高性能CFRP筋混凝土柱的抗震性能

龚永智¹，张继文²，蒋丽忠¹，涂永明²

 (1. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075；

2. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京，210096)

摘  要：对4根CFRP筋混凝土柱进行低周反复拟静力试验，研究CFRP筋混凝土柱及其经模拟地震损伤修复后的抗震性能，分析试件的柱顶水平荷载与相应位移的滞回曲线、变形性能、耗能性能和刚度退化等特征，给出综合性能评价指标和恢复力模型及其计算方法。研究结果表明：试件具有较强的变形能力和承载能力，轴压比和体积配箍率是影响CFRP筋混凝土柱抗震性能的重要因素；传统的延性系数不能全面反映CFRP筋混凝土柱的抗震性能，综合性能指标能较好地反映轴压比和体积配箍率对CFRP筋混凝土柱抗震性能的影响。

关键词：CFRP筋；混凝土柱；抗震性能；综合性能指标

中图分类号：TU337.9⁺4          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)04-1506-08

Aseismic behavior of concrete columns reinforced with CFRP

GONG Yong-zhi¹, ZHANG Ji-wen², JIANG Li-zhong¹, TU Yong-ming²

 (1. School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: For researching the seismic resistance capability of the concrete columns reinforced with CFRP (carbon fiber reinforced polymer) tendons and those affected by the earthquake, the four concrete columns reinforced with CFRP tendons were tested under the simulated seismic loading and the hysteretic loading-drift relationships, the behavior of deformation and dissipation of energy and the degeneration of the stiffness were analyzed, and the propositional modes of restoring force and the calculation methods about the skeleton curves were proposed. The experimental results show that the influence of the level of axial compression and the volumetric ratio of hoop on the behavior of seismic resistance of the concrete columns reinforced with CFRP tendons are significant, and the specimens have good deformation and bearing capacity; the traditional ductility coefficient can not overall reflect the seismic resistance capability of the concrete columns reinforced with CFRP tendons, but the integrated performance index can reflect the influence of the level of axial compression and the volumetric ratio of hoop on the behavior of seismic resistance.

Key words: CFRP tendon; concrete column; seismic behavior; integrated performance index

高性能CFRP(carbon fiber reinforced pdymer)筋作为非金属的纤维增强聚合物筋，具有强度高、密度低和耐腐蚀性强等优点，被认为是替代用在腐蚀环境和特殊环境的普通钢筋和预应力钢筋的最佳选择之   一^[1]。FRP筋是各向异性材料，只在加强纤维方向具有高抗拉强度。这种各向异性的特点与普通钢筋不 同，因此，当用FRP筋替代钢筋时，设计理念也不    同^[2]。FRP筋材料线弹性的特点和FRP筋混凝土柱的脆性破坏特征不符合地震荷载作用下依靠结构出现塑性铰来耗散能量的设计理论要求，但FRP筋混凝土柱只要未发生FRP筋拉断破坏，其变形恢复能力强于钢筋混凝土柱，震后修复比钢筋混凝土结构容易。国外一些学者对FRP筋混凝土结构的抗震性能进行了试验研究，如：Fukuyama等^[3]在水平低周反复力作用下对比例为1/2的3层、2跨的AFRP混凝土框架的性能进行了试验研究。试验框架高为3.6 m，宽为7 m，其中，AFRP纵筋的直径为11 mm，弹性模量为67 GPa。模型的滞回曲线表现为3个阶段，最后破坏时的变形量和水平力分别为构件开始出现混凝土压碎时的2.2倍和1.5倍。Saatcioglu等^[4]研究了5个长×宽×高为292 mm×350 mm×1 370 mm，纵筋为钢筋、箍筋为CFRP筋的混凝土柱的抗震性能，考察轴压比和体积配箍率对试件变形能力的影响，给出了层间侧移比大于0.25%的最小体积配箍率的要求。Mohammad^[5]研究了10个不同配箍率、不同长细比和不同轴压比的CFRP筋混凝土柱在低周反复荷载作用下的受力性能，用屈服弯矩法得出CFRP筋混凝土柱的名义屈服位移，以及CFRP筋混凝土柱的延性为1.5~5.4，并指出轴压比和体积配箍率是影响其变形能力的重要因素。但目前，研究者们均没提出适合FRP筋混凝土柱抗震性能的评价指标，不能较精确地评定其抗震能力。本文作者通过测试全CFRP筋增强混凝土柱及模拟震后修复的试验模型在侧向力作用下的变形全过程，研究其变形性能和承载力性能，了解其破坏特征，并通过理论分析，提出基于综合性能指标来评价CFRP筋混凝土柱的抗震性能，同时，给出其骨架曲线恢复力模型，以便为CFRP筋混凝土柱的抗震性能的评价提供参考。

1  试件设计与制作

对4个CFRP筋混凝土矩形柱进行拟静力试验，其中，试件ZC1在水平荷载下降到最大荷载的80%时停止加载，将压碎的混凝土凿除，用自密实混凝土进行灌实，待新浇筑混凝土达到设计强度后，用2层0.167 mm厚的碳纤维布对其进行包裹、加固处理。纵筋采用南京玻璃纤维研究院生产的直径为7.800 mm的CFRP筋，其实测极限抗拉强度σ_fu为2.044 GPa，极限抗压强度为0.624 GPa，受拉、受压的弹性模量分别为139.000 GPa和112.700 GPa。新型CFRP箍筋为南京海拓复合材料有限公司生产的截面为10 mm×2 mm的型材，其实测受拉弹性模量为140.500 GPa，抗拉强度为1.393 GPa。试验中分别考察轴压比和体积配箍率对抗震性能的影响及经模拟地震损伤并修复后的CFRP筋混凝土柱的抗震性能。试件参数如表1及图1所示。

表1  试验构件参数表

Table1  Parameters of test specimens

图1  试验构件详图

Fig.1  Structure of test specimens

在东南大学结构试验室进行试验，试验装置如图2所示。在试验过程中，为减少反力梁与液压千斤顶之间的摩擦，在两者的接触面采用四氟板和不锈钢板接触。试验加载时，首先，通过液压千斤顶施加竖向荷载至试件预定轴压力并保持恒定；然后，通过MTS系统进行加载控制。水平荷载采用位移控制。具体控制过程如下：(1) 试件开裂前，每级位移增量为0.25 mm，进行1次往复循环；(2) 试件开裂后，每级位移增量为1.00 mm，进行3次往复循环；(3) 在水平荷载出现下降后，取每级位移增量为2.00 mm，进行3次往复循环；(4) 当水平荷载下降到最大荷载的70%时，停止加载；加载制度如图3所示。在试验过程中，测试了CFRP筋(纵筋和箍筋)和混凝土的应变、柱顶水平荷载与水平位移之间的滞回曲线以及裂缝的开展情况。

图2  加载装置示意图

Fig.2  Schematic diagram of loading devices

2  试验现象和试验结果

2.1  试验现象

由于试件的轴压和体积配箍率不同，试验现象也不同。根据试验现象，CFRP筋混凝土柱试验过程大致可分为以下3个阶段：

第1阶段：在混凝土开裂前，以0.25 mm为每级位移加载增量。当水平位移加载至一定值时，柱根部首先开裂，出现水平裂缝。

第2阶段：继续加载，以1.00 mm为每级位移加载增量。在加载过程中，柱根部两侧的水平裂缝不断发展、延伸，且沿柱高从根部向上依次出现新的水平裂缝，当水平位移加载至一定值时，柱根部的混凝土出现局部压碎的现象。继续增加水平位移，水平荷载开始下降，骨架曲线开始出现下降段。

第3阶段：以2.00 mm为每级位移加载增量，水平荷载开始迅速下降，且在同一水平位移下的3次循环中，荷载逐渐变小。当水平荷载下降到最大值的70%时，停止加载。

试件破坏形式如图4所示，具体的试验结果如表2所示，其中，Δ_max为最大水平承载力下降80%时所对应的水平位移；l为柱长度。

图3  加载制度示意图

Fig.3  Schematic diagram of loading system

在试验过程中，CFRP筋混凝土柱表现出较强的变形能力；试件先后出现水平裂缝和斜裂缝，其破坏始于混凝土压碎，在混凝土严重压碎前，水平荷载随着水平位移的增加而逐渐增加；在破坏阶段，混凝土被严重压碎，水平荷载随着水平位移的增加而逐渐降低，在体积配箍率(试样ZC3)较低或轴压比(试样ZC2)较大时，CFRP纵筋可能发生受压断裂；CFRP箍筋在试验过程中保持完好，且箍筋间距越小，试件的变形能力越强，这表明CFRP箍筋能有效地约束混凝土和限制CFRP纵筋受压屈曲；在试件加载破坏后，只要CFRP筋保持完好，经过修复后仍能表现出较强的抗震能力。从表2所示试验结果可以看出，CFRP筋混凝土柱的最大水平力对应的位移Δ_u与柱长度l的比为1/50^[6](防止结构倒塌，层间位移角限值为1/50左右(对普通钢筋混凝土框架结构))，表明CFRP筋混凝土柱具有较强的变形能力。

图4  试件破坏形式

Fig.4  Specimen failure modes

2.2  试验结果分析

2.2.1  滞回曲线

图5所示为各个试件的柱顶水平荷载与相应位移的滞回曲线。从图5可知：CFRP筋混凝土柱的滞回曲线形状与一般钢筋混凝土结构的滞回曲线形状相类似，具有刚度退化现象；构件加载随变形的增加而逐步降低，当水平荷载达最大值后，混凝土压碎明显，随着水平位移的进一步增大，荷载下降幅度大，刚度退化严重。

表2  试验结果

Table 2  Test results

图5  试件的水平荷载与位移的滞回曲线

Fig.5  Hysteretic curves of specimens about level load versus displacement

图6所示为体积配箍率、轴压比对骨架曲线影响的对比结果。从图6和表1可知：构件的体积配箍率越大，其骨架曲线表现出的变形能力越强；构件开裂后，其刚度衰减的速度越慢，构件的极限荷载越大(即变形能力越强)；轴压比越小的构件，其骨架曲线表现出的变形能力越强；轴压比越大时，在达到水平荷载最大值前，刚度衰减小，在达到最大值后，刚度迅速衰减。从试件ZC4的骨架曲线可以看出，在地震荷载作用下只要CFRP筋未发生断裂破坏，震后经加固修复后的构件仍具有很强的变形能力。

图6  体积配箍率和轴压比对骨架曲线的影响

Fig.6  Influences of axial compression and volumetric ratio on skeleton curve

2.2.2  延性

根据文献[6]求出试件的延性系数，如表3所示(其中：Δ_y为水平屈服位移)。从表3可见：当按传统的延性系数定义求取CFRP筋混凝土柱延性时，得出其延性较差，且易造成体积配箍率越大，则延性越差，而轴压比越小，则延性越差的错觉。但从Δ_max/l可以看出CFRP筋混凝土柱有较好的变形能力，其体积配箍率越大，变形越大(试件ZC4)；轴压比越大，变形越小(试件ZC3)。这证明了可以通过约束混凝土以增强混凝土的延性来弥补CFRP筋混凝土柱延性不足的缺点，同时，还可提高CFRP筋混凝土柱的变形性能。

表3  试验构件的延性参数

Table 3   Ductility coefficient of specimens

Chiaw等^[7-9]的研究表明：FRP筋混凝土构件具有较大的变形能力，在破坏之前，其承载力保持增长，吸收了较大的能量。只要保证FRP筋混凝土构件满足设计位移控制的要求，并具有一定的保证率，就不会造成安全问题。由于FRP筋为线弹性材料，只要FRP筋不受损伤，在卸载后构件的变形就基本能够恢复。因此，传统的延性的指标不能全面合理地反映FRP筋混凝土结构的受力性能和变形性能^[10]，需要重新提出新的指标来表征FRP筋混凝土构件的受力性能和变形性能。

基于Mufti等^[11]提出的性能指标并在冯鹏等^[10]研究的基础上，采用如下的性能指标来反映CFRP筋混凝土柱的综合性能。

承载力系数：

变形系数：

综合性能系数：

式中：F_u为极限广义力(弯矩或剪力)；为极限广义变形(水平位移、曲率或转角)；F_c和Δ_c分别为混凝土柱受压区边缘压应变＝0.001时的广义力和广义变形。

表4所示为试件的综合性能指标。从表4可见：体积配箍率是影响各项性能指标的重要因素；以混凝土柱受压区边缘压应变＝0.001时为参考点计算得到的试验构件的变形系数为4.4~6.4，承载力系数为1.46~2.05，这表明CFRP筋混凝土柱具有较好的变形及承载力的安全储备，综合性能系数为6.42~15.41。

表4  试验构件的综合性能指标

Table 4  Integrated performance indexes of specimens

2.2.3  耗能及刚度退化

图7所示为试件试验全过程的等效阻尼系数与对应位移的关系曲线。从图7可见：CFRP筋混凝土柱的等效黏滞阻尼系数随着位移的增大变化较小，到加载后期，等效阻尼系数增大较小。这表明CFRP筋混凝土柱的耗能性能较差，部分试件后期等效阻尼系数增大是由于混凝土压碎发生了塑性变形，耗散了部分能量。

图7  等效黏滞阻尼系数与位移的关系

Fig.7  Relationship between equivalent viscous damping coefficients and displacement

图8所示为试件的承载力退化曲线。从图8可见：由于水平反复荷载的作用，构件的轴压比越大，承载力退化的越快(试样ZC3)；构件的体积配箍率越大，承载力退化的速度越慢(试样ZC4)。图9所示为试件的刚度退化曲线。从图9可见： CFRP筋混凝土柱的环线刚度随着位移的增加而逐渐降低；轴压比越大，刚度退化的速度越快。

图8  承载力退化曲线

Fig.8  Bearing capacity degradation curves

图9  刚度退化曲线

Fig.9  Stiffness degradation curves

3  骨架曲线分析

根据试验得到的骨架曲线特征，把CFRP筋混凝土柱的骨架曲线理想化为三段线性模型，如图10所示(其中：Δ为水平位移；p为水平荷载)。三段即弹性段、强化段和强度退化段，分别对应的特征点为：受压区边缘混凝土压应变ε_c＝0.001(A点)，构件的水平承载力达到最大值F_max(B点)，水平承载力下降到最大承载力的80%(C点)。根据三段线性模型的特征点，确定其恢复力模型。

图10  建议的恢复力模型

Fig.10  Restoring force model of suggestion

在弹性阶段的刚度K₁按文献[12]中的方法确  定。水平荷载F_A取受压区边缘混凝土压应变ε_c＝0.001时构件的水平荷载。计算B点的位移(Δ_B)时须考虑多种变形成分(弯曲、剪切和滑移)和二阶效应等因   素，理论计算较复杂，计算结果也存在较大的离散   性^[13-14]。因此，本文作者采用经验方法确定。得出的拟合公式如下：

 (n≤0.5)    (1)

式中：为A点水平位移；n为轴压比，当n＜0.25时，取n＝0.25。

水平荷载F_max取受压区边缘混凝土压应变ε_c＝0.003 3时构件的水平荷载。强度退化段刚度K₃与体积配箍率ρ_vf的拟合公式如下：

 (n≤0.5)        (2)

式中：n为轴压比，当n＜0.27时，取n＝0.27。

恢复力骨架曲线的计算值与试验值的比较结果如图11所示。从图11可知：本文作者提出的骨架曲线模型计算结果与试验结果较吻合。

Fig.11  Comparison of test results with calculated values on skeleton curve

4  结论

(1)  CFRP筋混凝土柱表现出较强的变形能力和承载能力。对于未发生CFRP筋断裂破坏的CFRP筋混凝土柱，损伤修复后仍具有很强的变形性能和承载能力。

(2) 轴压比和体积配箍率是影响CFRP筋混凝土柱抗震性能的重要因素。

(3) 传统的延性系数不能全面反映CFRP筋混凝土柱的抗震性能，综合性能指标能较好地反映轴压比和体积配箍率对CFRP筋混凝土柱抗震性能的影响。

(4) 采用本文提出的恢复力简化模型所得计算结果与试验结果较吻合。

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收稿日期：2009-09-10；修回日期：2009-12-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808039)

通信作者：龚永智(1978-)，男，湖南常德人，博士，讲师，从事混凝土结构研究；电话：0731-82656540；E-mail: gyzh@yahoo.cn

(编辑 刘华森)