论文部分内容阅读
摘要：以一榀框架结构为原型，对达到极限承载力的钢筋混凝框架进行了AFRP加固，对加固后的框架结构模拟地震作用的水平低周反复荷载实验，分析比较了混凝土框架结构及该框架结构破坏后的经芳纶纤维补强加固后的框架结构受力性能、裂缝发展、破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、位移延性及残余变形，研究芳纶纤维加固已严重受损的混凝土框架结构的抗震性能。基于实验研究和理论分析结果表明，AFRP芳纶纤维补强加固震后严重受损框架结构后，其极限承载能力、耗能能力及延性等抗震性能有明显提高。
关键词：AFRP芳纶纤维加固；损伤框架结构；抗震性能；滞回性能；延性；耗能
芳纶纤维（AFRP）作为一种新型的加固材料，近年来被越来越多的应用到结构加固和修补领域，它是FRP大家族中的一员，但其特点是有较强的抗拉强度、抗冲击性和可塑性，且施工工艺简单更利于被应用到房屋、桥梁等建筑结构的加固中，具有很好的发展前景。目前，已进行的AFRP～JIJ固研究并不多，已有的主要是针对AFRP加固简支梁、柱、板等单个构件及节点的受力性能，也得出了一些抗弯、抗剪的理论计算公式，但是对于芳纶纤维加固混凝土结构整体抗震性能研究的则较少，仅有个别研究者进行了少量的碳纤维材料加固混凝土整体框架的实验。本次研究针对一榀框架结构，分别研究其抗震性能及该框架破坏后经AFRP加固后框架的抗震性能，为震后严重受损框架加固后的抗震性能提供理论依据。
1试验概况
1.1试件设计
采用1：3缩尺比例模型，设计制作框架试验试件，编号为KJ-1，试件模型及配筋图如图1所示，经模拟地震作用的水平低周反复荷载试验，已达到最大承载力，形成机构体系。其裂缝分布如图2所示，其中柱端最大裂缝宽度达3mm。
1.2加载方案设计
本试验加载装置如图3所示，采用力一位移混合控制的加载方法，先以力控制进行加载，屈服后改用位移控制，采用底部剪力法计算各级多遇地震作用和罕遇水平地震作用作为试验加载的依据。不同烈度下多遇及罕遇地震的等效荷载如表l所示。
1.3加固方案设计
先将图1的KJ-1进行模拟地震作用的水平低周反复载荷试验，然后对图2达到极限荷载后严重损伤的框架用芳纶纤维复合材料补强加固（加固后的框架命名为KJ-G1）。结合施工工艺的要求，进行如下操作：
（1）梁：顶部粘贴长800，宽50mm的AFRP一层，弯剪区粘贴宽100@100mm的U型箍，开裂处及加载点处粘贴至少两个U型箍；
（2）柱：两端粘贴宽100@100mm的环形箍三道，两端的内外侧延竖向粘贴长600宽120mm的AFRP，柱脚两侧基座上分别粘贴一道宽100mm的U型箍以防止芳纶纤维布在柱底剥离；
（3）节点：水平方向粘贴400×50mm的AFRP，水平方向粘贴300×50mm的AFRP，形成十字形芳纶纤维加强区域，同时梁外伸的两端加宽100mm的U型箍以防止AFRP与梁剥离。
2试验结果及分析
2.1试验现象
2.1.1KJ-1试验现象
首先施加梁上配重及柱子竖向荷载，在荷载保持不变的情况下，KJ-1未开裂，然后施加水平反复荷载，当加至2KN时，框架仍然处于弹性变形阶段，加载至5.5KN时，梁端上部首次出现裂缝，编号为①，宽度为0.046mm，此时荷载已经达到8°多遇地震作用水平，开裂荷载为5.5KN。继续加载，不断出现新裂缝，由于反复荷载的作用，当加载至13KN时，左柱下端钢筋达到理论屈服极限，此时屈服荷载已超过9°多遇地震作用，根据数据采集仪显示的钢筋应变达到极限应变时，所对应的屈服位移△y为6.Smm。
之后进入加载第二阶段——位移控制，当位移控制为Ay时，右柱端部出现数条细小裂缝；继续加至2Ay，荷载达到34.6KN，达到8°罕遇地震标准，柱子节点、底部等处出现多条细小裂缝，原有裂缝逐渐发展成绕柱子的通缝；当位移控制為3△y时，荷载达到了44.5KN，此时荷载接近9级罕遇地震，裂缝②及⑦都开裂至lmm左右，继续就加到5Ay，荷载达到56KN，已超过9。罕遇地震作用，裂缝⑥⑧②开裂至2mm左右，但KJ-Q1并未完全破坏，因此继续增加位移和荷载，位移到7△y时，左柱顶端裂缝宽度达到3mm，继续施加位移控制，最大荷载降至40KN，框架承载力相比于上一级荷载下降了16%以上，达到极限承载力状态。
2.1.2KJ-Q1试验现象
将破坏后的KJ-1按上述加固方案进行AFRP加固，再进行模拟地震作用试验，由2KN的水平荷载开始加载，直到7KN开始在柱端发生原裂缝开裂，宽度不足0.1mm，随着荷载加大至18KN，左柱节点产生最大裂缝，接近0.3mm，以钢筋屈服时柱顶的最大位移Ay来进行位移控制加载，当加至7△y，极限荷载达到58KN，右柱柱底裂缝扩大到3.5mm，再施加方向位移控制-7△y，柱底端的AFRP起鼓，柱侧面及节点芳纶纤维布剥离，试件达到最大承载力，之后进入下降阶段，某一时刻，试件破坏。
2.2试验结果分析
2.2.1KJ-1抗震性能分析
（1）滞回曲线。
如图5所示：滞回曲线在试件开裂之前几乎呈直线，弹性变形能充分恢复，混凝土中的粘性物质对变形恢复影响小。随着试件开裂，滞回曲线的位移轴转向，位移增加幅度加大，荷载增长率下降，从图上看出滞回面积在钢筋屈服后逐渐增加，是因为构件具有一定的耗能能力。
（2）骨架曲线。
骨架曲线是由滞回曲线每环的峰值描点而得，在一象限为上升段，三象限为下降段。如图所示，开裂前，试件的骨架曲线呈较陡的线性，试件经历初始的弹性工作阶段到开裂后的弹塑性阶段，曲线斜率有减小，但是转折点不明显，位移增加比荷载增长更快，刚度退化明显。曲线到达极限荷载后开始下降，曲线的开裂转折点、屈服转折点和极限荷载分别为5.8、16、46KN，呈单调趋势。 2.2.2KJ-Q1抗震性能分析
（1）滞回曲線。
如图7所示：从开始加载到隶钢筋屈服，荷载一位移曲线从弹性直线逐渐变成曲线，位移增长幅度高于荷载增长，滞回环面积从开始的较小到后面增大，循环次数增多，说明芳纶纤维AFRP加固严重受损的框架后，仍使得框架具有较好的抗震性能和耗能能力。
（2）骨架曲线。
同样，由滞回曲线的峰值绘制而成。如图所示：开裂前，曲线呈陡线性。开裂后，曲线斜率减小，出现第一个转折点。钢筋屈服后，斜率继续减小，出现第二个转折点，且位移增长快于荷载增长，说明刚度有一定退化，达到荷载极限后，承载力下降，曲线下降，刚度进一步退化：但是试件达到荷载极限后，开始缓慢下降，当下载到极限荷载的85%时，试件仍具有一定的变形能力，说明试件延性良好。
2.2.3芳纶纤维布的滞回曲线分析
（1）柱底。
如图所示：钢筋屈服前，柱底纵向芳纶纤维布应变不大，屈服后，改为由位移控制加载，随着加载位移幅值的增加、循环次数的增多，AFRP的应变也加快增加，说明芳纶纤维布粘结性能良好。由于AFRP为弹性材料，只要在极限拉应变之前，卸载后应变都是可以恢复的。试件破坏时，AFRP布也未被剥离。
（2）节点。
如图所示：不管是正向还是反向加载，节点处的AFRP始终处于受拉状态，钢筋屈服后，滞回曲线面积明显增大，说明在节点处芳纶纤维布具有较好的抗震作用和耗能能力。
2.2.4地震残余变形
这里对加固后的钢筋混凝土框架进行地震残余变形的分析和计算，对于准确分析结构的残余应变对于震后结构性能的评估和控制具有重要意义。这里的单层框架结构看做单自由度体系，利用前面试验得到的滞回特性、屈服后的刚度以及最大弹塑性变形等结果运用弹塑性地震响应的统计分析方法进行分析。由于实际结构的残余变形理论值很大程度上取决于最大弹塑性变形（或位移延性系数）的大小，由于采用芳纶纤维加固后的框架基本处于弹性变形阶段，有较好的的刚度和弹塑性，提高了刚度，因此残余变形的值大大减少。
3结论
（1）总的来说，对于钢筋混凝土框架结构来说，在模拟地震反复作用后，柱的两端和节点处破坏比较严重，有裂缝多且发展剧烈，因此这些部位应重点考虑加固。
（2）对未加固的框架KJ-1进行抗震试验，其滞回曲线表明钢筋屈服以后，滞回环的面积增大较明显，但仅靠钢筋的延性和框架的整体性来抵抗地震，后劲不足。而加固后的框架KJ-Q1的滞回曲线明显增大且比KJ-1饱满，说明芳纶纤维补强加固钢筋混凝土框架后明显提高了耗能能力和延性。
（3）相对于柱段，节点处的芳纶纤维布作用发挥更明显，在正反向荷载作用下，均处于受拉状态，能充分发挥材料的抗拉性能，具有较好的延性和耗能能力。
（4）AFRP芳纶纤维布加固地震后破坏严重的钢筋混凝土框架，其极限承载能力、耗能性及延性等抗震性能均得到较大提高，且其抗震性比一般的CFRP等加固后的混凝土结构更高，这也是芳纶纤维的一个突出优势。
关键词：AFRP芳纶纤维加固；损伤框架结构；抗震性能；滞回性能；延性；耗能
芳纶纤维（AFRP）作为一种新型的加固材料，近年来被越来越多的应用到结构加固和修补领域，它是FRP大家族中的一员，但其特点是有较强的抗拉强度、抗冲击性和可塑性，且施工工艺简单更利于被应用到房屋、桥梁等建筑结构的加固中，具有很好的发展前景。目前，已进行的AFRP～JIJ固研究并不多，已有的主要是针对AFRP加固简支梁、柱、板等单个构件及节点的受力性能，也得出了一些抗弯、抗剪的理论计算公式，但是对于芳纶纤维加固混凝土结构整体抗震性能研究的则较少，仅有个别研究者进行了少量的碳纤维材料加固混凝土整体框架的实验。本次研究针对一榀框架结构，分别研究其抗震性能及该框架破坏后经AFRP加固后框架的抗震性能，为震后严重受损框架加固后的抗震性能提供理论依据。
1试验概况
1.1试件设计
采用1：3缩尺比例模型，设计制作框架试验试件，编号为KJ-1，试件模型及配筋图如图1所示，经模拟地震作用的水平低周反复荷载试验，已达到最大承载力，形成机构体系。其裂缝分布如图2所示，其中柱端最大裂缝宽度达3mm。
1.2加载方案设计
本试验加载装置如图3所示，采用力一位移混合控制的加载方法，先以力控制进行加载，屈服后改用位移控制，采用底部剪力法计算各级多遇地震作用和罕遇水平地震作用作为试验加载的依据。不同烈度下多遇及罕遇地震的等效荷载如表l所示。
1.3加固方案设计
先将图1的KJ-1进行模拟地震作用的水平低周反复载荷试验，然后对图2达到极限荷载后严重损伤的框架用芳纶纤维复合材料补强加固（加固后的框架命名为KJ-G1）。结合施工工艺的要求，进行如下操作：
（1）梁：顶部粘贴长800，宽50mm的AFRP一层，弯剪区粘贴宽100@100mm的U型箍，开裂处及加载点处粘贴至少两个U型箍；
（2）柱：两端粘贴宽100@100mm的环形箍三道，两端的内外侧延竖向粘贴长600宽120mm的AFRP，柱脚两侧基座上分别粘贴一道宽100mm的U型箍以防止芳纶纤维布在柱底剥离；
（3）节点：水平方向粘贴400×50mm的AFRP，水平方向粘贴300×50mm的AFRP，形成十字形芳纶纤维加强区域，同时梁外伸的两端加宽100mm的U型箍以防止AFRP与梁剥离。
2试验结果及分析
2.1试验现象
2.1.1KJ-1试验现象
首先施加梁上配重及柱子竖向荷载，在荷载保持不变的情况下，KJ-1未开裂，然后施加水平反复荷载，当加至2KN时，框架仍然处于弹性变形阶段，加载至5.5KN时，梁端上部首次出现裂缝，编号为①，宽度为0.046mm，此时荷载已经达到8°多遇地震作用水平，开裂荷载为5.5KN。继续加载，不断出现新裂缝，由于反复荷载的作用，当加载至13KN时，左柱下端钢筋达到理论屈服极限，此时屈服荷载已超过9°多遇地震作用，根据数据采集仪显示的钢筋应变达到极限应变时，所对应的屈服位移△y为6.Smm。
之后进入加载第二阶段——位移控制，当位移控制为Ay时，右柱端部出现数条细小裂缝；继续加至2Ay，荷载达到34.6KN，达到8°罕遇地震标准，柱子节点、底部等处出现多条细小裂缝，原有裂缝逐渐发展成绕柱子的通缝；当位移控制為3△y时，荷载达到了44.5KN，此时荷载接近9级罕遇地震，裂缝②及⑦都开裂至lmm左右，继续就加到5Ay，荷载达到56KN，已超过9。罕遇地震作用，裂缝⑥⑧②开裂至2mm左右，但KJ-Q1并未完全破坏，因此继续增加位移和荷载，位移到7△y时，左柱顶端裂缝宽度达到3mm，继续施加位移控制，最大荷载降至40KN，框架承载力相比于上一级荷载下降了16%以上，达到极限承载力状态。
2.1.2KJ-Q1试验现象
将破坏后的KJ-1按上述加固方案进行AFRP加固，再进行模拟地震作用试验，由2KN的水平荷载开始加载，直到7KN开始在柱端发生原裂缝开裂，宽度不足0.1mm，随着荷载加大至18KN，左柱节点产生最大裂缝，接近0.3mm，以钢筋屈服时柱顶的最大位移Ay来进行位移控制加载，当加至7△y，极限荷载达到58KN，右柱柱底裂缝扩大到3.5mm，再施加方向位移控制-7△y，柱底端的AFRP起鼓，柱侧面及节点芳纶纤维布剥离，试件达到最大承载力，之后进入下降阶段，某一时刻，试件破坏。
2.2试验结果分析
2.2.1KJ-1抗震性能分析
（1）滞回曲线。
如图5所示：滞回曲线在试件开裂之前几乎呈直线，弹性变形能充分恢复，混凝土中的粘性物质对变形恢复影响小。随着试件开裂，滞回曲线的位移轴转向，位移增加幅度加大，荷载增长率下降，从图上看出滞回面积在钢筋屈服后逐渐增加，是因为构件具有一定的耗能能力。
（2）骨架曲线。
骨架曲线是由滞回曲线每环的峰值描点而得，在一象限为上升段，三象限为下降段。如图所示，开裂前，试件的骨架曲线呈较陡的线性，试件经历初始的弹性工作阶段到开裂后的弹塑性阶段，曲线斜率有减小，但是转折点不明显，位移增加比荷载增长更快，刚度退化明显。曲线到达极限荷载后开始下降，曲线的开裂转折点、屈服转折点和极限荷载分别为5.8、16、46KN，呈单调趋势。 2.2.2KJ-Q1抗震性能分析
（1）滞回曲線。
如图7所示：从开始加载到隶钢筋屈服，荷载一位移曲线从弹性直线逐渐变成曲线，位移增长幅度高于荷载增长，滞回环面积从开始的较小到后面增大，循环次数增多，说明芳纶纤维AFRP加固严重受损的框架后，仍使得框架具有较好的抗震性能和耗能能力。
（2）骨架曲线。
同样，由滞回曲线的峰值绘制而成。如图所示：开裂前，曲线呈陡线性。开裂后，曲线斜率减小，出现第一个转折点。钢筋屈服后，斜率继续减小，出现第二个转折点，且位移增长快于荷载增长，说明刚度有一定退化，达到荷载极限后，承载力下降，曲线下降，刚度进一步退化：但是试件达到荷载极限后，开始缓慢下降，当下载到极限荷载的85%时，试件仍具有一定的变形能力，说明试件延性良好。
2.2.3芳纶纤维布的滞回曲线分析
（1）柱底。
如图所示：钢筋屈服前，柱底纵向芳纶纤维布应变不大，屈服后，改为由位移控制加载，随着加载位移幅值的增加、循环次数的增多，AFRP的应变也加快增加，说明芳纶纤维布粘结性能良好。由于AFRP为弹性材料，只要在极限拉应变之前，卸载后应变都是可以恢复的。试件破坏时，AFRP布也未被剥离。
（2）节点。
如图所示：不管是正向还是反向加载，节点处的AFRP始终处于受拉状态，钢筋屈服后，滞回曲线面积明显增大，说明在节点处芳纶纤维布具有较好的抗震作用和耗能能力。
2.2.4地震残余变形
这里对加固后的钢筋混凝土框架进行地震残余变形的分析和计算，对于准确分析结构的残余应变对于震后结构性能的评估和控制具有重要意义。这里的单层框架结构看做单自由度体系，利用前面试验得到的滞回特性、屈服后的刚度以及最大弹塑性变形等结果运用弹塑性地震响应的统计分析方法进行分析。由于实际结构的残余变形理论值很大程度上取决于最大弹塑性变形（或位移延性系数）的大小，由于采用芳纶纤维加固后的框架基本处于弹性变形阶段，有较好的的刚度和弹塑性，提高了刚度，因此残余变形的值大大减少。
3结论
（1）总的来说，对于钢筋混凝土框架结构来说，在模拟地震反复作用后，柱的两端和节点处破坏比较严重，有裂缝多且发展剧烈，因此这些部位应重点考虑加固。
（2）对未加固的框架KJ-1进行抗震试验，其滞回曲线表明钢筋屈服以后，滞回环的面积增大较明显，但仅靠钢筋的延性和框架的整体性来抵抗地震，后劲不足。而加固后的框架KJ-Q1的滞回曲线明显增大且比KJ-1饱满，说明芳纶纤维补强加固钢筋混凝土框架后明显提高了耗能能力和延性。
（3）相对于柱段，节点处的芳纶纤维布作用发挥更明显，在正反向荷载作用下，均处于受拉状态，能充分发挥材料的抗拉性能，具有较好的延性和耗能能力。
（4）AFRP芳纶纤维布加固地震后破坏严重的钢筋混凝土框架，其极限承载能力、耗能性及延性等抗震性能均得到较大提高，且其抗震性比一般的CFRP等加固后的混凝土结构更高，这也是芳纶纤维的一个突出优势。