楊永超

（山東天健信達(dá)工程咨詢有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

利用混凝土-FDP（高性能纖維聚合材料）摻雜技術(shù)提高混凝土強(qiáng)度的研究思路目前已在路橋領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好成效。李秋林等[1]深入研究了高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的關(guān)鍵影響因素，對破壞性構(gòu)件模擬實驗原則進(jìn)行了優(yōu)化補(bǔ)充，構(gòu)建了系統(tǒng)分析表征參數(shù)體系。胡方鑫等[2]采用可更換屈曲約束耗能板優(yōu)化結(jié)構(gòu)研究了鋼框架柱腳節(jié)點(diǎn)的抗震特性，發(fā)現(xiàn)在相同沖擊能量的前提下，耗能板結(jié)構(gòu)可在低承載能力條件下表現(xiàn)出更優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。李成玉等[3]采用損傷分析的方式，分析了滑移摩擦柱腳震中的損傷產(chǎn)生過程和損傷程度，證明不同的節(jié)點(diǎn)連接方式顯著影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。綜合以上研究結(jié)果可合理推測利用FRP-混凝土加固材料可有效減少地震對預(yù)制混凝土柱的損傷，本文在以往研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料模擬實驗，綜合考慮連接節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，利用正交實驗法進(jìn)行性能和抗震損傷分析。

1 FRP-混凝土材料柱腳連接節(jié)點(diǎn)抗震性能實驗

1.1 材料性能正交實驗參數(shù)設(shè)計

由于FRP-混凝土摻雜材料并未改變灌漿套筒連接施工方式，因此利用原有的施工設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，與傳統(tǒng)材料相比，摻雜材料具有高強(qiáng)度、高延展性的特點(diǎn)，在當(dāng)前的裝配建筑施工環(huán)境下有良好的應(yīng)用價值。相關(guān)研究表明，F(xiàn)RP-混凝土構(gòu)件本身具有良好的抗震性能，本實驗在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將節(jié)點(diǎn)連接層次納入抗震性能評價范疇。灌漿套筒連接會形成外包式柱腳，實驗以現(xiàn)有的外包式規(guī)范柱腳形式為基準(zhǔn)模型，測試埋深、軸壓比和套管厚度對建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[4]。

實驗采用正交實驗設(shè)計模式，通過改變軸壓比和套管厚度、埋深、箍筋設(shè)置與栓釘數(shù)目五個基本參數(shù)，基本構(gòu)型為5 因素3 水平，構(gòu)建出16 組不同的實驗設(shè)計方案，每個構(gòu)件實驗組具體參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 構(gòu)件正交設(shè)計參數(shù)詳情表

其中加強(qiáng)箍筋0 水平表示不加設(shè)加強(qiáng)箍筋，1 水平表示加裝箍筋，埋深以套管內(nèi)直徑D 為基準(zhǔn)，D 取300mm。套管主要采用水泥Q345 鋼材，F(xiàn)RP 性能材料由建筑市場購置得到，材料為微米級，摻雜比例選定與流程均按照摻雜混凝土標(biāo)準(zhǔn)操作手冊進(jìn)行，對于形成的標(biāo)準(zhǔn)大小水泥塊進(jìn)行壓力測試，抗壓能力為78.12MPa±8.43MPa。

1.2 材料性能實驗構(gòu)件模擬設(shè)計

模擬構(gòu)件采用天津廣德材料集團(tuán)的FRP 微米級復(fù)合纖維材料，灌注混凝土材料采用C25 標(biāo)準(zhǔn)，鋼管采用Q345 鋼材，每組方案設(shè)置8 個柱腳節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行平行實驗，利用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件分析數(shù)據(jù)，置信區(qū)間為95%，去掉異常值后計算平均值。構(gòu)件在設(shè)定的變量參數(shù)條件下進(jìn)行荷載實驗。實驗中柱體設(shè)計為1 500mm，加裝25mm 作漿料，柱體箍筋采用標(biāo)準(zhǔn)鋼材，鋼筋套筒采用傳統(tǒng)連接模式，套筒上注漿口與出漿口間距設(shè)置為117mm[5]。

試驗?zāi)M現(xiàn)場的施工工序進(jìn)行加工，均采用傳統(tǒng)的混凝土套筒施工方式，構(gòu)件分為預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件。其中柱體和地梁在實驗前按照圖紙進(jìn)行加工預(yù)制，所有實驗采用的主體均為同批次加工產(chǎn)物，灌漿套筒為加工成品，利用滾軋直螺紋的方式與柱內(nèi)鋼筋進(jìn)行連接，套筒采用預(yù)埋法，外露鋼筋，根據(jù)分組不同分別注入水泥基和FRP-水泥基復(fù)合材料，制成對照組和實驗組的基礎(chǔ)構(gòu)件。構(gòu)件制作完成以后，檢查各類監(jiān)測點(diǎn)的埋點(diǎn)是否準(zhǔn)確，安裝好灌漿管。為保證構(gòu)件的代表性，制作的預(yù)制構(gòu)件需要定期進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，避免部分構(gòu)件因為保存和運(yùn)輸而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。

2 FRP-混凝土套筒灌漿連接試件破壞模擬分析

2.1 構(gòu)件破壞實驗?zāi)M方法設(shè)計

實驗采用示數(shù)型壓力設(shè)備進(jìn)行軸向施壓，通過反力架控制加壓方向，加載力與柱體軸線的夾角需要控制在6.5°以內(nèi)。狀態(tài)穩(wěn)定后，利用滾軸改變壓力加載方向。方向的互動改變需要嚴(yán)格利用儀表進(jìn)行檢測控制，地梁全程不應(yīng)出現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動的情況，避免影響實驗結(jié)果。實驗過程中利用MTS 控制系統(tǒng)實現(xiàn)水平低周往復(fù)荷載變化。軸向施壓起始壓力值設(shè)定為10kN，然后改變荷載方向，再重新回到原受力方向后改變荷載力，本次實驗荷載增量為10kN/次[6]，循環(huán)直至數(shù)字式的裂縫寬度檢測儀采集到水平值以上數(shù)值為止，觀察此時構(gòu)件裂紋的發(fā)展情況。

2.2 構(gòu)件破壞實驗結(jié)果對比

對照組與實驗組在同一方案中軸壓比、套管厚度、埋深D、加強(qiáng)箍筋、栓釘數(shù)目等條件均保持一致，僅改變灌漿混凝土的基準(zhǔn)性質(zhì)，對照組采用FRP-混凝土材料，混合質(zhì)量比根據(jù)相關(guān)手冊選定，對照組采用一般混凝土。

通過總結(jié)實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在軸向加壓階段對照組和實驗組構(gòu)件均無明顯的損壞現(xiàn)象，柱體與基礎(chǔ)完好。當(dāng)壓力為102.41kN 時第12 方案對照組套管與基礎(chǔ)界面的連接處出現(xiàn)細(xì)小裂縫，此時裂縫寬度計出現(xiàn)示數(shù)波動，其他組均無明顯的示數(shù)反應(yīng)。當(dāng)壓力荷載為130.83kN 時，多數(shù)對照組基礎(chǔ)頂面出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)水平位移。隨著荷載不斷變化，裂縫開始快速發(fā)展延伸。以第4 方案對照組為例，此時構(gòu)件出現(xiàn)弧形裂縫，位移達(dá)到54.12mm，裂縫距離基礎(chǔ)表面約為320mm。隨著荷載增大，裂縫不斷發(fā)育，構(gòu)件出現(xiàn)混凝土脫開現(xiàn)象。而實驗組在荷載為4kN 時，出現(xiàn)裂縫示數(shù)的為第12 方案、第7 方案和第14 方案。以14 方案為例，其柱腳處出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度檢測儀出現(xiàn)示數(shù)，構(gòu)件出現(xiàn)側(cè)向位移。實驗統(tǒng)計了在135kN 荷載條件下，出現(xiàn)裂紋的構(gòu)件的最大裂縫寬度對比如圖1 所示。

圖1 實驗組與對照組最大裂縫寬度對比圖

其中對照組最大裂縫寬度平均值為8.97mm，分布標(biāo)準(zhǔn)差為4.01，實驗組最大裂縫寬度平均值為4.52，分布標(biāo)準(zhǔn)差為2.71。示數(shù)結(jié)果顯示，實驗組構(gòu)件破壞情況優(yōu)于實驗組，裂縫寬度受軸壓比、套管厚度、埋深D 等因素影響趨勢與對照組相似，說明應(yīng)用FRP-混凝土一定程度上緩解了構(gòu)件在地震破壞環(huán)境下混凝土開裂情況。

為驗證數(shù)據(jù)的充足性和有效性，記對照組為F1，實驗組為F2，根據(jù)實驗結(jié)果，F(xiàn)1 組平均值μ1=8.97，δ1=4.01，F(xiàn)2 組平均值μ2=4.52，δ2=2.71。利用SPSS 對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗[7]，結(jié)果如表2 所示。

表2 最大裂縫獨(dú)立因子T 檢驗分析結(jié)果表

結(jié)果顯示，二組之間萊文方差等同性檢驗顯著性P=0.052＞0.05，二組之間方差不齊，以不假定方差計算結(jié)果為準(zhǔn)。均值對比結(jié)果顯示，二者之間雙尾顯著性p=0.03＜0.05，說明間FRP-混凝土材料數(shù)據(jù)與普通混凝土數(shù)據(jù)在0.05 顯著性水平存在顯著性差異，效果改進(jìn)具有統(tǒng)計學(xué)意義。利用PASS 對測試數(shù)據(jù)量進(jìn)行檢驗，設(shè)定數(shù)據(jù)把握度為90%，根據(jù)統(tǒng)計的方差不等的計算結(jié)果，利用PASS 進(jìn)行不等標(biāo)準(zhǔn)差T 檢驗樣本量模擬計算，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 PASS 樣本量分析詳情圖

證明實驗組與對照組之間存在顯著性差異，需要的有效樣本數(shù)量為28 個，考慮20%的檢測異常概率，需要的檢測樣本數(shù)量為36。試驗中每組方案進(jìn)行了8 組平行試驗，試驗對7 組方案進(jìn)行了裂縫統(tǒng)計，有效數(shù)據(jù)為112個，遠(yuǎn)高于所需的樣本數(shù)，因此統(tǒng)計數(shù)據(jù)充足，數(shù)據(jù)分析結(jié)果有效。

3 FRP-混凝土套筒灌漿連接抗震性能參數(shù)分析

3.1 強(qiáng)度退化分析

結(jié)構(gòu)破壞性試驗利用低周往復(fù)荷載檢驗結(jié)構(gòu)抗震性能，為定向分析不同的因素對構(gòu)件穩(wěn)定性的破壞，對各方案在實驗過程中的強(qiáng)度退化程度進(jìn)行了定量計算。研究采用第二次循環(huán)前后的峰值的比值作為評價參數(shù)，稱為二級強(qiáng)度退化參數(shù)。實驗組不同方案的二級退化參數(shù)記錄如表3 所示。

表3 不同方案強(qiáng)度二級退化參數(shù)表

實驗結(jié)果表明，對于采用了混合材料的實驗組，二級退化參數(shù)值處于78%～92%之間，退化程度不強(qiáng)。但是采用了加固措施的方案其二級退化參數(shù)明顯高于未采用加固措施的構(gòu)件，比如方案12，其二級退化參數(shù)為74.47%。而采用了加固措施并增加埋深的方案6，其二級退化參數(shù)89.60%，相較于方案6 提升了15.13%。二級退化參數(shù)數(shù)值越大，當(dāng)退化參數(shù)低于60%說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生了明顯退化，結(jié)構(gòu)整體已經(jīng)發(fā)生了不穩(wěn)定變化，已經(jīng)逼近界限范圍。利用SPSS 進(jìn)行正交方差分析，認(rèn)為對于二級退化參數(shù)存在顯著性影響的參數(shù)是埋深、是否加強(qiáng)箍筋和軸壓比。采用了FRP-混凝土材料進(jìn)行套筒灌漿連接的試件在選擇450mm 埋深并加裝箍筋和栓釘后，抗損傷性能良好，在地震過程中柱腳節(jié)點(diǎn)的承載力退化得到了有效優(yōu)化。

3.2 節(jié)點(diǎn)剛度退化

為驗證不同方案之間的節(jié)點(diǎn)剛度退化區(qū)別，同時檢測記錄不同的構(gòu)件在混凝土開裂和鋼筋扭曲情況，利用割線剛度對不同周期的構(gòu)件剛度進(jìn)行表征，計算荷載周期滯回環(huán)割線剛度曲線峰值位移和矢量荷載變化絕對值之間比值作為剛度表征參數(shù)。為定量比較不同試件的剛度退化情況，對計算出的表征參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化處理，因此采用一個測試周期前后的剛度表征參數(shù)的比值作為退化參數(shù)，實驗同樣選用第二荷載周期，退化參數(shù)記為二級剛度退化參數(shù)[8]，具體數(shù)值如表4 所示。

表4 不同方案剛度二級退化參數(shù)表

荷載破壞實驗初期，試件的剛度承載力達(dá)到峰值，開始逐步進(jìn)入剛度下降趨勢，利用SPSS 進(jìn)行曲線的曲率分析，發(fā)現(xiàn)第二周期內(nèi)剛度變化進(jìn)入典型變化區(qū)。二級退化參數(shù)值處于75%～83%之間，部分設(shè)計合理的方案的剛度曲線下降區(qū)域平緩且有明顯的曲線平滑區(qū)，如方案8，平均剛度退化參數(shù)為81.66%。這表明在合理的鋼管厚度的條件下，采用FRP-混凝土材料進(jìn)行套筒灌漿連接形成的柱腳節(jié)點(diǎn)有良好的延伸性，剛度退化延緩，抗震性能得到了提升。同時說明加裝箍筋和栓釘能在第二周期提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減緩地震初期結(jié)構(gòu)的剛度退化。

4 結(jié)論

（1）研究采用模擬實驗法進(jìn)行了FRP-混凝土材料柱腳連接節(jié)點(diǎn)抗震性能測試，采用統(tǒng)計學(xué)手段以軸壓比、套管厚度、埋深D、加強(qiáng)箍筋、栓釘數(shù)目作為水平因子構(gòu)建了16 組不同條件正交實驗，證明在不同的施工條件下FRP-混凝土材料與普通混凝土材料的應(yīng)用效果存在顯著差異。結(jié)構(gòu)破壞性實驗結(jié)果顯示，新材料在構(gòu)件在地震破壞環(huán)境下混凝土開裂情況得到了改善。樣本量分析結(jié)果顯示，實驗有效數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于所需樣本量，數(shù)據(jù)信息合理有效。

（2）利用正交方差分析確定了對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛性影響較大的關(guān)鍵因子。結(jié)果表明，采用FRP-混凝土材料進(jìn)行套筒灌漿連接形成的柱腳節(jié)點(diǎn)有良好的結(jié)構(gòu)剛性和延展力，采用450mm 埋深并加裝箍筋和栓釘可以有效緩解地震初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度退化的情況，提升構(gòu)件抗震性能。