^[10-11]没有平面外混凝土楼板和正交框架梁的约束，忽略了楼板与框架梁的作用，因此，试验采用三维空间框架节点更符合试验要求。

(2) 为了模拟中小地震中受损的房屋框架节点，试验对框架节点试件预先进行低周反复破损加载。

(3) 采用环氧树脂浆对裂缝进行修补。近年来，环氧树脂浆普遍用于裂缝修补，但在震损结构修复中应用不多。

(4) 采用玄武岩纤维对震损的框架节点进行修复和加固，评价玄武岩纤维黏贴加固方法的效果。

(5) 施加低周反复荷载模拟地震作用。

2  试验设计与实施方法

2.1  试件的制作及加固方法

各个试件的尺寸、配筋量和配筋形式均相同，主梁截面面积(长×宽)为150 mm×300 mm，柱截面面积为200 mm×200 mm，板宽为800 mm，厚为60 mm，垂直于平面内的框架梁截面面积(长×宽)为150 mm×250 mm，梁和柱的长度取反弯点之间的距离。试件设计如图1所示。

试验共制作了5个试件，为J0~J4。其中：试件J0为对比试件，不经加固直接加载至破坏；对试件J1~J3，先进行模拟地震荷载(低周反复)的预损，再用玄武岩纤维加固后加载至破坏(试件J1和J2在加固前采用环氧树脂浆进行裂缝修补)；对试件J4不进行预损，用玄武岩纤维加固后加载至破坏，对试验节点J1，J2，J3和J4的加固方式均相同，如图2所示。加固材料玄武岩纤维布抗拉强度为3.2 GPa，弹性模量为90 GPa，延伸率为2.7，混凝土强度等级为C25。所有试件是同批浇筑而成。

图1  试验C-BJ构件配筋图

Fig.1  Details of C-BJ

图2  节点玄武岩试件C-BJ纤维加固图

Fig.2  Details of C-BJ strengthened with basalt fiber sheets

2.2  试验加载制度

试验中试件竖向荷载一次性施加，且保持恒定，柱端加载竖向轴力为200 kN，保持轴压比为0.5。水平荷载的施加采用荷载和变形双重控制方法：梁受拉钢筋屈服前采用荷载控制加载，每级荷载循环2次，梁受拉钢筋达到屈服时的加载点屈服位移为δ_y，梁受拉钢筋屈服后采用水平位移控制等幅、变幅加载，每级等幅循环3次。接着再增大试件加载点位移进行下一步加载。当试件承载力下降到最大荷载P_max的85%或滞回环出现不稳定时，终止试验。试验所有测点数据由DH3817静态应变数据采集仪自动采集。节点的试验结果见表1。

表1  节点的加载制度和加固方式

Table 1  Loading regime and strengthened scheme of C-BJ

2.3  试验现象

2.3.1  试件J0的试验现象

当试件J0柱顶位移达到24 mm时，主梁底与柱交接处开裂，正交梁底与柱交接处开裂；当位移为36 mm时，板沿正交梁边出现贯穿性裂缝；板面与柱交界处混凝土开始变得疏松、剥落，梁下部柱角开裂，出现横向裂缝；当位移为48 mm时，柱下角部混凝土持续剥落，板在4个角部沿正交梁边均出现贯穿性裂缝；当位移为60 mm时，柱角部裂缝连成一片，主梁底部与柱交界处混凝土压碎，露出骨料；当位移为72 mm时，下柱核心区混凝土剥离，主梁底部出现裂缝；当位移为84 mm时，上、下柱的角部混凝土剥落，柱纵筋外露，柱根箍筋外露；当位移为90 mm时，节点承载力明显下降，节点失效，试验终止。

2.3.2  J1~J4试件的试验现象

将试件J1预损至33 mm，试件J2(灌缝)和J3(不灌缝)均预损至26 mm，试件J4未经预损，当位移为33 mm时，纵向钢筋达到屈服。对试件J1~J4用玄武岩纤维加固后进行加载试验，4个构件的宏观试验现象类似，以试件J1的试验现象为例：当柱端水平荷载加载至30 kN时，胶体薄弱部位拉裂，发出零星脆裂声；当位移控制在24 mm时，节点区纤维内有脆裂声，板底沿正交梁方向出现裂缝；当位移为36 mm时，节点的脆裂声变得较密集和剧烈，板裂缝已经贯穿板面；当位移为60 mm时，主梁底和柱的交界处出现裂  缝，主梁底与柱交界处的部分纤维被撕裂，上柱角出现裂缝；当位移为72 mm时，梁底与柱交接处混凝土剥落，正交梁至板底的纤维脱离混凝土表面；当位移为96 mm时，主梁顶部分纤维鼓起，脱离混凝土表面，正交梁底柱侧纤维U形箍断裂，上柱四周混凝土鼓起，局部混凝土碎裂；当位移为108 mm时，混凝土发出很大的爆裂声，正交梁端面出现扭转裂缝；当位移为120 mm时，核心区处混凝土酥松，剥落严重。试验后撕开纤维发现：柱根处混凝土碎裂，主梁与节点有脱离迹象。

2.3.3  构件承载力对楼板的影响

当加载位移达到24~36 mm时，楼板即开裂，是最先开裂的构件之一。随着位移的增大，板裂缝的数量很快增加并贯通，裂缝的宽度在各构件中为最   大，这从侧面说明了受力过程中楼板钢筋被充分利用。楼板钢筋进入强化阶段后，对节点受拉的约束会增强，说明楼板对于框架梁抗弯承载力的贡献不容忽视。

2.3.4  正交梁对于构件承载力的影响

在整个试验过程中，节点核心区未出现斜向对角裂缝或交叉裂缝。临界破坏面与二维十字平面框架节点的情况不同：二维十字平面框架节点在水平力作用下，往往易出现对角裂缝或交叉裂缝，核心区易发生剪切破坏^[12]；而正交梁与主梁、柱、板组合成一个空间框架节点，使节点核心区具有较好的受力性能^[13]。

3  试验结果与分析

3.1  试件的破坏模式分析

试件J0首先在梁柱交界处出现“梁铰”。随着位移增大，节点处柱端出现裂缝，逐渐形成“柱铰”，最终上、下柱端与节点相交处发生破坏，使承载力丧失，破坏模式为柱端弯曲和核心区剪切的混合破坏。

由试件J1~J4的试验现象可知：板先于梁开裂，其原因是梁、柱在灌缝后加固变强。初始阶段的胶体开裂表明：玄武岩纤维参与受力的时间较早；与试件J0相比，试件J1，J2和J3的纤维加固效果明显，最终因梁与节点脱离(同时也有柱端混凝土压碎现象)，承载力丧失，近似于“强柱弱梁”型破坏。

3.2  试件的滞回和骨架曲线

试件J0和J1的滞回和骨架曲线分别如图3和图4所示。从图3可以看出：试件J0在位移为8 mm左右保持较好的线弹性；在位移为24 mm时，滞回曲线开始出现“捏拢”现象；随着水平位移的增大，“捏拢”现象更加明显，当位移达到48 mm时，滞回曲线每一轮开始加载时会出现水平段(零滑移)，之后，滞回曲线呈倒“S”形并逐渐向位移轴倾倒，节点的初始刚度越来越小。

加固节点以试件J2节点为例。试件J2在位移为12 mm左右时不再保持较好线弹性；在位移为36 mm时，滞回曲线开始出现“捏拢”现象；当位移达到60 mm时，滞回曲线呈倒“S”形并向位移轴倾倒，如图5所示。

需要指出的是：加固节点的“捏拢”形成机制与试件J0的“捏拢”形成机制不同。试件J0强烈的“捏拢”现象主要是柱端破坏和节点核心区剪切破坏后变形所致；而加固节点的“捏拢”是梁端根部纵筋屈服后，因受拉产生的裂缝在反向加载初期未能闭合，弯矩只能由钢筋内力偶提供，导致构件刚度下降。当裂缝闭合后，梁受压区混凝土参与工作，滞回曲线再次变得陡峭。

图3  试件J0滞回和骨架曲线

Fig.3  Hysteresis and skeleton curves of J0

图4  试件J1滞回和骨架曲线

Fig.4  Hysteresis and skeleton curves of J1

图5  试件J2滞回和骨架曲线

Fig.5  Hysteresis and skeleton curves of J2

试样J3和J4的滞回和骨架曲线分别如图6和图7所示。可见：加固后试件滞回曲线的捏拢现象和零滑移现象与试件J0的相比均有所减少，滞回环更加饱满，可见节点的耗能能力和抗震性能在加固后有明显提高。预损程度对于试件弹性状态下的刚度影响不大，这是灌缝与混凝土黏结的结果。裂缝灌浆在弹性阶段较明显，但当混凝土的裂缝逐渐增大时，灌浆对于预损裂缝的修复作用不再明显。

3.3  玄武岩纤维布(BFH)及钢筋荷载-应变分析

3.3.1  柱环向玄武岩纤维布应变分析

图8所示为未受损直接加固节点J4的柱端环向纤维布荷载-应变滞回曲线。可见：在循环加载初    期，环向玄武岩纤维的应变非常小，基本上低于1.5×10^-4ε，直到柱顶端位移达60 mm之后，应变才有较大幅度增长。经分析可知：在加载初期，混凝土处于单向受力状态，而环向玄武岩纤维布对柱混凝土提供被动约束，试验测得的应变并不大；随着位移的增大，混凝土柱产生较大的横向膨胀和变形，玄武岩纤维布的环箍效应逐渐体现出来。在整个加载过程中，柱环向玄武岩纤维布的应变低于8×10^-4ε。试验现象表明：加固节点柱子剪切变形很小，最终破坏也并非剪切破坏。

图6  试件J3滞回和骨架曲线

Fig.6  Hysteresis and skeleton curves of J3

图7  试件J4滞回和骨架曲线

Fig.7  Hysteresis and skeleton curves of J4

—— 滞回曲线；--×-- 骨架曲线

图8  试件J4柱端环向纤维布滞回曲线

Fig.8  Hysteresis curves of circumferential BFH of  J4 on column

3.3.2  梁纵向玄武岩纤维布应变分析

试件J1和J2的梁顶、梁底玄武岩纤维应变片的滞回曲线如图9~10所示。梁端弯曲裂缝最先出现在梁根。由图9可知：玄武岩纤维布的拉应变随着荷载的增加而增加，最大应变为7.3×10^-3ε，说明纵向纤维充分发挥了受拉的作用，虽然存在水平滑移，梁、板开裂后纤维依然发挥作用；在加载后期，板上及梁底的裂缝穿过玄武岩纤维，纤维保持高应力，直至纤维被拉断为止。与未预损的试件J4的纤维布应变相比，被预损的J1和J2构件的纤维布应变较大，随着梁根部弯曲裂缝的发展，当位移超过36 mm后，应变增加较快。

图11~12所示为试件J0和J1节点柱纵筋应变。经比较可知：J0在钢筋未屈服时就出现了黏结滑移现象，而加固后柱在加载中后期才出现柱纵筋屈服(此时梁钢筋已经屈服，梁已开裂)、钢筋滑移，说明柱端裂缝远滞后于梁端裂缝，近似实现了“强柱弱梁”要求。

图9  J1梁顶纵向纤维滞回曲线图

Fig.9 Hysteresis curves longitudinal BFH of J1 at top of beam

图10  J2梁底玄武岩纤维布滞回曲线

Fig.10  Hysteresis curves of circumferential BFH of J2 at bottom of beam

图11  J0节点柱纵筋滞回曲线

Fig.11  Hysteresis curves of longitudinal bar of J0 on column

图12  J1节点柱纵筋滞回曲线

Fig.12  Hysteresis curves of longitudinal bar of J1 on column

3.4  加固节点抗震性能评价

3.4.1  不同试件极限承载力和0.85P_max时的位移

加固方法的效果可以从节点的极限承载力和0.85P_max时的位移等比较结果进行判断，结果如表2所示。

表2  构件极限承载力和延性的加固效果对比

Table 2  Comparison of C-BJs’ ultimate strength and ductility after rehabilitation

由表2可知：玄武岩纤维加固后节点极限承载力提高有限，最大提高了11.50%，但在0.85P_max时，位移和承载力峰值位移提高显著，最大达48.88%。这表明玄武岩纤维加固可明显提高节点延性。对比玄武岩纤维加固节点J1和J4可知：预损对于极限承载力来说其影响并不显著；对比节点J2和J3可知：灌缝处理提高极限承载力影响较小。

3.4.2  承载力退化

试验结构的强度退化可以用承载力降低系数来衡量。其中：表示位移延性系数为j时，第i次加载循环的峰值点荷载；表示位移延性系数为j时，第1次加载循环的峰值点荷载。在位移加载过程中，各节点试件正、反向平均承载力退化情况如图13所示。

图13  玄武岩纤维加固构件承载力降低系数

Fig.13  Degradation factor of C-BJs’ strength

由图13可见：随着柱端位移的不断加大，各节点试件均发生承载力退化现象。其中：试件J0呈直线下降趋势，承载力衰减最严重，强度退化很明显，这与其柱端和节点近似于脆性破坏的特征一致；试件J1~J4位移达到36 mm之前承载力降低很快，趋势与J0的承载力降低趋势基本一致，其后，承载力下降的趋势明显趋缓，甚至有所上升，一般在位移为120 mm之后才缓慢下降，表现出明显的延性破坏的特征。其原因是玄武岩纤维提供的是被动约束，只有节点产生较大变形之后才会充分作用，承载力退化的逆势提高则说明加固材料逐渐参与工作。因此，可以认为这种加固方法有效地提高了节点在加载后期的承载性能。

3.4.3  延性系数

采用极限位移和初始屈服位移的比值即位移延性系数来评价结构在承受大的变形而承载力无显著降低的性质，它是构件延性的宏观反映，各节点的位移延性系数见表3。本文中采用的是梁纵筋达到屈服时的位移为屈服位移，而极限位移采用的是0.85P_max时的位移。

表3  不同试件的节点延性系数比较

Table 3  Comparisons of C-BJs’ ductility for different fibers

未经加固节点J0的延性系数为3.00，而加固后节点的延性系数基本上大于4.00。无论从延性系数还是极限位移，加固节点抗震性能有明显提高，预损程度和灌缝对延性系数的影响不大。

4  结论

(1) 玄武岩纤维加固提高了节点极限承载力，最大提高11.50%。在整个加载过程中，节点刚度的提高比较明显。此外，未预损节点的承载力和刚度比受损后加固试件的承载力和刚度高，预损程度略小的节点加固后的承载力也略提高；灌缝处理对极限承载力的影响并不明显。

(2) 玄武岩纤维加固的作用明显。相对于未加固的节点，经玄武岩纤维加固的节点的极限位移提高约48.88%，说明加固后节点的延性提高明显，灌缝处理和预损对节点修复后的极限位移的影响很小。

(3) 与未受损节点相比，经玄武岩纤维加固的震损节点的滞回曲线和骨架曲线的形状更加理想；从承载力退化程度看，当位移超过36 mm后，加固节点的承载力退化程度与未加固节点的承载力退化程度相比较小。

(4) 经过玄武岩纤维的加固，节点的最终破坏形式由柱端的压弯和节点的剪切破坏转变为梁的弯曲破坏，基本实现了“强柱弱梁”的设计要求。

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收稿日期：2009-08-10；修回日期：2009-11-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778134)；温州市科技计划项目(G20080053)

通信作者：余江滔(1975-)，男，湖北武汉人，博士，讲师，从事结构抗火、鉴定和加固技术研究；电话：021-65981431；E-mail: yujiangtao@tongji.edu.cn

(编辑 陈灿华)