許成祥，楊　炳，盧夢瀟，查昕峰

(1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北荊州434023; 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北武漢430065)

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震損方鋼管混凝土柱加固方法對比試驗(yàn)研究

許成祥1,2，楊炳1，盧夢瀟1，查昕峰1

(1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北荊州434023; 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北武漢430065)

摘要：為了研究不同地震損傷程度下方鋼管混凝土柱修復(fù)加固后的抗震性能，進(jìn)行了7根柱的模擬地震加載、損傷修復(fù)加固和加固后的低周往復(fù)荷載破壞試驗(yàn)，研究了外包鋼套和碳纖維布兩種修復(fù)加固方法以及不同地震損傷程度對加固效果的影響。對比了兩種方法的加固效果，并分析相應(yīng)的加固機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過外包鋼套合理、可靠的加固柱的承載力和剛度有了顯著提高，其抗震性能得到極大的改善；碳纖維布加固對承載力影響不明顯，但改善了柱的延性，抗震性能得到了明顯提高；在一定損傷程度下，加固柱恢復(fù)甚至超過受損前的抗震性能。對于方鋼管混凝土柱來說，無論從極限承載力、延性、耗能能力及承載力和剛度退化來看，采用外包鋼套、碳纖維布加固均是一種有效的抗震加固方法，就加固效果而言，外包鋼套加固效果更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：方鋼管混凝土柱；外包鋼套；碳纖維布；加固；地震損傷；抗震性能

0引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因有優(yōu)異的抗震性能，目前在抗震設(shè)防區(qū)及高層超高層建筑中應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。地震損傷修復(fù)加固是指震后屬于“可修復(fù)”范疇的建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)加固補(bǔ)強(qiáng)后需達(dá)到“損傷修復(fù)”和“抗震性能增強(qiáng)”的效果。現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，GB50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》、CECS77:96《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》及《地震災(zāi)后建筑鑒定與加固技術(shù)指南》已對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的抗震鑒定與加固問題做出了相應(yīng)的規(guī)定和指導(dǎo)，但尚未有規(guī)范提及關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震鑒定和加固問題。

鋼管混凝土抗震加固方法多借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。外包鋼套法由傳統(tǒng)的外包鋼法改良而成。陸洲導(dǎo)[3]、張克純[4]、殷杰[5]等曾運(yùn)用外包鋼套法加固鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)及框架結(jié)構(gòu)，并取得了較好的加固效果。碳纖維布具有出色的力學(xué)性能和便捷的施工性能，已被廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固中。國外學(xué)者對碳纖維布加固地震損傷后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究[6-8]，鄭云[9]、韋江萍[10]、李俊杰[11]、曹靖[12]等對纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。目前，關(guān)于震損鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的加固研究[13]較少，不同損傷程度對外包鋼套、碳纖維布加固方鋼管混凝土柱的抗震性能的影響未見報(bào)道。

本文作者擬對方鋼管混凝土柱進(jìn)行模擬地震加載、地震損傷修復(fù)加固和加固后的低周往復(fù)荷載破壞試驗(yàn)，分析外包鋼套和碳纖維布兩種方法加固不同地震損傷程度柱的承載力、極限位移、延性和耗能能力，研究加固后的抗震性能，檢驗(yàn)基于外包鋼套、碳纖維布加固震損方鋼管混凝土柱的可靠性和有效性，并比較兩種方法的加固效果，分析兩種加固方法的適用性，以期為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震鑒定與加固技術(shù)規(guī)程提供依據(jù)，并供工程實(shí)際參考。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)與材料力學(xué)性能

本文選取方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)底層框架柱反彎點(diǎn)以下部分為研究對象，基于現(xiàn)行規(guī)范，同批次制作7根方鋼管混凝土柱模型，驗(yàn)算滿足“強(qiáng)剪弱彎”要求。柱選用截面尺寸200 mm×4 mm的方鋼管，采用“外露式”柱腳，底板、鋼管和加勁肋板相互熔透焊接形成一個(gè)整體，柱頂焊10 mm厚鋼板，管內(nèi)裝填C40商品混凝土，測得混凝土立方體平均抗壓強(qiáng)度39.2 N/mm2。柱的有效高度為1 120 mm，試件構(gòu)造示意圖見圖1。試件模型編號分別為FC-0～ FC-6，施加在柱頂?shù)暮奢d為500 kN，試驗(yàn)軸壓比為0.4，柱截面含鋼率ρa(bǔ)為0.085，鋼材力學(xué)性能實(shí)測值見文獻(xiàn)[2]。

1.2試驗(yàn)加載裝置和加載制度

試驗(yàn)加載裝置見圖2。試驗(yàn)時(shí)，試件用高強(qiáng)螺栓與底座相連，用地錨螺栓將底座固定在剛性地面。加載全過程采用位移控制，直至試件破壞才停止加載。規(guī)定作動(dòng)器那側(cè)為試件的后側(cè)，相對側(cè)即為前側(cè)，作動(dòng)器的左右兩側(cè)即為試件的左右側(cè)[2]。

試件測試主要內(nèi)容：通過柱根部潛在塑性鉸區(qū)域粘貼應(yīng)變片測量鋼管應(yīng)變和碳纖維布應(yīng)變，柱頂設(shè)置位移計(jì)測得柱頂水平位移。應(yīng)變片布置見文獻(xiàn)[2]。

圖1構(gòu)件構(gòu)造示意圖

Fig.1Schematic diagram of test specimens

圖2試驗(yàn)加載裝置

Fig.2Loading device

1.3預(yù)損方法及加固設(shè)計(jì)

試件預(yù)損即為模擬遭遇多遇地震作用框架柱的地震損傷。本文通過作動(dòng)器在柱頂施加不同位移量來實(shí)現(xiàn)不同程度地震損傷。

試驗(yàn)共有7根試件，其中，試件FC-0為原型對比試件，直接進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。試件FC-1、FC-4未預(yù)損分別用外包鋼套、碳纖維布加固后再加載至破壞，作為未損對比試件。試件FC-2、FC-3分別預(yù)損18 mm、27 mm以模擬中震、大震時(shí)的中度、重度損傷，再用外包鋼套加固，最后加載至破壞。同樣，試件FC-5、FC-6也分別預(yù)損18 mm、27 mm，再用碳纖維布加固，最后加載至破壞。表1列出各試件的試驗(yàn)參數(shù)。

表1　各試件加固方法

碳纖維布加固設(shè)計(jì)參照《碳纖維布片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146：2003)及《碳纖維加固規(guī)程》，在柱加勁肋板頂端處再向上 500 mm的范圍內(nèi)環(huán)箍2層碳纖維布，每層碳纖維布粘貼時(shí)搭接長度為120 mm。碳纖維布力學(xué)性能見文獻(xiàn)[1]，加固示意圖見圖3。

外包鋼套的加固方法見文獻(xiàn)[2]，加固示意圖見圖4。

圖3柱碳纖維布加固示意圖

Fig.3Diagram of column specimen

strengthened by CFRP sheets

(a) 前(后)側(cè)加固 (b)左(右)側(cè)加固

圖4外包鋼套加固示意圖

Fig.4Diagram of enveloped steel strengthened column

2試驗(yàn)過程及破壞形態(tài)

各試件的儀器布置和加載裝置都相同，首先施加豎向荷載，待各儀器正常工作后，再進(jìn)行水平加載。

試件FC-0未加固，直接加載至破壞。試件根部首先在荷載作用平面內(nèi)發(fā)生微小鼓曲，反向加載，鼓曲被拉平且相對側(cè)也出現(xiàn)微小鼓曲。前、后側(cè)鼓曲部位在加載初期能恢復(fù)成平面，隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，前、后側(cè)鼓曲程度和范圍逐漸加大，卸載后存在較大殘余變形，繼而轉(zhuǎn)向試件左、右側(cè)鼓曲，柱轉(zhuǎn)角處漆皮產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，加載后期出現(xiàn)混凝土碎裂聲。

試件FC-1直接用外包鋼套加固，F(xiàn)C-2、FC-3分別預(yù)損18 mm和27 mm，卸載后經(jīng)外包鋼套加固，最后都進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。其宏觀破壞過程大致相似，試件根部首先在荷載作用平面內(nèi)產(chǎn)生鼓曲，反向加載時(shí)鼓曲可以恢復(fù)，同時(shí)在相對側(cè)也出現(xiàn)鼓曲。持續(xù)加載，前、后側(cè)鼓曲有加大趨勢，但過程發(fā)展極為緩慢。加載后期，鼓曲轉(zhuǎn)向試件左、右側(cè)，轉(zhuǎn)角處漆皮出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，能聽到較為明顯的混凝土碎裂聲。需要注意的是，重?fù)p加固試件FC-3因在整個(gè)加載過程中循環(huán)加載次數(shù)少于試件FC-1、FC-2，故試件根部左、右側(cè)的鋼套未見明顯鼓曲。

試件FC-4直接用碳纖維布加固，F(xiàn)C-5、FC-6分別預(yù)損18mm和27mm，卸載后經(jīng)碳纖維布加固，最后都進(jìn)行破壞加載試驗(yàn)。其宏觀破壞過程較為相似，試件根部先在荷載作用平面內(nèi)出現(xiàn)鼓曲，同時(shí)碳纖維布出現(xiàn)褶皺。反向加載則鼓曲能恢復(fù)，且褶皺消失，伴隨著膠體脆裂聲。持續(xù)加載，試件前、后側(cè)鼓曲加大，脆裂聲更加密集，柱轉(zhuǎn)角處碳纖維布出現(xiàn)裂縫。然后試件的左、右側(cè)開始起鼓，同時(shí)轉(zhuǎn)角處碳纖維布裂縫進(jìn)一步向上、下兩側(cè)延伸，直至轉(zhuǎn)角處碳纖維布完全斷裂，出現(xiàn)剝離，但試件仍能持續(xù)承載。直至相對側(cè)轉(zhuǎn)角處碳纖維布也出現(xiàn)斷裂剝離現(xiàn)象，試件才宣告破壞。

各試件破壞形態(tài)見圖5，所有試件都表現(xiàn)出壓彎破壞，滿足“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)防目標(biāo)，是較為理想的破壞形態(tài)，表明外包鋼套和碳纖維布加固震損方鋼管混凝土柱具有可行性。將試件FC-5破壞后鼓曲部位碳纖維布完全剝離，見圖5(f)，可以發(fā)現(xiàn)試件四側(cè)鼓曲程度相差不大，而試件FC-0表現(xiàn)為試件前后側(cè)鼓曲程度較大，左右側(cè)鼓曲程度較輕微，說明碳纖維布加固能充分發(fā)揮柱的剪切彈塑性變形，使得柱的抗彎和抗剪能力能較好匹配，這對試件的綜合耗能有益。而外包鋼套加固后，柱的抗彎能力提高的同時(shí)，其抗剪能力也有所提高，故其破壞形態(tài)和試件FC-0相似，但試件左右側(cè)鼓曲更輕微。

圖5　試件破壞形態(tài)

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1滯回曲線

實(shí)測各試件FC-0～FC-6在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線如圖6所示。從圖6可以看出：

①在各試件屈服之前，處于彈性工作階段，循環(huán)加載一次形成的滯回曲線包圍面積較小，荷載與位移基本呈線性變化，在加載、卸載過程中，剛度基本不退化，殘余應(yīng)變極小，且無明顯殘余變形。彈塑性工作階段時(shí)，試件根部出現(xiàn)鼓曲后，隨著加載位移幅值加大及循環(huán)次數(shù)上升，試件進(jìn)入非線性狀態(tài)，荷載與位移不再呈線性變化，且卸載后存在較大殘余變形。塑性工作階段，滯回曲線逐漸倒向位移軸，形成的滯回曲線越來越飽滿，耗能加大，且塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力逐漸加強(qiáng)。

②外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的承載力較試件FC-0的有顯著提高，達(dá)到極限荷載后，同級加載位移幅值下，承載力出現(xiàn)不同程度退化現(xiàn)象，但下降幅度較小，反映出經(jīng)外包鋼套加固后試件具有較好的延性。

③碳纖維布加固試件FC-4～FC-6的承載力較試件FC-0提高不明顯，但增加了試件破壞前的循環(huán)次數(shù)，改善了試件的延性，滯回曲線十分飽滿。因此，碳纖維布加固提高了試件的抗震能力。值得注意的是，加固試件FC-4～FC-6在加載前期，滯回環(huán)呈現(xiàn)出較為飽滿的梭形，但在加載后期，滯回環(huán)均出現(xiàn)不同程度捏攏現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的原因在于：①加載后期碳纖維布逐漸被拉斷，從而開始喪失約束能力，鋼管與碳纖維布之間有一定的滑移；②鋼管內(nèi)部分核心混凝土已被壓碎，鋼管與混凝土之間出現(xiàn)較大滑移。

④比較未損加固試件FC-1與中度損傷加固試件FC-2、未損加固試件FC-4與中度損傷加固試件FC-5，其滯回曲線相差不大，尤其試件FC-4、FC-5差別更小，從而反映出經(jīng)外包鋼套、碳纖維布加固后柱的抗震性能基本接近未損直接加固柱的抗震性能。說明外包鋼套、碳纖維布對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷修復(fù)具有較好的效果。

(a) FC-0

(b) FC-1

(c) FC-2

(d) FC-3

(e) FC-4

(f) FC-5

(g) FC-6

3.2骨架曲線

圖7　各試件骨架曲線Fig.7　Skeleton curves of specimens

將滯回曲線每級循環(huán)峰值點(diǎn)相連可得骨架曲線,可以直觀明了地反映結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形等性能。骨架曲線如圖7所示。可見：

①外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的承載力較試件FC-0有顯著提高，預(yù)損程度越小，提高程度越大，且外包鋼套加固可以明顯提高試件的初始剛度。

②與試件FC-0相比，碳纖維布加固試件FC-4～FC-6的初始剛度與之相差不大，說明碳纖維布加固對試件的初始剛度基本無貢獻(xiàn)。加固試件的極限承載力較試件FC-0有一定程度提高，但提高不明顯。尤其試件FC-4、FC-5的骨架曲線有較長、較平緩的水平段，且極限承載力相差不大，而重?fù)p試件FC-6基本與試件FC-0骨架曲線重合，表明碳纖維布加固未損、中損結(jié)構(gòu)效果最好，能使其具有更好的延性和耗能能力。

③比較試件FC-1～FC-3和試件FC-4～FC-6可知，外包鋼套加固未損、中損結(jié)構(gòu)的抗震性能均要優(yōu)于碳纖維布加固不同損傷程度的結(jié)構(gòu)，而外包鋼套加固重?fù)p結(jié)構(gòu)的抗震性能也要比碳纖維布加固重?fù)p結(jié)構(gòu)的更好。

④外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的骨架曲線完全覆蓋試件FC-0，碳纖維布加固試件FC-4～FC-6的骨架曲線除試件FC-6外基本與試件FC-0重合外，其余均在試件FC-0上方。說明外包鋼套加固不同損傷程度方鋼管混凝土柱能超過受損前的抗震性能，碳纖維布加固柱可以恢復(fù)甚至超過受損前的抗震性能?？傊獍撎?、碳纖維布均是一種非常有效的抗震加固方法。

3.3加固試件抗震性能評價(jià)

根據(jù)骨架曲線，得出屈服位移Δy，Pmax、Δmax分別為極限荷載及其對應(yīng)的位移，求得試件的位移延性系數(shù)μ(85%極限荷載對應(yīng)的位移Δu與屈服位移Δy的比值)。位移角即為柱頂點(diǎn)位移與柱的有效高度的比值。試驗(yàn)結(jié)果對比見表2。從表2可知：

①所有試件屈服時(shí)的頂點(diǎn)位移角為1/97～1/80，極限荷載時(shí)的極限位移角為1/33～1/41，極限位移角為1/24～1/17，顯示了加固柱都有良好的延性變形能力，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

②外包鋼套加固試件FC-1、FC-2和FC-3的極限荷載比試件FC-0分別提高了54.89%、43.64%和27.62%，延性系數(shù)也分別提高16.88%、14.86%和4.53%。碳纖維布加固試件FC-4、FC-5和FC-6極限荷載比試件FC-0分別提高了10.19%、2.55%和-2.34%，延性系數(shù)分別提高16.12%、12.09%和2.77%。預(yù)損程度對外包鋼套、碳纖維布加固柱的極限承載力和延性影響較為明顯，預(yù)損越小，則極限承載力和延性的提高程度越大。

③外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的極限位移角為1/33，說明外包鋼套法加固受損結(jié)構(gòu)能恢復(fù)其抗倒塌能力。碳纖維布加固試件FC-4、FC-5、FC-6的位移角分別為1/30、1/33和1/41，說明碳纖維布加固未損結(jié)構(gòu)能提高其抗倒塌能力，而加固中損結(jié)構(gòu)能恢復(fù)其抗倒塌能力，但加固重?fù)p結(jié)構(gòu)后其抗倒塌能力不能恢復(fù)到未損前水平。

表2　試件數(shù)據(jù)比較

為更好體現(xiàn)出試件的損傷進(jìn)程，根據(jù)各試件的實(shí)測滯回曲線計(jì)算得出各試件在各階段的等效黏滯阻尼系數(shù)he、能力耗散系數(shù)E及總耗能Ep。試件在不同階段的耗能見表3。

從表3可以看出，總耗能隨著加載位移的增加而逐漸加大，反映在試件上就是柱根部塑性鉸的不斷發(fā)展。屈服階段時(shí)，加固試件總耗能和試件FC-0耗能相差不大，這是因?yàn)榧庸滩牧显谇A段還沒開始發(fā)揮作用。極限荷載階段時(shí)，加固試件FC-1～ FC-6的總耗能Ep、能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he均較試件FC-0有大幅度增長，說明加固材料已經(jīng)開始發(fā)揮作用。破壞荷載階段時(shí)，外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的總耗能增長量大于碳纖維布加固試件FC-4～FC-6，說明外包鋼套加固能使試件在塑性工作階段具有更好的變形能力，其耗能能力更優(yōu)。這種現(xiàn)象可解釋為：外包鋼套加固能保證試件達(dá)到極限荷載后承載力緩慢下降，故試件變形能力更好，從而消耗了更多能量。這也與試驗(yàn)現(xiàn)象及滯回曲線相吻合。所有加固試件等效黏滯阻尼系數(shù)he在0.43～0.53，且大于試件FC-0的，說明外包鋼套、碳纖維布加固不同損傷程度的柱均能恢復(fù)甚至超過原有結(jié)構(gòu)的耗能能力，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

表3　試件在不同階段的耗能

3.3承載力和剛度退化

圖8　承載力退化曲線Fig.8　Strength degradation curves

承載力退化系數(shù)λi能評價(jià)各試件的承載力退化情況，其具體計(jì)算方法為各級控制加載位移下第3次循環(huán)中峰值荷載與第1次循環(huán)峰值荷載的比值。各試件承載力退化情況見圖8。從圖8可知：

①外包鋼套、碳纖維布加固試件的承載力退化速率都較試件FC-0的緩慢，說明這兩種加固方法都能延緩試件承載力衰減，使其在經(jīng)受地震作用時(shí)具有持續(xù)承載能力，從而改善了試件延性。所有加固試件的承載力退化曲線都沒有出現(xiàn)明顯的突變，說明這兩種方法加固柱具有可靠性。

②碳纖維布加固試件FC-4～FC-6承載力退化曲線在下降過程中有起伏現(xiàn)象，這是由于碳纖維布加固屬于被動(dòng)約束，隨著鋼管根部管壁出現(xiàn)起鼓，碳纖維布的環(huán)箍作用逐漸發(fā)揮出來。說明碳纖維布加固的主要作用是約束并限制了柱塑性鉸的發(fā)展速率，并使得柱受剪鼓曲程度加大，較充分發(fā)揮了柱根部鋼管抗剪耗能性能，從而提高了試件的延性。而外包鋼套加固試件FC-1～FC-3的退化曲線沒有出現(xiàn)起伏現(xiàn)象，且退化速率都要較試件FC-0更加緩慢。這主要得益于外包鋼套焊接在柱的根部后與柱形成了一個(gè)新整體，鋼套在加載初期就能協(xié)同受力，參與變形。

③損傷越大，則加固后試件承載力退化速率越快。這是因?yàn)椴还苁峭獍撎准庸蹋€是碳纖維布加固，加固的只是鋼管，而預(yù)損會(huì)使得鋼管內(nèi)核心混凝土產(chǎn)生裂縫，混凝土與鋼管黏結(jié)作用減弱，內(nèi)部損傷未得到修復(fù)。從承載力退化速率來看，外包鋼套的加固效果要優(yōu)于碳纖維布的。

圖9　剛度退化曲線Fig.9　Stiffness degradation curves

采用割線剛度Ki來表示試件的整體剛度退化情況。因各試件在彈性階段剛度退化不明顯，故取彈塑性階段后剛度為研究對象，剛度退化曲線見圖9。由圖9可知：

①外包鋼套加固能顯著提升試件的初始剛度，而碳纖維布加固對試件初始剛度的影響不明顯。加固試件的剛度退化速率要比試件FC-0緩慢，尤其是達(dá)到極限荷載后，剛度下降更為緩慢，這有利于結(jié)構(gòu)吸收和釋放能量，從而提高試件的抗震性能。

②碳纖維布加固試件FC-4～FC-6的剛度退化曲線基本重合，反映出試件的前期預(yù)損程度對碳纖維布加固后柱的剛度退化沒有明顯影響。

3.4加固效果對比

碳纖維布加固需使用結(jié)構(gòu)膠，但膠體的防火性能有限，若碳纖維布加固結(jié)構(gòu)在使用過程中遭遇火災(zāi)，碳纖維布則會(huì)失效。而外包鋼套加固柱施工便捷、工期短，且不涉及結(jié)構(gòu)膠，不會(huì)造成環(huán)境污染。另外，無論是從承載力、延性系數(shù)、極限位移、耗能能力和承載力及剛度退化等參數(shù)來看，外包鋼套加固效果都要優(yōu)于碳纖維布。主要原因在于：①碳纖維布在加載過程中雖能發(fā)揮其受拉性能，但加載后期會(huì)被拉斷而逐漸退出工作；而鋼套同時(shí)具有抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，將其與鋼管焊接成整體后能充分發(fā)揮其良好的延性性能。②碳纖維布實(shí)際計(jì)算厚度極小，故單位面積上碳纖維布用量較少，且遠(yuǎn)小于鋼材用量。

值得注意的是，若經(jīng)歷過地震損傷的鋼管混凝土柱鋼管存在較大的殘余變形，此時(shí)宜選用碳纖維布加固。若選用外包鋼套加固，因鋼套不能較好貼合被加固柱而造成焊接質(zhì)量較差，難以保證加固效果。碳纖維布屬于柔性材料，較大殘余變形下仍能保證良好的加固效果。

4結(jié)論

本文針對未損和不同地震損傷程度的方鋼管混凝土外露式柱腳框架柱采用了外包鋼套、碳纖維布兩種方法損傷修復(fù)加固，進(jìn)行了柱的抗震性能試驗(yàn)研究，探討了不同地震損傷程度對加固效果的影響，比較了兩種方法的加固效果，得出以下結(jié)論：

①所有加固試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出飽滿的紡錘形，在水平低周反復(fù)荷載作用下都經(jīng)歷了彈性、屈服和極限3個(gè)階段。加固試件屈服位移角為1/80～1/92，極限位移角為1/41～1/30，破壞位移角為1/24～1/17，位移延性系數(shù)均大于4，顯示了經(jīng)加固后柱具有良好的變形能力，滿足抗震規(guī)范的要求。

②外包鋼套加固顯著提高了柱的極限荷載，最大提高率為54.89%，且對試件初始剛度的提升較為明顯，延性也有所提高。預(yù)損傷程度對加固柱的極限承載力、剛度、延性和耗能能力有較大影響，損傷程度越小，經(jīng)加固后柱的極限承載力、剛度、延性和耗能能力提高程度越大。

③碳纖維布加固對于提高柱的極限承載力和初始剛度作用不明顯，極限承載力最大提高率僅10.19%，延性最大提高值為16.12%。沒有損傷和中度地震損傷柱經(jīng)加固后，其各階段承載力和剛度退化較為接近，說明經(jīng)碳纖維布合理加固后，經(jīng)歷的損傷對結(jié)構(gòu)性能的影響有限。

④從極限承載力、極限位移、延性和耗能能力等參數(shù)來看，采用外包鋼套、碳纖維布加固方鋼管混凝土柱均是一種十分有效的抗震加固方法，能使受損結(jié)構(gòu)恢復(fù)甚至超過原有結(jié)構(gòu)的抗震性能。

⑤從加固效果來看，外包鋼套加固效果更優(yōu)。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤梅)

Comparative experimental study on strengthening approachof seismic-damaged CFSST columns

XU Cheng-xiang1,2, YANG Bing1, LU Meng-xiao1, ZHA Xin-feng1

(1. School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;

2. School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

Abstract:In order to study the seismic behaviors of seven repaired CFFST columns, which had different earthquake damage levels. The test included pre-damage loading, rehabilitation of damage and destruction tests under lateral cyclic loading. The reinforcement effects of the methods of enveloped steel and CFRP on different levels of earthquake damage were studied. The reinforcement effects of the two methods were compared, and their reinforcement mechanism is analyzed. The experimental results show that, after reasonable and reliable reinforcement by enveloped steel, the stiffness and ultimate bearing capacity of the columns have significant improvement. The seismic behavior of columns is improved greatly. Influence of CFRP on the ultimate bearing capacity of columns is not obvious, but the ductility and seismic behavior are improved obviously. To a certain extent of damage level, the strengthened columns can reach or even exceed their original performances before earthquake-damage. For CFSST columns, from the aspects of ultimate bearing capacity, ductility, energy dissipation and degradation of strength and stiffness, the methods of enveloped steel and CFRP are effective for seismic strengthening. In terms of reinforcement effect, the method of enveloped steel is better than that of CFRP.

Key words:concrete-filled square steel tube (CFSST) column; enveloped steel; carbon fiber reinforced polymer (CFRP); reinforcement; seismic damage; seismic behavior

中圖分類號：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0053-10

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0053

通訊作者：許成祥(1965—)，男，安徽廬江人，長江大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；E-mail: cx_xu@sina.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178057)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201303)

收稿日期：2015-07-30；

修訂日期：2015-12-02

引文格式：許成祥，楊炳，盧夢瀟，等.震損方鋼管混凝土柱加固方法對比試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：53-62.