预应力纤维条带加固震损混凝土圆墩抗震性能试验研究

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发布时间：2021-09-04

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预应力纤维条带加固震损混凝土圆墩
抗震性能试验研究
周长东。，田腾，吕西林。，
(1．北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2．同济大学
白晓彬，李慧
土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)
摘要：通过12根钢筋混凝土圆墩柱(其中对比柱1根，震损柱3根)在低周反复荷载作用下的试验研究，
分析预应力纤维条带加固钢筋混凝土圆墩柱的抗震性能。考虑的主要因素包括：预应力大小、预损程度、纤
维种类、表面处理方式。根据试件的破坏形态和滞回曲线，分析各因素对承载力、位移延性、滞回性能、耗
能能力等重要抗震性能指标的影响。试验结果表明：采用预应力碳纤维条带加固震损圆墩柱后，震损柱的承
载力、延性性能、耗能能力均可在一定程度内得到恢复与提高。对柱体表面打磨、纤维布刷胶之后，再进行
预应力0．2碳纤维条带加固的试件抗震性能得到最大程度改善。实际工程抗震加固时应优先选用预应力碳纤
维条带，并尽量避免使用预应力玄武岩纤维条带。
关键词：钢筋混凝土圆墩；加固；预应力纤维条带；抗震性能
中图分类号：U448．33 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1001—8360．2012．10．017
Test Study on Seismic Performance of Pre-damaged RC Cylinder
Piers Strengthened with Pre-stressed FRP Belts
ZHOU Chang—dong 一，TIAN Teng ，LU Xi—lin ，BAI Xiao—bin ，LI Hui
(1．School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；
2．State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
Abstract：Twelve RC cylinder piers including one contrast colum n and three pre—damaged piers were tested un—
der cyclic lateral loading and constant axial loading to study the seismic—resistance behavior of reinforced con—
crete piers retrofitted with pre—stressed FRP belts mainly in respect of the experimental parameters such as the
prestressing level of FRP belts，pre—damage level，type of．FRP and surface treatment．The influence of each pa—
rameter on the bearing capacity，displacement ductility，hysteretic behavior and energy dissipating capacity was
analyzed by the main failure patterns and hysteretic CUrVeS of the specimens．Test results show as follows：The
bearing capacity，displacement ductilily and energy dissipating capacity of the retrofitted pre—damaged piers are
improved to a certain extent；with polished and glued surface treatm ent，the specimen strengthened with 0． 2
prestressed CFRP belts gets the greatest degree of improvement in seismic performance；the seismic-resistance
behavior of the reinforced concrete pier strengthened with pre—stressed BFRP belts is far WOrse than that of
those piers strengthened with CFRP belts；the pre—stressed CFRP belts can be used to improve the seismic be—
havior of RC cylinder piers in practice；on the contrary，the pre—stressed BFRP belts should be avoided as best
as possible in engineering practice．
Key words：reinforced concrete(RC)cylinder pier；strengthen；pre—stressed FRP belts；seismic behavior
收稿日期：2011—05—11；修回日期：2012—07—13
基金项目：国家自然科学基金(50978021)；同济大学土木工程防灾国家
重点实验室开放基金(SLDRCE08一MB-01)
作者简介：周长东(1971一)，男，山东聊城人，副教授，博士。
E‘mail：zhouchangd0ng@163．corn
汶川大地震发生后，震区公路破坏严重，大部分地
区公路交通完全瘫痪；震区地形山高水险，飞机航行和
104 铁道学报第34卷
降落困难，空中通道极不顺畅。因此，运送救援物资、
大型救援设备和救援人员的艰巨任务就压在铁路运输
上，震区各条铁路线的列车开行频率与载重量骤增。
如何保证线路的正常安全运营，是抗震救灾工作的关
键问题之一。
钢筋混凝土圆形墩柱在混凝土铁路桥梁中应用广
泛，在地震力作用下易发生剪切和压溃式破坏，导致整
个结构垮塌[113]，汶川地震中就有大量的混凝土圆形墩
柱因此而破坏。
外包纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土墩柱已
经在实际工程中得到广泛应用，但是纤维布不能对混
凝土墩体提供主动的横向约束，只有在墩体加固、混凝
土再次受压膨胀变形之后，纤维布才会发挥其约束能
力[4-8~。相对于被加固墩柱，外包纤维布存在严重的应
力滞后。如何提高外包FRP材料与被加固墩柱的协
同工作能力，增强加固效率，是目前土木工程领域亟需
解决的问题之一。
对外包裹材料施加预应力，是解决上述问题的有
效途径。预应力芳纶纤维布(AFRP)加固钢筋混凝土
方柱的拟静力试验证明了预应力AFRP加固方柱
的有效性，结果表明预应力AFRP条带加固震损柱，
能使初始裂缝闭合，柱的变形骤减，柱由脆性剪切破坏
转变为延性更好的弯曲破坏。横向预应力钢条带加固
圆柱的试验结果表明口，预应力钢条带可以大幅度提
高试件的延性。施加预拉应力的碳纤维(CFRP)片材
和AFRP片材加固横向配筋不足的混凝土方柱的试
验结果表明n ，加固后柱的侧向承载能力最大提高近
2O％，而柱的延性达到加固前的2．6倍。预应力钢板
箍加固混凝土方柱的试验结果表明l1引，预应力钢板箍
能够有效抑制斜向剪切裂缝的发生与开展，将试件的
破坏形态由剪切破坏转变成具有较好延性的弯曲破
坏，从而有效提高其抗震性能。
可以看出，采用侧向预应力方法加固混凝土方柱
可以取得良好的抗震加固效果，而采用预应力FRP加
固圆形混凝土墩柱，将会对核心混凝土提供均匀的主
动约束，加固效果应该更好，但目前未见针对环向预应
力FRP加固圆形混凝土墩柱抗震性能的研究。
本次试验通过对12根钢筋混凝土圆形墩柱施加
低周反复荷载，综合考虑了纤维布种类、预应力大小、
墩柱预损程度、表面处理方式等因素对预应力纤维条
带加固圆形混凝土墩柱抗震性能的影响，本文提出的
自锁式预应力FRP加固混凝土圆形墩柱方法简便快
捷，可以在大震发生之后迅速完成对震损圆形混凝土
墩柱的应急加固，恢复和提高其承载能力和抗震性能，
从而保证线路的通行能力和列车的运营安全。
1 试验概况
1．1 试验设计和材料性能
本次试验共有12根圆形混凝土墩柱。为了模拟
地震发生时墩柱的剪切破坏，设计试件的抗弯承载力
大于其抗剪承载力，使混凝土圆形墩柱发生剪切破坏。
圆墩柱截面直径300 mm，柱身高525 mm，柱头高
450 mm，底座高450mm，纵筋6尘25，并伸入到底座
底部，箍筋为中6@150，保护层厚度为25 mm，设计轴
压比均为0．40。采用预应力玄武岩纤维(BFRP)条
带和碳纤维条带_l 对柱体进行环向加固。试件的设
计尺寸和柱体配筋、预应力纤维条带加固方案如图1
所示，试件所用的材料及其性能详见表1，具体试验分