DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.04.029

自锁碳纤维布间接加固混凝土框架中节点的抗震性能

贺学军，张金凤，周朝阳，刘澍，郭青

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)

摘要：通过5个加固节点试件的低周反复荷载模型试验，对自锁CFRP布间接加固混凝土框架中节点的破坏过程、承载能力、滞回曲线、延性以及耗能能力进行研究。基于混凝土结构抗震加固理论，考虑原节点核心区实际抗剪能力的修正以及梁柱端间接加固CFRP布对节点核心区抗剪能力的贡献，建立梁柱端自锁CFRP布抗震加固混凝土框架节点承载力的计算公式。研究结果表明：梁柱端自锁CFRP布间接加固技术能有效延缓纵筋在核心区的黏结滑移，避免CFRP被提前剥离破坏，明显改善节点的抗震性能，其承载能力、延性和耗能能力的提高幅度分别达到9.2%~21.6%，46.9%~61.8%和86.0%~125.0%；与增大梁柱端横向CFRP布箍配置率相比，适当增大梁端钢箍配置率或梁端纵向CFRP条带配置率对节点抗震性能的提高效果更显著；采用承载力计算公式所得计算值与试验值较吻合，该计算公式可用于实际工程中混凝土空间节点的CFRP抗震加固设计。

关键词：自锁CFRP；节点承载力；延性系数；耗能能力

中图分类号：TU375.4             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)04-1065-08

Seismic behaviors of internal RC frame joints indirectly strengthened with self-locked CFRP sheets

HE Xuejun, ZHANG Jinfeng, ZHOU Chaoyang, LIU Shu, GOU Qing

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Five internal reinforced concrete (RC) frame joints were manufactured, and the failure process, bearing capacity, hysteresis curves, ductility and energy dissipation capacity of the joints indirectly strengthened with self-locked CFRP sheets were investigated under low cyclic loads. In consideration of the modification of actual shear capacity of the RC core area and the contribution of self-locked CFRP sheets at the beam and column ends, the formulas were derived for the bearing capacity of the indirectly CFRP-strengthening joints based on the theory of seismic strengthening of concrete structure. The results show that the self-locked CFRP sheets can delay the bond slip of longitudinal steel bars in the core area and prevent the premature debonding of the sheets effectively, and the improvement of bearing capacity, ductility coefficient and energy dissipation capacity of joints reaches 9.2%-21.6%, 46.9%-61.8% and 86.0%-125.0% respectively, and so the seismic behaviors of the joints are improved greatly. In addition, Reasonably increasing the amount of steel stirrups or longitudinal CFRP sheets at the beam end has more improved effects on the seismic behaviors than that of the lateral shear CFRP sheets. The predicted results agree well with the experimental values, which provide a reference for spatial joints strengthening with CFRP in practical engineering.

Key words: self-locked carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets; the bearing capacity of joints; ductility coefficient; energy dissipation capacity

节点是混凝土框架结构中一个非常重要的部位，其受力状况远比梁、柱构件复杂，在地震作用下，其承受的水平剪力一般为柱剪力的4~6倍，一旦破坏将可能导致整个结构倒塌破坏，而目前我国相关的加固规程^[1]尚无明确的框架节点抗震加固规定，因此，提出可靠有效的节点抗震加固技术及相应的设计方法具有重要的工程现实意义。密度小，强度高，耐腐蚀性强，当用于混凝土框架节点加固时，可分为节点核心区表面直接黏贴FRP(有时辅以梁柱端加固)加固^[2-5]和在节点周围梁柱端黏贴FRP间接加固^[6-10]两大类。对于梁板整体现浇的混凝土空间节点来说，核心区表面直接黏贴加固因楼板与直交梁的存在而难以应用于工程实际。梁柱端间接加固通常是在梁柱表面黏贴纵向抗弯纤维布后对柱端采用封闭FRP布箍而梁端黏贴正置的U型FRP布箍，由于正置的U型布箍端部黏锚在梁端剪拉区，且难以对梁顶纵向抗弯纤维形成有效锚固约束，因而，容易过早地产生FRP黏结剥离破坏。鉴于此，HE等^[9-12]采用自主研发的CFRP布端绕结自锁技术，提出自锁CFRP布间接加固混凝土框架空间节点的方法，能有效延缓纵筋在核心区的黏结滑移和预防FRP过早的黏结剥离破坏，从而间接提高节点的抗震性能。本文作者通过5个加固节点试件的低周反复荷载模型试验，对自锁CFRP布间接加固混凝土框架中节点的破坏过程、承载能力、滞回曲线、延性系数以及耗能能力等方面进行研究，探讨梁端钢箍配置率、纵向CFRP条带用量及横向CFRP布箍用量等参数对加固节点抗震性能的影响，并根据试验结果和结构加固理论提出相应的加固节点梁端抗弯、抗剪及节点核心区抗剪承载力计算方法。

1  试验

本次试验共浇注5个混凝土框架中节点模型试件，各试件混凝土实测抗压强度为20.3 MPa。梁、柱纵筋采用4根直径为14 mm的HRB335级钢筋(414)，屈服强度和极限抗拉强度实测值分别为429.8 MPa和591.6 MPa；柱纵筋采用4根直径为20 mm的  HRB335钢筋(420)，屈服强度和极限抗拉强度实测值分别为458.4 MPa和614.5 MPa。节点核心区箍筋为6.5@100 mm(直径为6.5 mm，间距为100 mm，下同)，柱端箍筋为6.5@150 mm；梁端箍筋除JD3为6.5@250 mm外，其余各节点为6.5@200 mm。箍筋实测屈服强度和极限抗拉强度分别为403.3 MPa和438.1 MPa。各节点试件尺寸及截面配筋布置如图1所示。

图1  试件尺寸及截面配筋图

Fig. 1  Dimensions and reinforcement of specimens

5个节点试件中，JD1为对比试件，JD2~JD5为加固节点试件，其加固方式如图2所示。沿梁、柱长度方向黏贴一层纵向L型CFRP条带，其长度在梁端为600 mm，柱端为350 mm，并采用封闭CFRP布箍对柱端纵向CFRP进行锚固；对于梁端，利用CFRP布端绕结自锁技术将U型布箍自锁在梁板阴角处的平行栅杆上，再通过穿翼空心活节螺杆将平行栅杆和梁顶面处的横向钢板条紧固连接，形成类似封闭的CFRP布箍，这样就克服了梁端正置的U型CFRP布箍难以穿越板翼缘的缺陷，并对梁端L型纵向CFRP条带形成可靠的锚固约束，有效地防止了加固纤维(尤其是U型布箍本身以及梁顶L型纤维)过早地黏结剥离失效。各加固试件中，1层CFRP布的厚度均为0.167 mm，弹性模量为230 GPa，极限拉应变为0.015，其具体尺寸布置如表1所示。梁端CFRP绕结自锁的平行栅杆由2根长度为600 mm、直径为12 mm的圆钢点焊而成，穿翼活节螺杆为长度为120 mm、直径为12 mm的带螺帽螺杆，梁顶横向钢板条的长度×宽度×厚度为300 mm×50 mm×8 mm。穿翼螺杆下端通过空心活节与平行栅杆连接，上端通过螺帽与梁顶横向钢板条紧固连接。柱顶恒定轴向压力N=200 kN，轴压比为0.47。在节点梁端采用力(梁端纵筋屈服前)和位移(梁端纵筋屈服后)混合施加低周反复荷载。

图2  试样加固方式

Fig. 2  Strengthening types of specimens

表1  各试件CFRP具体布置

Table 1  Retrofit details of CFRP sheets

2  试验结果

2.1  破坏过程

将对比试件JD1加载至15 kN时，节点两侧梁截面受拉区同时出现微小弯曲裂缝；加载至20 kN时， 核心区中部开始出现细微交叉斜裂缝，并沿着对角线向梁柱交界面方向发展；梁端纵筋在加载至30 kN时开始屈服，此时，梁端最大受弯裂缝宽度达1.0 mm，核心区交叉斜裂缝已扩展到梁柱交界处，其宽度最大值达0.8 mm。梁端纵筋屈服后，转为位移控制加载，加载至1.5△_y(△_y为梁端纵筋屈服时加载点处的竖向位移)时，节点承载力达到最大值；继续加载，承载力开始下降，裂缝快速扩展、贯通，梁端竖向位移加剧，核心区中部混凝土保护层开始酥裂、剥落；加载至3.0△_y时，节点承载力急剧下降，核心区破坏。破坏时，节点两侧梁端形成明显的竖向受弯主裂缝，宽度达2.5 mm；核心区最大对角斜裂缝宽度达到2.2 mm，中部表层混凝土剥落，部分箍筋屈服外鼓；柱身完好，无明显可见裂缝。加固节点试件JD2-JD5的破坏过程与对比试件JD1的存坏过程相似，均经历了梁端开裂—核心区出现网状交叉斜裂缝—梁端纵筋屈服—核心区混凝土保护层酥裂剥落—部分箍筋屈服等过程，最终表现为节点梁端弯曲破坏并伴随核心区破坏。但在试件濒临破坏时，由于梁柱交界部位L形CFRP条带因梁端受弯主裂缝宽度过大而存在局部黏结失效的现象。各节点试件的试验结果及破坏时的裂缝分布情况分别如表2和图3所示。

2.2  承载力及延性

由表2可以看出：与对比试件JD1相比，各加固试件的屈服荷载、极限荷载和延性系数分别提高6.7%~16.7%，9.2%~21.6%和46.9%~61.8%，表明混凝土框架节点经梁柱端自锁CFRP布间接加固后，其承载能力和延性得到明显提高。根据各试件梁端和核心区最大裂缝宽度的对比分析结果，在梁端纵筋屈服前，因间接加固CFRP布的有效约束延缓了纵筋在节点核心区内的黏结退化和核心区混凝土裂缝的开展，各加固试件的最大裂缝宽度均比对比试件的小；梁端纵筋屈服后，随着CFRP布约束作用和内力重分布作用进一步加强，加固节点梁端截面的塑性变形能力得到充分发挥，最终导致加固试件破坏时梁端裂缝的最大宽度要比对比试件的大，而核心区混凝土裂缝宽度则明显比对比试件的小。

表2  各试件试验结果

Table 2  Characteristic values of specimens

图3  各试件破坏时节点核心区的裂缝分布

Fig. 3  Crack distribution in core area of damaged specimens

从表2可知：1) 对于以梁端弯曲破坏并伴随核心区破坏的加固节点JD2-JD5来说，JD2梁端钢箍的配置率比JD3提高了25%，相应的极限荷载和延性系数分别比后者高3.6%和6%，但两者的屈服荷载几乎相等，表明增大梁端钢箍配置率无助于加固节点屈服荷载的提高，但能适当提高加固节点的极限荷载和延性；2) 与JD4相比，JD2梁端纵向CFRP条带的配置率增大了1倍，相应的屈服荷载、极限荷载和延性系数分别提高9.4%，7.6%和4.6%，说明适当增加梁端纵向CFRP条带的配置率能同时提高加固节点的承载能力和延性；3) JD5梁柱端横向CFRP布箍配置率为JD2的2倍，但两者的屈服荷载几乎相等，前者的极限荷载和延性系数比后者分别提高3.6%和3.9%，表明增加梁柱端横向CFRP布箍配置率能有效延缓梁柱端纵向CFRP条带的黏结失效，但对加固节点的极限荷载和延性的提高作用有限。

2.3  滞回曲线及骨架曲线

不同节点试件的梁端P-△滞回曲线及骨架曲线如图4所示(其中P和△分别为左、右梁端荷载及相应竖向位移的平均值)。对比试件JD1的滞回曲线在梁端纵筋屈服后第1个滞回环时较饱满，随后呈Z形发展，出现较明显的捏拢现象，滞回环个数较少，极限位移较小。4个加固试件的滞回曲线在受力过程中呈梭形，直到濒临破坏时才逐渐转为Z形，并开始表现出明显的捏拢特征。这主要是由于梁柱端抗弯加固L型纵向CFRP条带分担了部分弯矩，降低了纵筋的应力，使得伸入节点区域的纵筋滑移量减小，从而有效改善了节点的抗震性能。

将各试件P-△滞回曲线中每级加载第1循环的最大荷载点相连，即得到如图4(f)所示的骨架曲线。由图4可知：各个节点试件的受力过程相仿，在梁端纵筋屈服之前，骨架曲线近似呈线性规律变化；梁端纵筋屈服后，均表现出明显的刚度退化特性。与试件JD1相比，4个加固节点试件的承载能力和变形能力明显提高，且在大位移阶段曲线下降幅度平缓，说明自锁CFRP布间接加固节点试件具有良好的延性和耗能能力。适当增大梁端钢箍配置率、梁端纵向CFRP条带配置率或梁柱端横向CFRP布箍配置率，均能不同程度地提高加固节点的承载能力和延性，有利于改善其抗震性能。

图4  各试件P-△滞回曲线及骨架曲线

Fig. 4  Hysteresis curves and skeleton curves of specimens

2.4  耗能能力

耗能能力是结构抗震性能的综合表现。根据图4所示的各个试件梁端P-△滞回曲线，以功比指数作为衡量指标，对各试件的耗能能力进行对比分析，结果如表3所示。从表3可以看出：与对比试件JD1相比，自锁CFRP布间接加固的各节点试件耗能能力显著提高，其功比指数提高幅度达86%~125%；此外，分别对比加固节点JD2与JD3，JD4和JD5的功比指数表明，增大梁端钢箍配置率或梁端纵向CFRP条带配置率对节点耗能能力的提高作用较为明显，其提高幅度分别达到19.3%和13.3%；而提高梁柱端横向CFRP布箍配置率对加固节点耗能能力影响不大，其提高幅度仅在2.0%以内。

表3  各试件的功比指数

Table 3  Power ratio indexes of specimens

3  加固节点承载力计算

3.1  基本假定

在本次试验设计时，已对节点柱身配置了足够的钢筋以保证柱端的抗弯、抗剪承载力要求，因此，本节有关加固节点承载力的计算主要以节点梁端或核心区为研究对象，并进行如下计算假定：1) 节点梁端截面应变满足平截面假定；2) 钢筋和受压区混凝土的应力-应变关系按现行“混凝土结构设计规范”^[13]取用，不考虑混凝土的抗拉强度；3) CFRP为线弹性材料，忽略胶层和CFRP厚度，加固前后节点梁端梁截面高度相等；4) 在节点试件破坏前，CFRP布与混凝土黏结完好，不发生黏结剥离破坏。

3.2  梁端抗弯、抗剪承载力计算

由混凝土结构加固理论可知，在加固节点梁端纵筋屈服、受压区混凝土压碎而纵向抗弯加固CFRP条带未拉断时，根据梁端截面静力平衡条件和平截面假定，梁端受压区混凝土高度x、抗弯加固CFRP条带应变ε_f和受压区纵筋应变ε_s′可按如下公式确定：

      (1)

                (2)

           (3)

则自锁CFRP布间接加固后的节点梁端截面抗弯承载力M_u为

  (4)

式中：E_f和A_f分别为抗弯加固CFRP条带的弹性模量与截面面积；ψ_f为考虑梁端纵向L型纤维锚固方式和受力条件相关的强度折减系数，参照文献[14]，建议取ψ_f=0.6。其他符号意义见文献[13]。

在计算加固节点梁端抗剪承载力时，认为梁端自锁U型CFRP布箍的作用与箍筋相似，其抗剪承载力V_u由梁端截面混凝土、箍筋和CFRP布箍三者的抗剪贡献组成，即

    (5)

式中：A_fv为梁端同一截面处自锁U型CFRP布箍的截面面积；f_fv为CFRP布箍的抗拉强度设计值，根据规范^[15]取其极限抗拉强度的0.56倍；ψ_vb为与CFRP布箍加锚方式和受力条件相关的强度折减系数，当λ≤1.5时取ψ_vb=1.0，当λ≥3时取ψ_vb=0.68，λ为中间值时按线性内插法取用^[15]；h_f和s_f分别为自锁U型CFRP布箍的竖向高度和间距；其他参数含义见文献[13]。

3.3  节点核心区抗剪承载力计算

目前，CFRP加固节点多以核心区直接黏贴加固为研究对象，其核心区抗剪承载力计算公式通常是在钢筋混凝土框架节点核心区抗剪承载力计算公式的基础上考虑核心区围覆加固纤维的抗剪而得到。需要说明的是，由于我国规范^[13]是以核心区混凝土通裂作为节点强度极限，给出的核心区抗剪承载力公式是节点通裂时的荷载计算公式，其值大多为节点核心区破坏时最大抗剪承载力的60%~80%^[16-17]，与原节点核心区实际的抗剪承载力相比偏于安全。本文根据文献

[9-10，16]中的分析结果，对现有钢筋混凝土框架节点承载力计算公式^[16-17]乘以1个核心区抗剪承载力修正系数α₁来计算原节点核心区的实际抗剪承载力，其中α₁可按节点破坏阶段时的最大剪力与通裂阶段时剪力的比值来确定^{[8-9, 16]}。此外，试验结果与理论分析结果表明^[8-11]：对于梁柱端间接加固CFRP布对节点核心区抗剪承载力的贡献，可根据梁柱端纵向CFRP条带分担梁纵筋传入节点区的拉应力，采用提高系数α₂予以表征。提高系数α₂可根据加固节点破坏时梁端所承受的总弯矩(即纵筋与纵向CFRP条带所承受的弯矩之和)与梁端纵筋所承受的弯矩之比确定^[8-9]，即

             (6)

式中：M_u为加固节点破坏时梁端纵筋与纵向纤维条带所承受的总弯矩，按式(4)计算。综合考虑上述2方面因素的影响，本文建议自锁CFRP布间接加固节点核心区的抗剪承载力V_uj按如下公式计算：

   (7)

式中：α₁为原节点核心区抗剪承载力修正系数，根据文献[9-10，15]的分析结果，本文建议取1.3；α₂为节点梁柱端自锁CFRP布间接加固对节点核心区抗剪承载力的提高系数，按式(6)计算；σ_c为节点承受的轴向压应力，其值为柱顶轴力除以柱截面面积；s_j为核心区箍筋间距；其它符号意义见文献[13]。

表4  节点试件荷载计算值与试验值对比结果

Table 4  Load comparison of calculated value and experimental value of specimens

3.4  计算结果与试验结果对比分析

根据加固节点试件梁端抗弯、抗剪和核心区抗剪承载力计算公式(4)，(5)和(7)，分别对5个节点试件所能承受的最大荷载进行计算，并与试验值进行对比分析，如表4所示。由表4可知：由梁端抗剪承载力确定的最大荷载计算值P_max,s远大于各节点试件的试验值P_max,t，也远大于由梁端抗弯承载力和核心区抗剪承载力确定的最大荷载计算值P_max,w及P_max,sj，因此，试验结果和理论计算均表明各节点试件不会发生梁端剪切破坏；另一方面，由梁端抗弯承载力和核心区抗剪承载力确定的最大荷载计算值与试验值对比分析来看，前者P_max,w与试验值P_max,t更接近，两者之比的平均值为0.994，且每个节点试件的P_max,w均略低于P_max,sj (P_max,sj/P_max,t的平均值为1.044)，表明各节点试件在梁端弯曲破坏后核心区也随之发生破坏，破坏形态预测及承载力计算结果与试验结果吻合良好。

4  结论

1) 自锁CFRP布间接加固混凝土框架节点可以有效避免梁柱端纵向纤维的提前剥离失效，明显改善节点的抗震性能，其极限荷载、延性系数和耗能能力的提高幅度分别达9.2%~21.6%，46.9%~61.8%和86.0%~125.0%，且更适用于实际工程中混凝土框架空间节点的加固。

2) 适当增大梁端钢箍配置率、梁端纵向CFRP条带配置率或梁柱端横向CFRP布箍配置率，均有利于节点抗震性能的改善。相比而言，前两者对节点承载能力、延性和耗能能力的提高效果明显优于后者。

3) 考虑原节点核心区实际抗剪能力的修正以及梁柱端间接加固CFRP布对节点核心区抗剪能力的贡献，建立了自锁CFRP布间接加固混凝土框架节点承载力的计算公式，计算所得的承载力及破坏形态预测结果与试验结果吻合良好。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-05-12；修回日期：2016-07-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378507)；湖南省自然科学基金重点资助项目(09JJ3098，13JJ2005)；湖南省科技计划重点项目(2010FJ2001)(Project(51378507) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(09JJ3098, 13JJ2005) supported by the Key Project of the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(2010FJ2001) supported by the Key Projects of Science and Plan of Hunan Province)

通信作者：贺学军，博士，副教授，从事工程结构加固新技术和混凝土结构基本理论研究；E-mail：junxuehe@126.com