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粘钢加固钢筋混凝土墩柱的研究现状及展望

日期：2016-7-14 15:37:28　来源：转载　浏览数：
　

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桥梁墩柱是桥梁结构体系中主要的抗地震侧向力和承受竖向力的关键构件。然而由于设计施工不当，超载超限运输以及各种自然灾害等，使一些桥梁墩柱的承载能力及抗震性能不能满足使用要求。
    为了提高既有桥梁墩柱的承载能力及改善其抗震性能，目前常用的加固方法有增大截面法、粘钢加固法以及粘贴纤维复合材料加固法等。其中，粘钢加固是指用特制的结构胶粘剂，将钢板粘贴在钢筋混凝土结构的表面，能达到加固和增强原结构强度、刚度和延性的目的。粘钢加固相对于传统加固方法具有独特的优点和先进性，如坚固耐用、施工方便快速、对原结构影响小、加固方式灵活多样、经济合理等，在工程实践中也得到了广泛的关注和推广使用。
    自从20 世纪60 年代以来，国内外许多学者对粘钢加固钢筋混凝土墩柱作了大量的试验研究和理论分析，本文对此进行了回顾总结，并对现有研究中亟需解决的问题进行了展望。
    1· 粘钢加固墩柱的国内外研究进展
    1． 1 粘钢形式的研究
    粘钢加固中，胶黏剂( 灌浆料) 起着至关重要的作用，其直接影响到加固效果。王冬雁等(2000 年)［1］通过8 根不同加固灌浆情况的外包钢柱轴心加载试验，分析了灌浆与不灌浆构件以及灌复合灌浆料与灌环氧树脂构件在破坏特征、协同工作和耗能上的差异。结果表明灌浆与否及灌浆密度是影响外包钢架与原柱共同工作的主要因素，因而决定了加固效果。文献［2］作了类似的试验研究和有限元分析。在传统外包粘钢加固的方法上，Xiao 等［3］提出在塑性铰区域外增加加劲肋的加固方式。试验显示仅用外包钢板的加固措施虽可以提高短柱的抗剪强度，但由于钢板的屈曲而导致其对延性的贡献有限。而增加加劲肋的方法可以避免这一现象，大大地提高了既有柱的抗震性能。同年，H．－ L． Hsu 等［4］采用螺栓来防止钢板提前屈曲的措施，即在柱塑性铰区域用两根交叉的螺杆来约束钢管。通过内部混凝土和外部螺杆的共同作用，很好地避免了钢管的局部屈曲。并通过试验证明，该方法在不明显改变构件强度和刚度的情况下，延性得到提高。
    由于粘钢加固往往是在既有结构受力情况下进行的，加固后钢板的受力存在滞后性，为了解决这一问题，一些学者提出了外包预应力钢板箍的加固方式，该加固方式使加固后的构件具有良好的延性［5 － 6］。此外，卢亦焱等［7］和董浩［8］对用外包钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱这种新的加固方法进行了研究。试验及计算结果均表明，复合加固后钢筋混凝土柱的极限承载力和耗能性能都有大幅提高，与仅用外包角钢加固柱相比，复合加固柱的抗震性能亦得到明显改善。
    1． 2 粘钢加固抗震性能试验研究
    2000 年，Daudey． Xavier 和Filiatrault． André［9］以加拿大东部地区既有的桥墩为原型，制作了5 根1 /3． 65 的缩尺模型。为了考察此类墩柱的抗震性能以及对应的加固措施，作者对模型墩柱进行了拟静力试验研究。考察的参数主要有钢构套几何尺寸、填充材料的力学性能等。此外，作者还提出了一种考虑了纵筋滑移的数字模型对试验结果进行了验证分析。Y． F． Wu 等(2003 年)［10］提出一种与传统加固处理不同的方式，即仅在弯矩作用平面的柱表粘贴和销栓钢板。在单向低周反复荷载作用下，作者发现可通过受压区的钢板来分担混凝土的压应力，从而能延缓塑性铰区域混凝土的压碎，进而提高加固柱的强度和延性。不过，这种加固措施只能应用于墩柱单向弯矩作用的情况。
    刘瑛(2006 年)［11］采用低周往复加载方法研究了湿式外包钢加固钢筋混凝土柱的抗震性能。对五种加固灌浆情况的柱进行了破坏特征的对比分析，研究了加固柱的滞回曲线，比较了各种加固方案的效果，并为实际工程提供了加固的有力依据。同年，郭子雄等［5］通过6 个采用预应力钢板箍加固的ＲC 短柱试件的低周反复加载试验，研究了采用横向预应力钢板箍加固混凝土矩形截面柱的抗震性能。主要试验参数为横向箍板的预应力水平和试件的轴压比，通过试验检验了加固试件的破坏形态、强度、变形能力、滞回特性和耗能能力等重要抗震性能指标。
    根据粘钢加固法的构造作法和受力特点，范平平(2008年)［12］研究分析了外包钢加固混凝土柱的工作机理，采用拟静力试验研究两种类型试件的动力性能，并由ANSYS 数值模拟进行了验证，得到了外包钢法加固钢筋混凝土柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和延性系数等。
    Cai，Xinjiang 等(2009 年)［13］浇筑了7 根剪切强度不足的短柱，对其进行了加固处理并在不同轴压比下进行了拟静力和拟动力试验。试验得到了各试件的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线以及耗能能力，作者对试件的延性、强度和刚度进行了深入分析，并将两种试验方法下的结果进行了对比。研究结果为加固钢筋混凝土结构的抗震分析和设计提供了参考。
    2013 年，宗周红和邓江东等［14 － 15］对具有初始损伤的墩柱进行了粘钢加固，并采用双向拟静力加载模式对加固后的墩柱进行加载，考察了初始损伤程度、加固钢板厚度、轴压比和长细比四个参数对加固后墩柱抗震性能的影响。结果表明粘钢加固可以有效地拟补损伤，改善既有桥墩的抗震性能。同年，张鹏翔等［16］进行了类似的拟静力试验，验证了粘钢加固能明显提高重力式桥墩的抗震性能。
    1． 3 粘钢加固后恢复力模型的研究
    恢复力模型是基于结构或构件的大量反复荷载试验，做出结构或构件的力和变形关系曲线，并在统计回归的基础上加以简化或拟合所建立的数学模型。其描述了结构或构件所受外力与仅由此外力引起的位移之间的函数关系。近年来，随着对钢筋混凝土墩柱加固理论不断地研究，研究者在试验研究的基础上，开始关注墩柱加固后的恢复力特性，并相继提出了一些墩柱加固后的恢复力模型。
    文献［11］通过试验研究和理论计算，给出了外包钢加固钢筋混凝土柱的三折线型恢复力模型。其中三个特征点分别对应于屈服点、荷载峰值点和破坏点。通过对试验数据进行归纳拟合来确定各个特征参数。比较试验与理论计算结果发现，考虑刚度退化的三折线模型可以进行外包钢加固柱骨架曲线的模拟。
    董旭华(2006 年)［17］对FＲP 加固现有钢筋混凝土短柱截面的弯矩－曲率关系进行了非线性分析，编制了相应的程序，提出了具有“刚度退化三线性”特点的FＲP 约束混凝土柱弯矩－曲率恢复力模型，且与试验结果吻合较好。同年，此作者等人对3 个抗剪承载力不足的桥墩进行拟静力试验，分析了反复水平荷载作用下GFＲP 约束短柱的滞回曲线，并根据滞回曲线进一步得出了混凝土构件的恢复力模型，研究了其延性、强度与刚度的退化性能，提出的GFＲP 约束混凝土剪切短柱的恢复力模型呈现“退化四线性”特点［18］。
    1． 4 基于性能的墩柱抗震加固
    基于性能的抗震加固就是根据建筑物的不同结构形式、使用功能、加固要求等，确定各级性能水平，针对不同的性能水平提出抗震设防标准，以此进行加固改造。使结构在其整个生命周期中，在遭受不同水平的地震作用下，总的加固费用达到最小。基于性能的抗震加固设计步骤如图1［19］。

    根据基于性能的抗震加固设计理念，StefanoPampanin 等分别对框架内节点、外节点和整榀三层三跨框架采用FＲP 材料加固，通过加固前后的拟静力试验并结合理论分析发现，根据不同的强度等级，采用多级水平抗震加固措施可以达到理想的工程效果［20］。
    而国内外几乎没有基于性能的粘钢加固墩柱研究的有关报道。
    2· 研究展望
    (1)已有的研究主要倾向于混凝土实体( 芯) 墩柱，而对于广泛应用于山区的箱型高墩柱则研究很少。为此，应对箱型墩柱粘钢加固后的抗震性能进行研究，以便扩大和完善粘钢加固墩柱的使用范围。
    (2)有关钢筋混凝土墩柱加固后恢复力模型的研究较少，积极地开展这方面的研究有助于完善粘钢加固后混凝土墩柱的抗震设计理论。
    (3)目前的研究大多局限于墩柱本身性能的研究，关于混凝土墩柱粘钢加固后对整个结构地震动力响应特性影响的振动台试验研究和弹塑性时程响应分析研究等还较少。
    (4)基于性能的抗震加固是未来加固领域的发展方向，应在这方面开展积极的探索。