在不同轴向载荷作用下，采用不同修复方法的钢筋混凝土（RC）柱子的抗震性能和恢复力

《Structures》：Seismic performance and resilience of RC columns repaired with different jacketing strategies under variable axial loads

　　

摘要

在地震过程中，地下结构中的钢筋混凝土（RC）柱子会受到高度变化的轴向载荷，这使它们容易受到损坏。因此，快速的震后修复对于恢复结构的安全性和功能性至关重要。然而，很少有研究系统地评估在这些载荷条件下对这些受损柱子的修复策略。本研究通过对工程水泥基复合材料（ECC）、钢和纤维增强聚合物（FRP）护套作为修复受损RC柱子的策略进行了对比数值分析。开发了修复后的柱子的有限元模型，并在变化的轴向载荷下进行了非线性循环分析，以评估其滞后行为、承载能力、延展性和能量耗散。为了评估修复效果，提出了一种修复性能指标（RPI），该指标结合了强度、延展性和能量耗散，以量化整体的抗震性能，同时还采用了一种抗震韧性评估方法，考虑了平均功能恢复、经济损失和恢复时间。结果表明，ECC护套提供了最佳的总体恢复性能，而钢护套则具有最高的延展性和抗震韧性。初始损伤的增加通常会恶化修复后柱子的抗震性能，而F3–0.35的载荷协议会导致强度、延展性和能量耗散最明显的下降。这些发现为修复策略的选择提供了定量见解，并有助于基于韧性的地下结构震后修复。

引言

地下结构在其使用寿命期间可能会面临地震灾害，这对结构安全和运营连续性构成了重大挑战。作为主要的垂直承重构件，中心柱子还抵抗侧向变形，对于保持结构完整性和可用性至关重要[1]。在地震中，这些柱子会受到高度变化的轴向载荷和侧向位移的影响，导致混凝土开裂、钢筋屈服、刚度下降和局部失效[2]、[3]、[4]、[5]。这种损伤不仅威胁结构安全，还可能破坏整个交通系统的功能。因此，开发有效的、可靠的地震受损中心柱子的修复策略对于提高地下结构的抗震韧性至关重要。

在现有的修复技术中，钢护套由于其在材料性能、施工便利性和加固效果方面的优势，是最早被广泛采用的方法[6]。大量实验和数值研究表明，钢护套可以显著提高受损结构的初始刚度、峰值承载能力和滞后能量耗散，同时改善循环载荷下的屈服后稳定性[7]、[8]。钢护套已成功应用于修复受损的RC梁[9]、柱子[10]和关键接头[11]。除了钢护套外，纤维增强聚合物（FRP）护套也因其轻质特性、高强重比、耐腐蚀性和施工便捷性而受到广泛关注[12]、[13]。根据组成纤维的不同，FRP护套可以分为碳纤维FRP（CFRP）护套、玄武岩纤维FRP（BFRP）护套和玻璃纤维FRP（GFRP）护套[14]。这些不同类型的FRP护套在机械性能、成本效益和耐久性方面具有不同的优势，并已被广泛用于加强和修复RC构件[14]、[15]、[16]。然而，FRP护套主要依赖于外部约束，在修复严重损坏的混凝土区域时可能存在局限性。近年来，工程水泥基复合材料（ECC）护套因其应变硬化行为、多细裂纹特性和优越的裂纹控制能力而受到越来越多的关注[17]、[18]。当作为外部护套应用于RC中心柱子时，ECC护套可以有效恢复受损的混凝土区域，改善压缩性能、变形能力和能量耗散能力，同时减少混凝土剥落和损伤局部化[19]、[20]、[21]。尽管上述护套方法对受损的RC构件表现出良好的修复效果，但这些结果主要是在恒定轴向载荷下获得的。最近的研究[4]、[5]指出，地下地铁站的中心柱子在地震期间会受到高度变化的轴向载荷。轴向压缩比的变化幅度在0.08到0.68之间，轴向载荷的波动频率大约是侧向载荷频率的1.4–3.8倍[4]、[5]。这种变化的轴向载荷可以改变柱子的破坏模式，从压缩-弯曲变为压缩-弯曲-剪切破坏，并显著降低柱子的侧向承载能力[5]、[22]。这些发现突显了变化轴向载荷对地下车站柱子抗震行为的关键影响。然而，这些柱子在这种变化轴向载荷条件下的修复效果尚未得到充分理解，对于恢复抗震性能的不同修复策略的比较评估也尤为缺乏。

抗震韧性是指结构抵御地震并迅速恢复功能的能力，已成为灾害预防和减轻研究中的一个重要焦点[23]。通常使用两种主要方法来评估抗震韧性：一种基于功能曲线，另一种基于震后结果[24]、[25]、[26]、[27]。前者通过计算功能曲线下的面积来量化韧性，而后者则通过整合所有构件的修复成本、停机时间和人员伤亡来进行评估。利用这些方法，已经评估了各种结构的抗震韧性，包括桥梁[28]、RC框架建筑[29]、学校建筑[30]和地下车站[31]。然而，这两种方法往往是分开考虑的，综合考虑震后功能和后果（例如修复时间和修复成本）的评估仍然有限。这种局限性可能会阻碍地下地铁站受损中心柱子的修复策略的合理选择，因为不同的修复策略可能导致不同的功能恢复水平，从而导致不同的修复要求和后果。因此，需要一个韧性评估框架，将修复后受损柱子的机械性能与功能恢复和修复后果（包括恢复时间和修复成本）联系起来，以全面评估和比较不同修复策略的抗震韧性。

为解决这些差距，本研究通过数值比较了在代表地下地震条件的高度变化轴向载荷下用钢、FRP和ECC护套修复的RC中心柱子的抗震性能。开发了修复后柱子的有限元模型，以评估其在强度、延展性和能量耗散方面的性能。提出了一种修复性能指标（RPI），该指标结合了这三个机械特性，以量化修复后柱子的抗震功能。此外，还开发了一个组件级别的抗震韧性评估框架，通过将基于RPI的功能评估与恢复时间和修复成本联系起来，从而为比较不同修复策略的抗震韧性提供了综合基础。

章节片段

受损的RC中心柱子

在这项研究中，受损柱子来自三个1/3比例缩放的钢筋混凝土（RC）柱子，代表了典型地下地铁站中的中心柱子。这些缩放中心柱子的几何尺寸和钢筋细节如图1所示。所有柱子均使用C50混凝土浇筑，其名义抗压强度为50 MPa，通过标准的150 mm立方体测试确定。纵向和横向钢筋由HRB400钢制成

损伤进展

采用最大混凝土压缩损伤和峰值纵向钢筋应力来表征使用不同策略修复后的柱子的力传递特性和破坏模式。由于在不同载荷协议下观察到类似的趋势，这里仅展示了F2–0.35载荷条件下的结果，如图13所示。关于混凝土压缩损伤，三种修复策略之间存在明显差异。

抗震韧性指数

柱子的抗震韧性不仅反映其抵抗地震引起的损伤的能力，还反映其在事件发生后在可接受的时间和成本内恢复其功能的能力。对于地下地铁站的中心柱子来说，韧性尤其关键，因为它们的震后性能直接决定了结构的安全性、服务连续性和站点的恢复决策。在这项研究中，采用了组件级别的抗震韧性评估方法

对RPI权重因素的敏感性

为了研究韧性评估对强度、能量耗散和延展性相对贡献的敏感性，通过改变权重因子w_P、w_E和w_{μ来进行敏感性分析，同时保持wP +wE +wμ = 1。每个权重因子的变化范围为0到1，其余两个因子分配了相等的权重。分析在F2–0.35载荷条件下进行，其中D = 0.2，得到的抗震韧性值如图所示。}

结论

本研究对比评估了在高度变化的轴向载荷下用ECC、钢和FRP护套修复的RC中心柱子的抗震性能和韧性。得出了以下结论：

1. ECC护套提供了最佳的总体恢复性能，受益于ECC的应变硬化和多细裂纹行为，而钢护套则具有最高的延展性和抗震韧性，这得益于其稳定的约束和较短的恢复时间。

CRediT作者贡献声明

贾阳：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，软件，方法论，概念化，验证，可视化，数据管理。邓鹏：写作 – 审稿与编辑，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。张超：写作 – 审稿与编辑，资源，方法论。陈仁鹏：写作 – 审稿与编辑，监督，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：52478168）和中国国家重点研发计划（编号：2024YFC3809002）的支持。

贾阳|邓鹏|张超|陈仁鹏