我国现有建筑结构的总面积达430亿m², 其中约30%～50%的建筑因灾害损伤、年久老化等原因出现安全性功能失效或建筑功能退化, 并且按照现行抗震设防标准的要求, 有相当部分的建筑不能满足抗震要求。增大截面法加固具有工艺简单、造价低廉、加固效果显著等特点, 在我国加固改造建筑中得到广泛应用^[1]。

　　 近年来很多国内外学者通过试验与数值分析方法对增大截面加固钢筋混凝土柱受力性能进行了研究。田炜、黄兴棣^[2]等通过10根采用增大截面加固的钢筋混凝土柱大偏压二次受力的试验研究, 分析了纵向钢筋配筋率和荷载预应力的影响。李红等^[3]采取双侧加固和四周加固方式对钢筋混凝土偏心受压构件的正截面承载力进行了试验研究与有限元分析, 对现行加固规范提出了修改建议。目前关于增大截面法加固柱的研究多针对轴心受压和偏心受压柱的正截面承载力, 而对于其抗震性能的研究较少。

　　 框架体系中框架柱不仅是主要的竖向受力构件, 其抗震能力和延性也决定了整个结构的抗震能力。震害调查结果表明, 在地震中, 框架柱一旦受到破坏, 建筑物必然会受到较为严重的破坏甚至垮塌, 且框架柱的破坏多发生在柱顶节点下部或柱脚处^[4]。因此系统研究增大截面法加固之后柱的抗震性能十分必要。为研究轴压比、新增纵向钢筋的配筋率、新增箍筋的配箍率对加固柱各项抗震指标的影响, 本文基于增大截面法加固柱的低周往复荷载试验, 通过ANSYS创建加固钢筋混凝土柱滞回性能的有限元分析模型, 经试验结果验证后, 改变试验参数进行数值模拟分析, 研究加固柱的抗震性能, 为加固结构设计和工程应用提供参考。

　　 根据课题组进行的加固柱的低周往复试验^[5], 选取其中四周加固的柱试件进行有限元模拟, 原柱截面高×宽=250mm×250mm, 经四周加固后, 截面高×宽=310mm×310mm, 柱高度设计为1 250mm, 试件简图如图1所示。

　　 试验由液压千斤顶在柱的顶端施加200kN竖向恒定荷载, 固定在反力墙上的拉压千斤顶施加水平荷载。试验加载制度采用力和位移混合控制加载, 纵筋屈服之前, 选用荷载控制逐级施加荷载, 每级循环一次;纵筋屈服后, 选用位移控制的加载方法, 按屈服位移的倍数逐级加载, 每级循环三次, 加至某级第一次循环的荷载降至极限荷载的85%以下, 停止加载。试验得到的试件荷载-位移滞回曲线见图2, 由图2可知, 相对于未加固试件, 加固试件由于截面增加使刚度变大, 滞回环饱满程度较好, 水平承载力较大, 试件极限变形大、延性好, 抗震性能明显提高。

　　 采用有限元分析软件ANSYS对该试件进行模拟分析。假定钢筋和混凝土之间不发生粘结滑移, 新老混凝土作为整体共同工作, 变形协调良好。采取分离式建模方法, 混凝土和灌浆料选用Solid65单元, 钢筋选用Link8单元。数值模拟中的材料力学性能指标参照文献[5]的材性试验结果, 均采用实测值。混凝土采用多线性等向强化模型, 应力-应变曲线如图3所示, 打开软件压碎设置, 设置混凝土的单轴抗压强度为混凝土强度的实测值。

　　 模型的几何尺寸与配筋形式均与试验相同。为避免数值模拟中出现应力集中使模型过早失效, 在柱底部放置刚性垫块, 选用Solid45单元模拟。在柱底端对三个方向的自由度进行约束来模拟固定端。采用映射网格划分单元, 网格尺寸为100mm, 有限元模型及网格划分如图4所示。数值模拟采用和试验相同的加载制度, 采用位移收敛准则, 精度为0.05, 计算至加载过程全部完成或计算不能收敛为止^[6]。

　　 对未加固柱与四周加固柱试件进行有限元分析所得滞回曲线和试验滞回曲线的对比见图5。由图5可知, 有限元分析与试验得到的滞回曲线整体变化趋势吻合较好, 极限承载力误差分别为9.15%和6.10%, 均在可接受范围内。因此, 该有限元模型能够在可接受的误差范围内模拟加固钢筋混凝土柱在低周往复荷载作用下的受力性能。

　　 为分别研究加固钢筋混凝土柱抗震性能受轴压比、配筋率、配箍率等参数的影响, 如表1所示, 分三组对12个加固钢筋混凝土柱试件进行有限元分析:试件JGZ1～JGZ4为第一组, 通过改变加固柱顶施加的轴压力研究轴压比的影响;试件JGZ2, JGZ5～JGZ7为第二组, 通过改变新增纵筋的直径研究配筋率的影响;试件JGZ2, JGZ8～JGZ12为第三组, 通过改变新增箍筋的间距和直径研究配箍率的影响。

　　 绘制试件荷载-位移滞回曲线见图6, 从图中可看出:1) 加载前期, 模型处于弹性工作阶段, 卸载之后残余变形基本为零, 随着位移增加, 增大截面加固柱滞回曲线较为丰满, 呈现出良好的延性性能和耗能性能。2) 第一组试件中, 由图6 (a) ～图6 (d) 可以看出, 加固柱的滞回性能受轴压比的影响比较显著, 试件JGZ1滞回曲线比较丰满, 完成了6Δ_y位移水平的循环, 但随轴压比的增加, 试件滞回曲线的饱满程度逐渐降低, 试件屈服后位移循环的次数越来越少, 试件JGZ2和试件JGZ3均完成了5Δ_y位移水平的循环, 试件JGZ4仅完成了4Δ_y位移水平的循环, 变形能力明显减弱, 说明轴压比越高的试件抗震能力越差, 因此对混凝土柱进行抗震改造加固时应避免轴压比过大, 以确保其具有足够的变形能力。3) 第二组试件中, 随加固部分纵筋配筋率的提高, 屈服位移和屈服荷载均依次增加, 水平承载力大幅提高。4) 第三组试件JGZ2, JGZ9, JGZ12随箍筋直径增加, 试件滞回曲线的饱满程度显著增加, 循环次数依次增多, 极限位移变大, 变形能力增强, 耗能能力显著提高。分别对比试件JGZ2和试件JGZ8、试件JGZ9和试件JGZ10, 将全柱箍筋加密, 配箍率提高, 但滞回曲线变化不大, 水平承载力略有提高。这是由于在地震作用下破坏主要发生在柱底, 将柱中箍筋加密对其抗震性能影响不大。

　　 骨架曲线能够明确反映结构的承载力、变形等性能, 有限元分析得到各试件的骨架曲线如图7～9所示, 骨架曲线主要特征点分析结果见表2。可以看出:

　　 (1) 如图7所示, 随轴压比的增加, 增大截面加固柱初始刚度增加, 试件的屈服位移依次增加, 屈服荷载相应提高15%～43%, 水平承载力也稍有提升, 但幅度不大, 试件极限位移依次减小, 延性性能显著退化。

　　 (2) 如图8所示, 随配筋率的增加, 各试件进入屈服阶段越晚, 试件的屈服位移和屈服荷载均有所增加, 骨架曲线的下降段减缓, 各试件的水平承载力提高显著, 相比试件JGZ2, 极限荷载的最大增幅约为21.8%。同时, 纵向钢筋配筋率越大, 试件极限位移越大, 但计算所得位移延性系数并没有相应增加, 试件延性性能也没有依次增强, 反而是配筋率相对适中的试件JGZ5的延性系数最大。这是因为配筋率过高, 在钢筋还没有充分发挥其作用之前, 混凝土可能已经达到极限压应变, 产生破坏。因此, 适当增加纵筋的配筋率对提高增大截面加固柱的水平承载力效果显著, 但配筋率并不是越高越好。

　　 (3) 如图9所示, 第三组试件在轴压比和配筋率不变的前提下, 仅配箍率不同时, 构件在弹性阶段的骨架曲线比较相似, 说明了配箍率的变化对构件发生塑性变形之前受力变形特性的影响是有限的。从表2中也可以看出, 变化配箍率, 对试件达到屈服时的位移和荷载影响微弱, 但对构件延性性能的影响非常明显。试件JGZ2, JGZ9, JGZ12箍筋直径依次增大, 在水平承载力达到峰值荷载后, 对比分析这三个试件骨架曲线可以发现, 箍筋直径较大的试件骨架曲线下降相对缓慢, 试件变形能力得到改善, 后两者延性系数依次提高14%和27.6%。分别对比分析试件JGZ2和试件JGZ8, 试件JGZ9和试件JGZ11, 这两组试件箍筋直径分别为8mm和10mm, 后者全柱箍筋加密, 配箍率相应提高, 但两组试件所表现出来的位移延性并没有随配箍率增加而相应增大, 说明减小柱中区域箍筋的间距对试件的抗震影响不大。对比分析试件JGZ8和试件JGZ10, 二者仅在柱底加密区箍筋间距不同, 但二者随柱底加密区箍筋间距的减小延性性能明显提高, 说明减小柱底加密区箍筋间距对改善构件的延性性能效果显著, 这主要是由于加密箍筋能够对柱底混凝土产生套箍效应, 提高混凝土的抗压强度与极限变形能力。对比分析试件JGZ11和试件JGZ12, 二者配箍率仅相差0.01%, 但位移延性系数相差较大, 说明增大箍筋的直径比减小柱中箍筋间距对构件延性性能改善效果更加明显。

　　 由此可见, 纵筋配筋率是影响增大截面加固柱水平承载力的主要因素, 轴压比及配箍率对加固柱的变形能力影响较大。

　　 循环荷载作用下, 构件的刚度随位移增加而不断减小的现象, 即刚度退化。加固钢筋混凝土柱的刚度退化曲线如图10～12所示, 加载前期, 各试件的刚度退化速度均很快, 随着荷载与位移的不断增加, 各试件刚度退化速度逐渐减缓。

　　 如图10所示, 在第一组试件中, 试件初始刚度随轴压比增加而增加。随位移增加, 轴压比较大试件的刚度退化略快, 当水平位移约为55mm时, 各试件刚度退化曲线趋于一致。如图11所示, 第二组试件中, 配筋率越高, 刚度退化曲线越平缓。如图12所示, 在第三组试件中, 各试件在加载前期刚度退化曲线基本一致, 后期刚度退化随箍筋直径增加逐渐减缓, 柱中箍筋间距减小对刚度退化影响不大, 柱底箍筋间距减小刚度退化减慢。

　　 本文通过增大截面加固钢筋混凝土柱在低周往复荷载作用下的数值模拟, 可以得到以下结论:

　　 (1) 采用ANSYS软件对低周反复荷载作用下加固柱的受力性能进行有限元模拟, 计算结果同试验结果符合较好, 验证了该分析模型的适用性。

　　 (2) 随试件轴压比增大, 加固柱的极限荷载稍有提高, 但延性性能和耗能能力降低。工程中对钢筋混凝土柱进行抗震加固时应严格限制其轴压比。

　　 (3) 随着新增纵向钢筋配筋率增加, 加固柱的承载力和耗能能力改善显著, 刚度的退化速度较慢, 抗震性能提高, 但配筋率并非越大越好。

　　 (4) 随着新增箍筋配箍率增大, 加固柱的承载力变化不大。但随着新增箍筋直径的增大、柱底新增箍筋间距的减小, 加固柱的变形能力大幅提高, 延性性能得到明显改善。同时, 减小柱中新增箍筋的间距, 抗震性能变化不大。