毛會敏1a，顏學(xué)淵2，劉旭宏1b，陳偉宏2，楊   國3

（1.福建工程學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院；b.土木工程學(xué)院 福建 福州 350118；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；3.福建九鼎建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001)

摘   要：進(jìn)行了纖維混凝土加固裝配式框架結(jié)構(gòu)體系梁柱節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)加載有限元模擬分析，得到了試件的破壞形態(tài)、滯回曲線。結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)的主要受損區(qū)域?yàn)榱憾随I槽區(qū)，采用纖維混凝土置換受損區(qū)域的混凝土可有效加固節(jié)點(diǎn)。其中，當(dāng)采用聚丙烯纖維混凝土加固時，能恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的抗震性能；當(dāng)采用鋼纖維混凝土、鋼-聚丙烯纖維混凝土加固時，不僅可以恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的抗震性能，還可以在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

關(guān)鍵詞：裝配式框架結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點(diǎn)；有限元模擬；纖維混凝土；加固；抗震性能

對已有震后損傷的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。置換混凝土加固法（通常采用高強(qiáng)度混凝土置換低強(qiáng)度混凝土）作為混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的一種，在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來越廣泛。LI等采用高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料加固受損鋼筋混凝土柱，可使鋼筋混凝土柱的承載力和延性有所提高。潘立通過試驗(yàn)研究了采用高強(qiáng)材料置換柱外周截面的加固方法，結(jié)果表明，該方法可明顯提高柱的受壓與受剪承載力。

纖維混凝土具有良好的延性、抗彎、抗拉等性能，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。PERUMAL研究了高性能鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與其他工程性能的相關(guān)性。JIN等研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)度混凝土在靜載和沖擊荷載下均表現(xiàn)出良好的延性、韌性和可塑性。梁寧惠等、QIN等、XU等均對摻聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。徐禮華等、AFROUGHSABET等、MONTEIRO等對比研究了單一纖維、混雜纖維對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)混雜纖維對混凝土的增強(qiáng)效果更好。

已有研究表明，將纖維混凝土應(yīng)用到置換混凝土加固法中能夠取得良好的加固效果。張富文等采用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料加固震后損傷的鋼筋混凝土框架，可使鋼筋混凝土框架的抗震承載能力完全恢復(fù)并略高于未損傷鋼筋混凝土框架的抗震承載能力。SHIM等采用高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料加固嚴(yán)重?fù)p壞的預(yù)制柱，發(fā)現(xiàn)預(yù)制柱的抗彎強(qiáng)度提高了30％以上。ACHILLOPOULOU等通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法探討了采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼筋混凝土柱的可行性。MEDA等采用高性能纖維混凝土加固已被腐蝕破壞的鋼筋混凝土柱，發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土柱的承載力得到恢復(fù)、耐久性提高。MA等采用早強(qiáng)水泥砂漿和玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物加固預(yù)損傷鋼筋混凝土柱，結(jié)果表明，柱的抗彎承載力有一定恢復(fù)。ABDULLAH等分別采用高強(qiáng)度砂漿和高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)砂漿加固受損混凝土梁，均取得了良好的加固效果，其中，高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)砂漿的加固效果更顯著。

本文以筆者課題組前期研究的鍵槽式預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式框架結(jié)構(gòu)體系（以下簡稱世構(gòu)體系）節(jié)點(diǎn)為研究對象，采用置換纖維混凝土加固法，通過有限元方法分析加固后世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的抗震性能，以期為損傷混凝土結(jié)構(gòu)的加固研究提供參考。

根據(jù)筆者課題組前期研究成果，本文選擇體積摻量為0.10%的聚丙烯纖維和體積摻量為1.25%的端鉤形鋼纖維，采用單摻和混摻的方式制備纖維混凝土，試驗(yàn)配合比見表1。

采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬分析時，混凝土本構(gòu)模型選用塑性損傷模型（CDP）；梁端加固區(qū)纖維混凝土的拉壓本構(gòu)關(guān)系由試驗(yàn)得出，見圖1、圖2。

混凝土彈性模量E0取荷載-位移曲線上0.4fc處的割線斜率，fc為受壓峰值應(yīng)力。混凝土受壓過程中的受壓非彈性應(yīng)變εcin和受壓損傷演化參數(shù)dc按式（1）和式（2）計算：

式中：εc為壓應(yīng)變；σc為壓應(yīng)力；ε0cel為受壓彈性應(yīng)變；εcpl為受壓塑性應(yīng)變；bc為受壓損傷影響因子，根據(jù)文獻(xiàn)的建議，bc取0.7。

混凝土受拉過程中的開裂應(yīng)變εtck和受拉損傷演化參數(shù)dt按式（3）和式（4）計算：

式中：εt為拉應(yīng)變；σt為拉應(yīng)力；ε0tel為受拉彈性應(yīng)變；εtpl為受拉塑性應(yīng)變；bt為受拉損傷影響因子，根據(jù)文獻(xiàn)的建議，bt取0.1。

世構(gòu)體系是一種節(jié)點(diǎn)采用梁端鍵槽鋼筋搭接，帶預(yù)制預(yù)應(yīng)力疊合梁的后澆整體式框架結(jié)構(gòu)。筆者課題組前期已對梁端鍵槽區(qū)采用C40普通混凝土的世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，節(jié)點(diǎn)尺寸及加載方式見圖3，配筋見圖4。本節(jié)采用ABAQUS軟件對該節(jié)點(diǎn)的加載過程進(jìn)行模擬。

2.1   破壞形態(tài)

節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)見圖5，模擬得到的受壓、受拉損傷云圖見圖6。由圖5可知，節(jié)點(diǎn)受壓破壞程度上小下大，受拉破壞程度上大下小。這是由于U形鋼筋使梁底有效配筋率大于梁上端有效配筋率，從而提高了梁的抗拉能力，降低了梁的抗壓能力。從圖6可以看出，節(jié)點(diǎn)在梁端存在較大塑性破壞，損傷較為嚴(yán)重，而核心區(qū)損傷不明顯，總體上，模擬得到的破壞形態(tài)與試驗(yàn)破壞形態(tài)較為符合。

2.2   滯回曲線和骨架曲線

圖7為模擬和試驗(yàn)滯回曲線的對比結(jié)果。由圖7可知，試驗(yàn)滯回曲線呈“反S形”，而模擬滯回曲線呈“弓形”，總體上，試驗(yàn)和模擬滯回曲線的輪廓相近。節(jié)點(diǎn)由于存在預(yù)應(yīng)力筋和U形筋，使得反方向承載力下降段出現(xiàn)的比正方向早。

圖8為模擬和試驗(yàn)骨架曲線的對比結(jié)果。從圖8可以看出，模擬與試驗(yàn)骨架曲線的形狀相似，在彈性階段，兩者均呈線性變化，初始剛度幾乎完全吻合；隨著加載位移的增大，荷載由線性變化轉(zhuǎn)變成非線性變化；節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服階段后，剛度逐漸減小，模擬與試驗(yàn)骨架曲線的發(fā)展趨勢大致相同；進(jìn)入破壞階段后，模擬與試驗(yàn)骨架曲線的發(fā)展規(guī)律相似，都有明顯的承載力下降段，但模擬節(jié)點(diǎn)承載力略大于試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)承載力。

本試驗(yàn)在世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)受損嚴(yán)重的近核心區(qū)梁端采用纖維混凝土進(jìn)行置換，通過有限元模擬分析加固后節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

3.1   節(jié)點(diǎn)加固模擬

本試驗(yàn)分別采用聚丙烯纖維混凝土（PFRC）、鋼纖維混凝土（SFRC）和鋼-聚丙烯纖維混凝土（S-PFRC）置換梁端受損區(qū)的混凝土，以實(shí)現(xiàn)對受損節(jié)點(diǎn)的加固。節(jié)點(diǎn)的置換區(qū)長度與節(jié)點(diǎn)梁端鍵槽區(qū)長度相同，為450 mm，加固區(qū)域見圖9。采用位移控制方式對加固后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行二次加載。

3.2   加固后節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)

不同纖維混凝土加固節(jié)點(diǎn)的受壓、受拉損傷云圖見圖10~圖12。從受壓損傷云圖來看，加固后節(jié)點(diǎn)的受壓損傷集中出現(xiàn)在新舊混凝土結(jié)合面處、近核心區(qū)梁端處以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，隨著加載位移的增大，受壓損傷不斷累加。從受拉損傷云圖來看，加固后節(jié)點(diǎn)的損傷主要出現(xiàn)在近核心區(qū)梁端處，這與原節(jié)點(diǎn)的受拉破壞形態(tài)一致。

從圖10~圖12還可以看出，采用SFRC和S-PFRC加固后的節(jié)點(diǎn)損傷形態(tài)較為相似，這是由于鋼纖維的摻入大大提高了混凝土的拉壓強(qiáng)度及延性；而采用PFRC加固后的節(jié)點(diǎn)混凝土受壓強(qiáng)度略微降低，損傷較為嚴(yán)重。從模擬得到的加固后節(jié)點(diǎn)的總體破壞形態(tài)來看，采用纖維混凝土加固節(jié)點(diǎn)梁端是有效的。

3.3   加固后節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

加固后節(jié)點(diǎn)的滯回曲線見圖13。由圖13可知，加固后節(jié)點(diǎn)的滯回曲線與原節(jié)點(diǎn)的滯回曲線形狀相似。采用PFRC加固節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積在到達(dá)峰值荷載前略小于原節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積，在到達(dá)峰值荷載后略大于原節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積，這表明聚丙烯纖維雖然略微降低了混凝土的強(qiáng)度，但可以提高混凝土的延性。采用SFRC加固節(jié)點(diǎn)的滯回曲線更加飽滿，耗能能力有所增強(qiáng)，且承載力相比原節(jié)點(diǎn)的承載力有所提高，說明鋼纖維的摻入提高了混凝土的強(qiáng)度和延性，加固效果較好。采用S-PFRC加固節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比采用SFRC加固節(jié)點(diǎn)的滯回曲線更加飽滿，且承載力高于原節(jié)點(diǎn)的承載力，但相比SFRC加固節(jié)點(diǎn)的承載力略低，說明混雜纖維大大提高了混凝土的延性。綜上可知，采用PFRC、SFRC、S-PFRC作為加固材料時，不僅可以使節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到原節(jié)點(diǎn)的滯回性能，還可以在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的滯回性能。

3.4   加固后節(jié)點(diǎn)的骨架曲線

加固后節(jié)點(diǎn)后的骨架曲線見圖14。由圖14可知，在彈性階段，PFRC加固節(jié)點(diǎn)的初始剛度與原節(jié)點(diǎn)幾乎一致，SFRC、S-PFRC加固節(jié)點(diǎn)的初始剛度略大于原節(jié)點(diǎn)的初始剛度。對比發(fā)現(xiàn)，采用PFRC加固節(jié)點(diǎn)的承載力略小于原節(jié)點(diǎn)的承載力，采用SFRC、S-PFRC加固節(jié)點(diǎn)的承載力高于原節(jié)點(diǎn)的承載力。采用纖維混凝土加固對節(jié)點(diǎn)的屈服位移影響不明顯，但對節(jié)點(diǎn)正反兩個方向的平均峰值荷載位移有較大提高。進(jìn)入破壞階段后，節(jié)點(diǎn)的承載力不斷下降，其中，采用S-PFRC加固節(jié)點(diǎn)的承載力下降最緩，其次是SFRC，最后是PFRC，這說明纖維的摻入提高了混凝土的延性。

3.5   加固后節(jié)點(diǎn)的剛度退化分析

加固后節(jié)點(diǎn)后的環(huán)線剛度見圖15。由圖15可知，當(dāng)采用PFRC加固時，節(jié)點(diǎn)的初始環(huán)線剛度較原節(jié)點(diǎn)降低，這是因?yàn)榫郾├w維的摻入略微降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度；隨著加載位移的增大，節(jié)點(diǎn)逐漸進(jìn)入塑性階段，其環(huán)線剛度不斷接近原節(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)榫郾├w維的摻入提高了混凝土的延性，從而降低了節(jié)點(diǎn)環(huán)線剛度的退化速度。當(dāng)采用SFRC、S-PFRC加固時，節(jié)點(diǎn)的環(huán)線剛度較原節(jié)點(diǎn)提高，這是因?yàn)殇摾w維的摻入能明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。與采用SFRC加固的節(jié)點(diǎn)相比，采用S-PFRC加固節(jié)點(diǎn)的環(huán)線剛度退化速度略慢，這是因?yàn)榛祀s纖維提高了混凝土的延性。對比加固前后節(jié)點(diǎn)的環(huán)線剛度可知，采用纖維混凝土加固受損節(jié)點(diǎn)梁端的加固效果良好。

3.6   節(jié)點(diǎn)耗能分析

本文采用等效黏滯阻尼系數(shù)he描述節(jié)點(diǎn)的耗能能力，he越大，說明耗能效果越好。he的計算見圖見圖16，計算公式見式（5）。

式中：A1為滯回環(huán)BFDE面積；A2為三角形OAB面積；A3為三角形OCD面積。

加固后節(jié)點(diǎn)的he計算結(jié)果見表2。由表2可知，在達(dá)到峰值荷載位移時，不同纖維混凝土加固節(jié)點(diǎn)的he相近，耗能能力相當(dāng)。當(dāng)采用PFRC加固時，在達(dá)到峰值荷載位移前，節(jié)點(diǎn)的he比原節(jié)點(diǎn)略小；在達(dá)到峰值荷載位移后，節(jié)點(diǎn)的he不斷增大，最終略大于原節(jié)點(diǎn)的he。當(dāng)采用SFRC、S-PFRC加固時，節(jié)點(diǎn)的he明顯大于原節(jié)點(diǎn)的he，這是因?yàn)閾饺脘摾w維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度、延性、抗裂性能得到了較大提升，從而增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)耗能能力。

對比節(jié)點(diǎn)加固前后的he可知，采用纖維混凝土加固節(jié)點(diǎn)受損梁端，不僅可以使節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到原節(jié)點(diǎn)的耗能能力，還可以在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

有限元模擬結(jié)果表明，采用纖維混凝土置換梁端受損區(qū)混凝土可有效加固世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)。其中，采用PFRC加固時，能完全恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的抗震性能；采用SFRC、S-PFRC加固時，不僅能夠恢復(fù)節(jié)點(diǎn)的抗震性能，還可以在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

來源：《混凝土與水泥制品》2022年第10期