地震的破坏威力极大,在地震中经常出现由于桥梁结构破坏而导致整个交通系统长时间瘫痪的情况。国内外多次震害调查表明,桥梁墩柱破坏是造成桥梁破坏的主要原因。结合1994年美国洛杉矶的北岭大地震,1999年台湾的集集大地震以及2008年中国汶川大地震的震害调查可以发现,桥梁墩柱的剪切破坏是其主要的震害形式 ^[1,2]。故研究如何对此类破坏形式的桥墩进行快速加固维修,以快速恢复交通具有重要意义。

　　 钢筋混凝土柱加固 ^[3]的方法有很多,以往研究表明:碳纤维布、外包钢、高强钢绞线网-聚合物砂浆 ^[4,5,6]等无预应力加固材料加固的试件存在应力滞后、材料强度利用率低等问题,且无法满足灾后快速抢险的需要。预应力钢绞线加固法 ^[7,8]不仅可以有效解决应力滞后问题,而且具有施工简便、适应灾后应急抢通的需要。目前国内外相关研究大都是针对完好试件的加固研究,而实际加固工程中都是不同程度的损伤柱。本研究利用经典损伤模型对部分试件进行不同程度预损伤,然后选用预应力钢绞线进行加固,研究预应力度、损伤指数、钢绞线间距等指标对于预应力钢绞线加固效果的影响,研究成果对预应力钢绞线加固RC墩柱的应用具有指导意义。

　　 本试验共设计了10个圆形截面的RC柱试件 ^[9],试件配筋如图1所示。柱内纵筋采用1212的HRB500级热轧钢筋对称分布,纵筋配筋率ρ=1.08%,箍筋采用10@150的HRB400级热轧钢筋螺旋配箍,混凝土强度等级为C30,混凝土保护层厚度为20mm;水平力加载点距柱底为608mm,剪跨比为1.9。

　　 本试验采用何政 ^[10]建议的钢筋混凝土结构损伤程度的等级规定,如表1所示。为了考察预应力钢绞线的预应力度、间距对不同损伤程度柱的加固效果,设计试件的预损及加固方案(以下预应力度表示)如表2所示,损伤指数D按经典损伤模型计算的公式为:

　　 $\begin{array}{l}D=\frac{\delta {}_{\text{m}}}{\delta {}_{\text{u}}}+\beta \frac{E{}_{\text{h}}}{Q{}_{\text{y}}\delta {}_{\text{u}}}(1\text{a})\\ \beta =(-0.357+0.73\lambda +0.2\lambda {}_{\text{n}}+0.314\rho )\times 0.7\rho {}_{\text{w}}(1\text{b})\end{array}$

　　 式中:δ_m为低周循环荷载下试件的最大变形;δ_u为试件的破坏位移;E_h为钢筋混凝土柱在低周反复荷载中累积滞回耗能;Q_y为屈服荷载;β为修正系数;λ为剪跨比(λ<1.7时取1.7);λ_n为轴压比(λ_n<0.2时取0.2);ρ为纵筋配筋率;ρ_w为体积配箍率。

　　 当试件最大变形δ_m=4.55mm时,累积滞回耗能E_h=5 585kN·mm,根据公式(1),损伤指数D=0.25;此时,试件a,c两侧(图1中1-1剖面)受拉区底部出现环向裂缝,然后向着b,d两侧柱面斜向发展,此时裂缝宽度约为0.01～0.05mm,长度约为60～80mm,裂缝比较细微;当试件最大变形δ_m=8.37mm时,累积滞回耗能E_h=10 277kN·mm,损伤指数D=0.46;此时,试件b,d两侧柱面斜裂缝继续向柱底斜下方发展,最终得到推拉方向(a,c方向)的相交斜裂缝,此时裂缝宽度约为0.1～0.3mm,裂缝较深,长度约为100～150mm,且柱脚伴随有混凝土轻微脱落;当试件最大变形δ_m=12.92mm时,累积滞回耗能E_h=15 862kN·mm,损伤指数D=0.71;此时,试件原有裂缝宽度增加,最大宽度可到0.6mm,并观测到柱底纵向钢筋屈服,混凝土出现明显压酥现象,柱底混凝土保护层脱落明显。

　　 如图2所示,采用预应力钢绞线对各试验柱进行加固:把加工好的钢绞线网及其钢板锚固件安置在加固位置,旋紧高强螺栓使钢绞线紧贴柱身,预紧之后采用扭矩扳手同步旋紧高强螺栓,对钢绞线施加预应力。

　　 经过预应力钢绞线加固后的柱身变形基本恢复,裂缝基本闭合。以严重损伤程度试件CS100-0.1(D=0.71,α=0.1)为例,加固后最大裂缝宽度从0.5mm变成0.02mm;试件变形基本完全恢复。

　　 试验加载装置如图3所示。用地锚螺栓将底梁锚固在实验室的槽道式台座内,水平作动器提供水平荷载,竖向千斤顶施加600kN恒定轴向压力,设计轴压比为0.3。

　　 按照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101-96),本试验采用荷载-位移混合控制加载。加载程序如图4所示,第一阶段为屈服前的荷载控制阶段,以40kN逐级加载,每个加载级别循环一次;第二阶段为屈服后的位移控制阶段,按屈服位移Δ_y的0.5倍循环加载,每个位移阶段循环3次,直至试件水平承载力下降至最大荷载的85%左右,宣告试件破坏。

　　 测试内容主要包括:荷载监测、钢筋应变监测、钢绞线应变监测、位移测量及裂缝观测。具体方法为:水平及竖向荷载通过荷载传感器进行监测;在柱截面高度范围内布置纵筋应变片和箍筋应变片用以测量钢筋应变;在柱顶、柱中各设置一个位移计,用来测试各点位移;在底座底部设置一个百分表,测试试件相对地面的滑移。测点示意图见图5。

　　 试件的破坏形态如图6所示。加固效果、预应力度、损伤指数、钢绞线间距对试件破坏形态的影响如下:

　　 (1)从试件的最终破坏形态(表3)来看,采用预应力钢绞线加固可以有效地改善试件的破坏模式,试件由脆性的剪切破坏向变形性能较好的弯剪破坏转变。

　　 (2)加固效果影响。由图6(a)～(d)可知,采用钢绞线加固后的试件CP100-0,CP100-0.2与未加固试件CP0-01,CP0-02相比,在同级别的荷载下裂缝扩展高度较低、宽度较细,由于钢绞线的环箍作用,混凝土脱落现象发生较晚,柱身整体性较为完好。说明采用预应力钢绞线加固可以有效延缓试件裂缝出现的时间,限制裂缝的发展与混凝土的脱落,提高试件的变形性能。

　　 (3)预应力度影响。由图6(i)～(j)可知,对比分析试件CM150-0.2与CM150-0.1的破坏形态,试件CM150-0.1混凝土横向膨胀明显,砂浆层脱落严重,说明提高预应力度可以加大钢绞线对混凝土的横向约束,限制裂缝的发展。

　　 (4)损伤指数影响。由图6(e)～(g)可知,对比分析试件CL100-0.1,CM100-0.1,CS100-0.1的破坏过程,损伤指数小的试件,同级位移幅值下斜裂缝数量少、宽度小、箍筋及钢绞线应变增长相对缓慢,说明损伤指数对试件延性变形性能具有较为明显的影响。

　　 (5)钢绞线间距影响。由图6(h)～(i)可知,对比发现试件CM100-0.2与CM150-0.2的破坏形态相差不大,原因为试验中观测发现,在柱底50mm高度范围内(图1)钢筋混凝土受损、脱落比较严重,而改变钢绞线间隔对柱底50mm高度范围内混凝土受损情况影响不大。故钢绞线间隔对试件的整体破坏过程影响不大。

　　 图7为试件的滞回曲线。对比10个试件的滞回曲线,分析加固效果、预应力度、损伤指数、钢绞线间距等因素的影响,得到如下结论:

　　 (1)所有试件在试验加载初期,荷载和变形呈线性分布,试件尚处于弹性阶段;随着水平荷载的增加,滞回环所包含的面积逐渐增大,此时试件处于弹塑性阶段;达到屈服荷载后随着水平位移的增大,滞回曲线的切线斜率显著下降,滞回环面积明显增大。

　　 (2)加固效果影响。由图7(a),(c),(d)可知,对比分析CP0-01,CP100-0,CP100-0.2的滞回曲线可知:采用预应力钢绞线加固后试件的滞回曲线更加饱满,耗能能力、承载能力及变形能力显著提高。

　　 (3)预应力度影响。由图7(f),(h)与图7(i),(j)可知,对比分析试件CM100-0.1与CM100-0.2、试件CM150-0.1与CM150-0.2的滞回曲线可知:钢绞线预应力度对滞回曲线有明显影响,在损伤指数和钢绞线间距相同的情况下,预应力度较高的CM100-0.2,CM150-0.2滞回曲线更加饱满、耗能能力显著增加,达到峰值荷载后,曲线下降缓慢,具有良好的塑性变形能力。

　　 (4)损伤指数影响。由图7(d),(h)可知,对比分析试件CP100-0.2,CM100-0.2的滞回曲线,发现完好加固柱试件CP100-0.2与中等损伤加固柱试件CM100-0.2相比滞回曲线更为饱满,滞回循环次数更多,且中等损伤柱滞回曲线“捏缩”现象明显,承载力达到峰值后迅速下降。

　　 (5)钢绞线间距影响。由图7(f),(j)与图7(h),(i)可知,对比分析试件CM100-0.1与CM150-0.1、试件CM100-0.2与CM150-0.2,在损伤指数与预应力度相同的情况下,随着钢绞线加固间距的减小,试件的滞回曲线更加饱满,循环次数及极限位移增加,但承载力的提升效果不明显。

　　 部分试件的骨架曲线如图8所示,从各试件骨架曲线中提取特征荷载与变形如表3所示,对比分析预应力度、损伤指数及钢绞线间距对承载力及变形能力的影响,可知:

　　 (1)预应力度影响。由图8(a)及表3可知,对比分析试件CM100-0.1与CM100-0.2、CM150-0.1与CM150-0.2,在损伤指数与钢绞线间距不变的情况下,增大钢绞线的预应力度使得试件的峰值荷载显著增加;破坏时的极限位移随着钢绞线预应力水平的增加而增大。说明增大预应力度可以增加试件的变形能力,改善试件的抗震性能。

　　 (2)损伤指数影响。由图8(c)及表3可知,对比分析试件CL100-0.1,CM100-0.1,CS100-0.1,随着损伤程度的增加,试件的峰值荷载逐步降低,试件CL100-0.1,CM100-0.1,CS100-0.1的峰值荷载分别为未加固试件CP0-02的109.2%,100.3%,93.5%;位移延性系数随损伤程度的增加逐步降低,试件CL100-0.1,CM100-0.1,CS100-0.1位移延性系数分别为未加固试件CP0-02的136%,132%,112%。

　　 (3)钢绞线间距影响。由图8(b)及表3可知,对比分析试件CM100-0.1与CM150-0.1、试件CM100-0.2与CM150-0.2,试件CM100-0.1,CM150-0.1,CM100-0.2,CM150-0.2峰值荷载分别为未加固试件CP0-02的100.3%,96.3%,113.4%,106.5%。位移延性系数分别为未加固柱的132%,122%,142%,132%,说明减小钢绞线间距可以加强试件的加固效果,但影响均在10%以内。

　　 (4)加固效果影响。从表3中可以看出加固试件的屈服荷载可以达到未加固试件CP0-02的94.6%～102.9%,加固试件的峰值荷载为未加固试件的96.3%～120.3%,加固试件的位移延性系数较未加固试件提高12%～90%。故从承载力恢复上,本研究采用加固法能够基本满足应急的承载力恢复要求。从变形能力上,加固试件的位移延性系数对比未加固试件有了较大的提高。

　　 表4为各试件破坏前所能达到的最大累积耗能。预应力度、损伤指数、钢绞线间距等因素对累积耗能的影响如下:

　　 (1)预应力度影响。对比分析试件CM100-0.1与CM100-0.2、试件CM150-0.2与CM150-0.1的耗能相对值:试件CM100-0.2相对于试件CM100-0.1提升了68%,试件CM150-0.2相对于试件CM150-0.1提升了53%,说明提高钢绞线预应力度可以有效提高试件的耗能能力。

　　 (2)损伤指数影响。对比分析试件CL100-0.1,CM100-0.1,CS100-0.1的累计耗能数据,可见试件的最大累积耗能随损伤指数的增加而降低。

　　 (3)钢绞线间距影响。对比分析试件CM100-0.1与CM150-0.1、试件CM100-0.2与CM150-0.2的耗能相对值,差距小于10%,说明本试验中改变钢绞线间距对试件耗能能力的影响较小。

　　 对文献[11]建议的圆形截面RC柱斜截面受剪承载力公式进行修正,修正公式考虑柱的损伤指数及预应力钢绞线的作用,修正后加固RC柱抗剪承载力为:

　　 $V{}_{\text{c}}=V{}_{\text{c}\text{s}}+V{}_{\text{p}\text{s}}(2)$

　　 $V{}_{\text{c}\text{s}}=(1-d)\frac{0.21}{\lambda }f{}_{\text{c}}D\overline{h}{}_0+f{}_{\text{y}\text{v}}\frac{A{}_{\text{s}\text{v}}}{s}\overline{h}{}_0+0.07{\rm N}(3)$

　　 $V{}_{\text{p}\text{s}}=\frac{A{}_{\text{p}\text{s}}D}{S{}_{\text{p}}}f{}_{\text{p}\text{s}}(\alpha +{\beta }^{\prime })(4)$

　　 式中:V_cs为混凝土承担的剪力;d为初始损伤度;V_ps为预应力钢绞线承担的剪力; A_ps为配置在同一截面内钢绞线的全部截面面积;D为圆形截面柱的直径;f_ps为钢绞线极限抗拉强度;α为预应力度;β′为水平荷载最大时钢绞线的应变增量与钢绞线极限拉应变的比值(根据试验研究,β′取为0.3);S_p为沿柱高方向钢绞线的间距;其他符号含义参见《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)。

　　 采用试验研究得到的部分数据验证本文的计算公式,计算结果对比如表5所示。

　　 由表5可知,试验结果与公式计算结果之比V_t/V_c均大于1.0,平均值为1.19,标准差为0.140,变异系数为0.118。公式计算结果和试验结果较为吻合,且公式计算结果均小于试验结果,较为安全,有利于工程应用。

　　 (1)加固柱承载力基本满足应急的承载力恢复要求,位移延性系数比未加固柱有了较大的提高。

　　 (2)钢绞线预应力度对加固效果影响显著:随着预应力度的增加,试件的滞回曲线更加饱满,峰值荷载明显提高,位移延性系数显著改善,有效提高了试件的抗震效果。

　　 (3)损伤指数对加固后试件抗震性能影响较大:随着损伤指数的增加,滞回曲线的饱满度降低,累积耗能降低,峰值荷载和位移延性系数减小。

　　 (4)本研究采用的100,150mm两种钢绞线间距,研究表明两种钢绞线间距的改变对加固后试件的性能影响不大,是因为柱底50mm范围内的钢筋混凝土受损、脱落比较严重,而改变钢绞线间距对柱底50mm范围内混凝土影响不大。

　　 (5)建立了预应力钢绞线加固震损混凝土圆柱受剪承载力计算公式,经与试验结果对比,公式计算结果和试验结果较为吻合且留有一定的安全储备,可为实际工程损伤加固提供参考。