AFRP加固混凝土梁柱节点的应变分析

    近年来,外贴纤维片材的加固方法由于耐腐蚀、施工方便快捷、自重小、不占用使用空间等优点而成为一项新兴加固技术。目前,碳纤维(CFRP)片材具有优异的力学性能,已被广泛用于结构加固领域,但其固有的抗剪强度低,抗冲击强度差,脆性大而不宜弯折施工,良导电性造成通迅信号屏蔽等缺陷,阻碍着它更广泛地应用。芳纶纤维(AFRP)片材则具有较高的抗拉、抗剪和抗冲击强度,且柔软易于弯折,不会产生屏蔽等诸多优点,在地铁、桥梁、隧道、房屋等结构抗震加固方面具有碳纤维片材不可取代的应用前景。
    地震后的钢筋混凝土框架结构常发生梁柱节点破坏,故国内外学者开始研究FRP加固混凝土框架节点抗震性能[1~6]希望纤维承担一部分荷载、消耗部分能量。本文主要介绍AFRP布加固混凝土框架节点的抗震性能和节点区AFRP布的应变发展规律。
1 试验概况
1.1 试件设计
    共设计7件钢筋混凝土梁柱节点,其中2件为未加固基准试件JD I-O、JD II-0,5件为AFRP布加固梁柱节点。试件的尺寸及配筋见图1,钢筋的力学性能见表1。混凝土梁柱节点核心区箍筋配筋率分别取0.57%,1%。混凝土设计强度等级为C35,其立方体抗压强度实测值为42.5MPa。AFRP布为深圳海川实业股份有限公司提供的AFS-40型芳纶纤维布,其名义极限抗拉强度为2060MPa,弹性模量为1.18×105MPa,设计厚度为0.193mm。

  
1.2 加固方案
  每个加固构件,其梁端、柱端的加固方法为先沿梁顶柱侧、梁底柱侧粘贴纵向AFRP布,然后横向缠绕AFRP箍。施工工艺为先打磨梁柱混凝土、涂刷底胶,待底胶硬化后,在节点涂刷粘结树脂胶,将AFRP布平直铺上,在AFRP布外侧再次涂刷粘结树脂胶,使其与梁柱混凝土充分粘结,后进行粘结树脂胶养护,如图2所示。试验梁的编号及加固参数见表2。

 

  
1.3 试验量测内容及加载方案
  试验量测的主要内容有构件的滞回曲线、核心区箍筋的应变、加固AFRP布的应变。在柱上下端和核心区对角方向共安装4个位移计以测量试件的位移、变形。试验加载方式采用有侧移柱端加载,试验加载装置如图3所示。试验中试件竖向荷载由液压千斤顶一次施加,并在试验中保持恒定。柱的设计轴压比为0.4,竖向轴力为840kN。柱端的水平低周反复荷载由推拉千斤顶施加,每级荷载循环2次。试验加载过程采用荷载与位移混合控制,即构件开裂前采用荷载进行控制,开裂之后用位移控制。试验数据使用IMP数采系统采集,人工测绘裂缝。

 
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
    试件在反复何载下的承载力、耗能能力值见表3。滞回环包络线面积的大小表明结构耗散地震能力的大小,即耗能能力是由滞回曲线下的面积计算得到。

 
    由表3可知,AFRP加固后的梁柱节点,其承载力和耗能能力都得到了非常显著的提高。说明AFRP在节点加载过程中,承担了部分荷载且消耗很大部分的加载能量。
2.2 应变分析
2.2.1 核心区应变
    图4所示为节点核心区AFRP布的应变图。


    由图4可以看出,AFRP布采用A和B加固方式对梁柱节点进行加固。核心区纤维布应变明显不同,JDI-2节点核心区域的X型AFRP布的应变达到8000με,明显大于JDI-1节点核心区域的应变2500με。这是由于JDI-2节点核心区域的X型AFRP布的粘贴方向与节点的受力方向相同,更利于AFRP布发挥作用。总体上讲,A和B两种加固方式,AFRP布都发挥了限制斜向裂缝扩展,分担了节点区部分斜截面应力的作用,起到了限制节点核心区域剪切变形发展的作用。
    节点JDI-2和JDII-1虽然加固方式相同,但节点核心区的配箍筋量不同,AFRP布的应变表现出明显的差别,对配箍率小的梁柱节点进行加固,AFRP布的加固效果更好。
2.2.2 L型AFRP布的应变
    L型AFRP布主要起到限制梁、柱端裂缝的发展,对限制节点核心区斜裂缝的发展效果不大。从表3试验结果可知,节点JDII-3与节点JDII-1相比,承载力和耗能能力提高幅度都小很多。

 
    各加固节点的L型AFRP布的应变发展如图5所示。
    由图5可以看出,节点JDI-2与其他节点相比,其应变明显大很多,这说明由于节点JDI-2的核心区的箍筋率较大,节点的斜截面承载力能力较大,构件的裂缝主要发生在梁、柱上。从而也验证L型AFRP布对节点核心区的斜截面承载力的贡献不大。从图(b)、(c)的应变大小相近可知,L型AFRP布的层数大于2层时,其效果未按正比例提高。

 
2.2.3 AFRP布压条的应变
    图6所示为节点JDI-2的AFRP布压条的应变。由图6可以看出,加载初期,竖向压条的变化比横向压条要快,且应变曲线密集,随着加载的增大,竖向压条的应变迅速达到极限应变,应变曲线变得更加稀疏。破坏时竖向压条的应变是横向压条的3倍。由此说明竖向压条对梁柱构件的加固效果比横向压条好,即对梁柱节点构件,沿柱向进行加固的效果比沿梁方向进行加固的效果更好。
3 结论
    通过本文的试验和分析,可以得出以下结论:
    (1)采用AFRP对梁柱节点核心区加固后,承载力和极限水平位移均得到显著提高;
    (2)L型AFRP布主要起到限制梁、柱裂缝的发展,对限制节点核心区斜裂缝的扩展效果不大;
    (3)采用X型粘贴纤维布的加固效果良好,此时纤维布与裂缝几乎成垂直角度,充分发挥了纤维布抗拉强度;
    (4)沿柱方向粘贴AFRP布压条,对提高梁柱节的承载力能力和耗能效果明显。
               参考文献
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