复合加固方形木柱的抗震性能分析_周长东.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0189-12复合加固方形木柱的抗震性能分析周长东1，闫佳玲2，阿斯哈1(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.北京首都开发控股(集团)有限公司，北京100101)摘要：为了提高方形木柱的承载能力和抗震性能，提升古建木结构的抗震安全性，提出采用内嵌钢筋、外包碳纤维(carbonfiberreinforcedpolymer,CFRP)布复合加固木柱。通过方形木柱的低周往复荷载试验，研究了不同加固模式、钢筋用量、CFRP 布加固量等因素对木柱抗震加固效果的影响；利用有限元软件 OpenSees 对复合加固方形木柱的抗震性能开展了数值模拟，通过数值模拟结果和试验数据的对比验证了有限元模型的可靠性；分析了轴向荷载、钢筋直径、CFRP 布层数等参数对复合加固方形木柱滞回性能、侧向承载能力、延性性能、刚度退化以及耗能能力的影响。分析结果表明，内嵌钢筋可以显著提升方形木柱的侧向承载能力和耗能能力；外包 CFRP 布能够限制木材横向变形和内嵌钢筋的外凸，提高方形木柱的延性性能，延缓其刚度退化；复合加固能够大幅度提高方形木柱侧向承载力、延性及耗能能力，改善其刚度和强度退化，抗震加固效果显著。关键词：方形木柱；复合加固；内嵌钢筋；外包 CFRP 布；抗震性能；有限元分析中图分类号：TU366.2文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0739SEISMICPERFORMANCEANALYSISOFCOMPOSITESTRENGTHENEDSQUARETIMBERCOLUMNSZHOUChang-dong1,YANJia-ling2,ASi-ha1(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.BeijingCapitalDevelopmentHolding(Group)Co.,Ltd.,Beijing100101,China)Abstract:Inordertoimprovethebearingcapacityandseismicperformanceofsquaretimbercolumnsandimprovetheseismicsafetyofancientwoodenstructures,acompositemethodwithnearsurfacemountedsteelbarsandwrappedCFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)stripsisproposedtostrengthenthetimbercolumns.Low cyclic loading tests were carried out on square timber columns to study the influence of differentstrengthening modes,amount of steel bars and CFRP strips on the seismic performance.The finite elementsoftwareOpenSeeswasalsoused,andthereliabilityofthefiniteelementmodelwasverifiedbycomparingtheanalyticalandexperimentalresults.Theeffectsofaxialload,steelbardiameterandthenumberofCFRPlayersonthehystereticbehavior,lateralbearingcapacity,ductility,stiffnessdegradationandenergydissipationcapacityofcompositestrengthenedsquaretimbercolumnswereanalyzed.Theresultsshowthatthenear-surfacemountedsteelbarcansignificantlyimprovethelateralbearingcapacityandenergydissipationcapacityofsquaretimbercolumns;theexternalCFRPstripscanlimitthelateraldeformationoftimberandprotrusionofmountedsteelbars,andcanimprovetheductilityandreducethestiffnessdegradationofsquaretimbercolumns;thecompositestrengtheningmethodcansignificantlyimprovethelateralbearingcapacity,ductility,energydissipationcapacity,aswellasthestiffnessandstrengthdegradationofsquaretimbercolumns.Inconclusion,theeffectivenessofcompositestrengtheningmethodisremarkable.Keywords:squaretimbercolumn;compositestrengthening;nearsurfacemountedsteelbar;wrappedCFRPstrips;seismicperformance;finiteelementanalysis收稿日期：2021-09-24；修改日期：2022-02-17基金项目：国家自然科学基金项目(52078030，51678039)通讯作者：周长东(1971)，男，山东人，教授，博士，主要从事结构鉴定加固及抗震防灾研究(E-mail:).作者简介：闫佳玲(1995)，女，河北人，工程师，硕士，主要从事木结构加固研究(E-mail:);阿斯哈(1992)，男(蒙古族)，内蒙古人，博士，主要从事木结构加固研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS189木结构古建筑具有优异的抗震性能12，但经过成百上千年的使用会造成木材的损伤和性能退化，从而削弱其抗震能力，需要进行抗震加固。外包纤维布能够有效约束和限制木柱的横向膨胀和变形，从而提高木柱受压承载力和延性，改善木柱的抗震性能，但仅采用外包纤维布的抗震加固效果有限36。而在表面开槽内嵌钢筋、FRP(fiberreinforcedpolymer)筋等筋材可以有效提高木梁的抗弯承载力711，木材与表面嵌筋之间具有可靠的黏结锚固性能1213。尽管内嵌筋材加固能够大幅度提升构件的承载力，但也存在内嵌筋材易与木槽逐渐剥离、筋材外露等问题，从而影响加固效果。内嵌 GFRP(glassfiberreinforcedpolymer)筋外包 CFRP(carbonfiberreinforcedpolymer)布复合加固钢筋混凝土矩形柱的试验结果表明14，外包CFRP 布既可防止在水平地震作用下柱端发生弯曲-剪切破坏，还能控制 GFRP 筋的局部屈曲和混凝土压碎，因此内嵌 GFRP 筋外包 CFRP 复合加固钢筋混凝土柱的力学性能优于单纯采用外包CFRP 布或者内嵌 GFRP 筋加固柱。嵌入钢筋和粘贴 CFRP 布复合加固榫卯节点的拟静力试验结果表明15，复合加固后节点抗震性能显著提升。此外，有研究表明复合加固方法能够有效提升木柱的受压性能16，进而建立了加固木柱的受压本构模型17。综合外包 CFRP 布和内嵌筋材加固法各自特点，本文提出采用内嵌钢筋外包 CFRP 布复合加固方形木柱，通过低周往复荷载试验证明了复合加固方法的有效性；基于 OpenSees 开源计算平台，建立了复合加固方形木柱有限元模型，对复合加固方形木柱的抗震性能进行了数值模拟，通过与试验结果的比较验证了有限元模型的准确性，进而对影响木柱抗震性能的轴向荷载、钢筋直径、CFRP 布层数等参数进行了深入分析。1低周往复荷载试验1.1试件设计方形木柱试件采用图 1 所示的试验装置进行试验，木柱柱脚放入套箍式钢底座中通过拧紧水平向螺栓固定木柱，然后通过 2 个大型螺栓将钢质底座锚固在固定基础上；固定基础两端采用机械千斤顶进行支顶，防止其在试验过程中滑动。木柱试件总高度为 2600mm，插入钢底座的高度为 450mm。柱顶 300mm 区域以及插入底座的450mm 区段均缠绕有 CFRP 布。木柱从嵌固底座顶部距离水平作动器中心线 1800mm，试验段尺寸为 270mm270mm1800mm，8 根试件的加固方案如图 2 所示。反力架千斤顶滑动支座固定基础千斤顶底座木柱反力墙作动器夹具图1试验加载装置Fig.1Testloadingsetup1.2试验材料试件所用木材为红松，木材的基本物理力学参数见表 1；内嵌钢筋等级为 HRB400，材料参数见表 2；外包 CFRP 布的材料参数见表 3。1.3试验方法采用图 1 所示的拟静力试验方法加载，柱顶恒定竖向荷载由液压千斤顶施加；木柱端部水平往复荷载由 MTS 液压伺服作动器施加，选用位移控制加载。首先在柱顶施加恒定的竖向荷载，根据本文选用的某单层古建筑木结构原型中木柱的轴压比为 0.016，通过表 1 中木材材性计算得到试件的竖向荷载约为 43kN；之后在柱端施加水平低周往复荷载；当控制位移为 1.125mm、2.25mm、4.5mm、6.75mm、9mm 时，每级循环 1 次；从18mm 控制位移开始，每级位移级差为 18mm，循环 3 次；直至水平荷载下降至承载力峰值的 85%，试验结束。1.4试验现象未加固木柱加载初期试件处于弹性，无明显变化；随着加载位移的增加，木材逐渐开始劈裂，并随着位移的增大劈裂明显增多、增大，此时滞回环面积明显增大，试件进入非线性阶段；加载到峰值荷载后，木柱底部出现了明显的水平向裂缝，导致其承载能力不断下降；继续增大位移，木柱底部出现了明显的木纹错动且裂缝增多；加载到正、负向荷载均下降到峰值荷载的 85%，试验结束。190工程力学仅内嵌钢筋加固木柱，加载初期试件处于弹性状态，木柱没有明显的破坏现象，随着加载位移的增大，木柱纤维间开始错动发声并随着位移的增加而加剧；加载到峰值荷载时，木柱发出巨响、底部因为受拉而发生劈裂裂缝，承载能力随之下降；继续增大位移，柱身出现新的裂缝，植筋胶裂开并与木材脱离，导致钢筋外凸；加载到正、负向荷载均下降到峰值荷载的 85%，试验结束。仅外包 CFRP 布加固木柱，加载初期木柱无明显变化；随着位移的增大开始出现细微的木纹错动声；继续增大位移，木纹和 CFRP 内的纤维错动声明显增多、增大；加载到峰值荷载时，CFRP布有明显撕裂声，并伴随着局部破坏，外贴 CFRP布包裹的木柱有明显木材劈裂声；继续加大位移，荷载逐渐下降，木柱靠近底部位置受拉断裂，CFRP 布被拉断，导致试件承载力突降，负向荷载下降到峰值荷载的 85%，试验结束。内嵌钢筋、外包 CFRP 布复合加固木柱，加载初期试件无明显破坏现象；随着加载位移的增大，可以听到明显的木材顺纹错动劈裂声和 CFRP布撕裂声；继续增大位移，CFRP 布挤压明显而出现褶皱，逐渐达到试件的峰值荷载；之后随着位移的增大荷载持续下降，加载后期 CFRP 布发生明显撕裂，木柱发出巨大响声，底部产生多条劈裂裂缝，试件承载力突降到峰值荷载的 85%以下，试验结束。加载过程中，因为外包 CFRP 布的有效约束，内嵌钢筋未发生明显的局部屈曲和剥离。1.5试验结果试件的滞回曲线如图 3 所示，未加固木柱的滞回曲线捏拢现象明显且滞回环面积较小，耗能能力较差。嵌筋加固试件的承载力明显提升、极限位移增加、滞回