外包角鋼與碳纖維布復(fù)合加固鋼筋混凝土柱抗剪性能試驗(yàn)研究

盧亦焱  張華  張?zhí)栜?/span>  黃銀糶

武漢大學(xué)  湖北武漢  430072

    普通的鋼筋混凝土柱的剪切破壞是一種突然的脆性破壞，在許多已經(jīng)發(fā)生的地震災(zāi)害中常常是因?yàn)殇摻罨炷�土柱的剪切破壞�?dǎo)致結(jié)構(gòu)的迅速倒塌，這嚴(yán)重地?fù)p害了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了避免上述情況的發(fā)生，在混凝土柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都采取了“強(qiáng)柱弱梁”以及“強(qiáng)剪弱彎”的原則，并在柱的端部加密箍筋從而提高柱的承載力和延性等Ⅲ。但采取了這些措施后，在地震中仍然會(huì)出現(xiàn)柱的剪切破壞的情況；有的結(jié)構(gòu)雖然沒(méi)有徹底破壞，但在柱的根部也出現(xiàn)了程度不同的剪切裂縫；還有些結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)原因其抗剪承載力不足。為了維護(hù)這些結(jié)構(gòu)的正常使用，有必要對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和加固補(bǔ)強(qiáng)。

    在我國(guó)工程上，應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)抗剪加固方法有：加大截面法、外包鋼構(gòu)架法、預(yù)應(yīng)力加固法、FRP材料加固法等，多為單一材料加固法。而對(duì)抗剪加固方法的研究也多集中于某一種材料加固后承載力、抗剪性能的改善。使用單種材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也存在缺陷。用碳纖維材料圍裹約束混凝土柱，特別是對(duì)于提高工程上較大直徑的方形截面柱的承載力，其提高程度較小，但可以顯著約束混凝土柱的橫向變形，提高其延性；用外包角鋼加固混凝土柱可以顯著地提高其承載力，但對(duì)柱橫向變形的約束能力卻較低。采用CFRP和角鋼復(fù)合加固混凝土柱可以發(fā)揮CFRP和角鋼骨架各自的材料優(yōu)勢(shì)，既能大幅度提高構(gòu)件承載力，又能大幅度提高構(gòu)件延性。而對(duì)于碳纖維布與外包鋼復(fù)合加固柱的斜截面承載能力的研究國(guó)內(nèi)外還未見諸報(bào)道，要將此項(xiàng)復(fù)合加固技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐，必須先了解其對(duì)鋼筋混凝土柱抗剪性能的提高程度以及復(fù)合加固柱的抗剪破壞形態(tài)等。

1、試驗(yàn)概況

    1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

    本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7個(gè)試件，采用倒T形試件。設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)為C25，試驗(yàn)測(cè)得混凝土抗壓強(qiáng)度為31.4 MPa。柱截面尺寸為200 mm X200mm，剪跨比 λ1=1．5，λ2=2．0。柱縱筋為HRB335，箍筋為HPB235，試驗(yàn)測(cè)得縱筋屈服強(qiáng)度fy=324 MPa，箍筋屈服強(qiáng)度 fr=335 MPa，角鋼及綴板屈服強(qiáng)度均取fy=315 MPa。試件箍筋采用普通①6方箍，間距180 mm，試件軸壓比nl=0．2，n2=0．4，n3=0．6。試件尺寸及配筋如圖l所示，各試件其余參數(shù)見表l。其中，SCVl—0未加固，其余柱均采用復(fù)合加固方式。復(fù)合加固時(shí)，首先沿柱縱向等間距橫向包裹CFRP布5 mmX50mm(圖2(a))，然后外包角鋼和綴板(圖2(b))。

    試驗(yàn)所用碳纖維布、角鋼、碳纖維布用黏接劑的性能指標(biāo)見表2～表4。

圖1試件尺寸及配筋圖

圖2試件加固示意圖

表1各試件主要參數(shù)

表2角鋼的材料特性

表3碳纖維布性能指標(biāo)

表4碳纖維布黏接劑的性能指標(biāo)

    1.2試驗(yàn)加載與量測(cè)

    為確保試驗(yàn)質(zhì)量，便于與相關(guān)試驗(yàn)資料比較，本文根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》  (JGJl01—96)[11]的有關(guān)規(guī)定，采用位移控制的方法，即首先在位移轉(zhuǎn)角R=1/500、1/250時(shí)各循環(huán)l次，然后在R=1/125視受力情況加載1次或者3次，然后按轉(zhuǎn)角增量 ΔR=1/250加載，各級(jí)增量循環(huán)3次，若加載至ΔR=1/50時(shí)構(gòu)件未破壞，則此后按轉(zhuǎn)角增量△R=1/125加載，各級(jí)增量循環(huán)3次，直至構(gòu)件破壞。

    為反映鋼筋的受力狀態(tài)及受力水平，在試件底端可能出現(xiàn)斜裂縫位置的箍筋中部粘貼電阻應(yīng)變片，并作防潮處理。在柱底端的4條綴板上也各橫向粘貼一片電阻應(yīng)變片，以觀察角鋼——綴板骨架體系對(duì)復(fù)合加固柱的約束作用。在柱受剪區(qū)段碳纖維布條帶上四周粘貼應(yīng)變片，觀測(cè)碳纖維布對(duì)柱的約束作用以及碳纖維布的應(yīng)變情況。

    試驗(yàn)時(shí)施加的水平力通過(guò)傳感器測(cè)量，豎向力通過(guò)液壓表讀數(shù)。試驗(yàn)所用的荷載傳感器、位移計(jì)讀數(shù)，及各電阻應(yīng)變片讀數(shù)均由計(jì)算機(jī)通過(guò)DH3816動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集。為監(jiān)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)程和確定試件的屈服荷載，采集數(shù)據(jù)頻率為0．20 Hz。試驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

圖3試驗(yàn)裝置示意圖

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1試驗(yàn)破壞情況與主要結(jié)果

    未加固試件SCVl—0在施加軸向力95 kN后保持軸向力不變，開始施加水平力，在位移轉(zhuǎn)角R=1/500與R=1/250下反復(fù)循環(huán)1次，未出現(xiàn)裂縫，試件基本處于彈性工作狀態(tài)，卸載后無(wú)殘余變形。繼續(xù)加載在 R=2/250循環(huán)中，柱底截面出現(xiàn)微小的水平裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的增大水平裂縫向上延伸形成受剪斜裂縫，在此循環(huán)卸載后殘余變形增大。在水平轉(zhuǎn)角為 R=3/250循環(huán)中，斜裂縫在柱身進(jìn)一步發(fā)展，寬度與長(zhǎng)度都有所增加，箍筋應(yīng)變有較大程度的增長(zhǎng)。當(dāng)加載至水平轉(zhuǎn)角為R=4/250時(shí)，斜裂縫進(jìn)一步向水平力加載點(diǎn)發(fā)展，且其寬度進(jìn)一步增長(zhǎng)，箍筋應(yīng)變進(jìn)一步增大，卸載后柱的殘余變形也明顯增加。當(dāng)水平荷載增至95 kN，水平轉(zhuǎn)角達(dá)到R=5/250時(shí)，柱底部箍筋開始屈服，部分箍筋應(yīng)變開始急劇增大。當(dāng)繼續(xù)加載至水平位移達(dá)到7．1 mm時(shí)，受剪區(qū)段箍筋已全部達(dá)到屈服，應(yīng)變急劇增大，斜裂縫已貫穿整個(gè)柱身，試件在達(dá)到極限承載力后荷載急劇下降，發(fā)生突然破壞。

    以試件SCVl—1為例介紹復(fù)合加固試件的試驗(yàn)過(guò)程：首先將軸力加至95 kN，保持軸力不變，開始施加水平力。在位移轉(zhuǎn)角R=1/500與R=1/250下反復(fù)循環(huán)1次，未出現(xiàn)裂縫，試件基本處于彈性工作狀態(tài)，卸載后殘余變形很小。繼續(xù)加載在位移轉(zhuǎn)角R=2/250循環(huán)l次，也未出現(xiàn)裂縫，其箍筋、鋼綴板、外包碳纖維布應(yīng)變都較小，卸載后有少許殘余變形。在水平轉(zhuǎn)角為R=3/250的第l次循環(huán)中柱底端發(fā)出輕微的聲響，柱的箍筋以及外加片材的應(yīng)變都有較大程度的增長(zhǎng)，荷載一轉(zhuǎn)角曲線斜率開始略有下降，卸載后殘余變形有所增加。繼續(xù)加載到水平轉(zhuǎn)角為R=4/250循環(huán)3次，隨著荷載的增加，受剪斜裂縫出現(xiàn)并逐步發(fā)展到柱腳剪壓區(qū)，斜裂縫出現(xiàn)區(qū)段碳纖維布與鋼綴板的應(yīng)變迅速增大。在水平轉(zhuǎn)角為R=5/250的加載循環(huán)中，受剪斜裂縫隨著荷載的增大其寬度和長(zhǎng)度進(jìn)一步發(fā)展，柱底部部分箍筋開始屈服，隨著鋼綴板應(yīng)變以及柱的位移的增大，鋼綴板與柱之間的密封砂漿開始慢慢剝落，卸載后殘余變形明顯增加。在R=7/250時(shí)第1次正向加載，隨著水平荷載的增大，斜裂縫已開始貫穿整個(gè)柱身，柱的水平荷載達(dá)到最大值143 kN，鋼綴板以及碳纖維布的應(yīng)變開始急劇增大，繼續(xù)加載發(fā)現(xiàn)荷載開始下降，柱水平位移不斷增大，試件水平力已下降至O．90倍峰值點(diǎn)荷載以下，試驗(yàn)終止。

    其他加固試件的受力過(guò)程與試件SCVl—1的受力過(guò)程基本相似，都經(jīng)歷了混凝土開裂、斜裂縫發(fā)展、柱箍筋屈服、柱達(dá)到抗剪承載力限值的過(guò)程。各加固試件的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5試驗(yàn)主要結(jié)果

圖4試件荷載一轉(zhuǎn)角滯回曲線

    結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的荷載一轉(zhuǎn)角滯回  曲線能較直觀地反映結(jié)構(gòu)的破壞時(shí)的延性，本次試驗(yàn)  中未加固試件SCVl—0與各復(fù)合加固試件的滯回曲線  對(duì)比如圖4所示。從以上試件的滯回曲線對(duì)比可以看出，未加固試件隨著荷載的增大，柱的變形逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)后期時(shí)，柱的剛度和承載力逐漸退化，滯回曲線產(chǎn)生捏攏效應(yīng)，滯回曲線逐漸變成弓形，柱的耗能能力也逐漸變差，未加固柱在達(dá)到極限承載力后立即發(fā)生破壞，承載力急劇下降，其延性較差，變形能力較小，而其滯回曲線則產(chǎn)生嚴(yán)重的捏攏效應(yīng)。復(fù)合加固試件的極限承載力較未加固試件得到較大程度的提高，其延性與變形能力以及耗能能力也同時(shí)得到提升，表現(xiàn)在滯回曲線上為復(fù)合加固試件的滯回曲線較對(duì)比試件更為飽滿，在試驗(yàn)的后期其滯回曲線未表現(xiàn)出明顯的捏攏效應(yīng)。復(fù)合加固柱在達(dá)到其極限承載力后，其承載力并未急劇下降。

    2.2碳纖維布與外包鋼綴板應(yīng)變分析

    2.2.1碳纖維布應(yīng)變

    復(fù)合加固柱其外包碳纖維布在試驗(yàn)開始的前3個(gè)循環(huán)中應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，應(yīng)變值很小，當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫處碳纖維布應(yīng)變才開始加速增長(zhǎng)。在加載的過(guò)程中碳纖維布條帶的應(yīng)變隨著荷載的增大而增大，各試件中均為第二道碳纖維布應(yīng)變發(fā)展最陜，這與柱抗剪裂縫出現(xiàn)的位置以及試驗(yàn)試件受力位置有關(guān)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)樵趶?fù)合加固柱出現(xiàn)裂縫之前，外包碳纖維布的變形非常小，其對(duì)混凝土柱的約束作用還未開始發(fā)揮。隨著水平荷載和位移的增大，外包鋼骨架與碳纖維布之間的黏結(jié)和約束作用有一定的削弱，碳纖維布條帶的應(yīng)變也隨之得到較大程度的增長(zhǎng)。在碳纖維布的應(yīng)變發(fā)展過(guò)程中有兩個(gè)顯著增長(zhǎng)階段，第一個(gè)為試件抗剪裂縫出現(xiàn)時(shí)，此時(shí)碳纖維布開始承擔(dān)起剪力，其應(yīng)變也隨之顯著增長(zhǎng)。第二個(gè)為試件達(dá)到極限承載力后，此時(shí)混凝土柱的抗剪承載力，這部分荷載轉(zhuǎn)移到外包鋼骨架與碳纖維布上，其應(yīng)變也隨之增長(zhǎng)。在所有試件中，碳纖維布應(yīng)變最大的試件為SCV3—1，其最大應(yīng)變值達(dá)到了5500με，大約為極限應(yīng)變的40％，所有的試件碳纖維布都未出現(xiàn)拉斷情況，表明加固試件中碳纖維布都具有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。圖5為各復(fù)合加固試件中碳纖維布應(yīng)變隨位移的變化趨勢(shì)。

圖5加固試件碳纖維布應(yīng)變一位移曲線

    2.2.2外包鋼綴板應(yīng)變

    外包鋼綴板的應(yīng)變?cè)谠嚰�開裂前應(yīng)變發(fā)展較慢，在開裂與試件達(dá)到極限荷載時(shí)其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快，在試驗(yàn)其他階段其應(yīng)變隨著荷載呈近似線性增長(zhǎng)。試件達(dá)到極限荷載后，混凝土橫向體積膨脹的趨勢(shì)顯著增加，碳纖維布及綴板應(yīng)變的增長(zhǎng)速率也明顯加快，且高剪跨比的構(gòu)件碳纖維布與外包鋼綴板的應(yīng)變發(fā)揮更為充分。在本次試驗(yàn)中，當(dāng)各試件達(dá)到極限位移時(shí)，外包鋼綴板均未屈服。

    從應(yīng)變變化過(guò)程來(lái)看，碳纖維布應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率要明顯快于綴板的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率，這是由于CFRP和綴板對(duì)混凝土的約束機(jī)理不同造成的。當(dāng)混凝土體積向外膨脹時(shí)，CFRP直接約束混凝土，因此其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速。而綴板不能直接約束混凝土，它是通過(guò)與角鋼構(gòu)成鋼骨架體系來(lái)產(chǎn)生約束作用。角鋼與柱的4個(gè)角邊接觸直接約束混凝土，綴板則對(duì)角鋼的變形提供約束，因而間接地對(duì)混凝土起到約束作用。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，極限位移時(shí)CFRP的應(yīng)變可達(dá)5000斗8以上，而綴板的應(yīng)變均未達(dá)到屈服值，一般都在1200με左右。圖6表示了各復(fù)合加固試件中外包鋼綴板荷載一應(yīng)變變化趨勢(shì)。

圖6試件外包鋼綴板應(yīng)變一位移曲線

    2.3影響參數(shù)分析

    以往研究結(jié)果表明，影響加固柱的抗剪承載力的因素有很多，包括剪跨比、碳纖維布加固量、柱、軸壓比、外加片材的黏結(jié)形式、原混凝土柱的配箍率以及混凝土強(qiáng)度等。本次試驗(yàn)主要對(duì)影響復(fù)合加固柱抗剪承載力的主要因素：剪跨比、外包鋼綴板加固量、軸壓比對(duì)抗剪性能的影響進(jìn)行分析。

    2.3.1剪跨比的影響

    由本試驗(yàn)中不同剪跨比試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出隨著剪跨比的提高復(fù)合加固柱的抗剪承載力隨之下降。其中相同條件下低剪跨比試件SCVl—2的承載力較高剪跨比試件SCV3—1試件承載力提高了10％。但高剪跨比試件的變形能力較低剪跨比試件有所降低。由它們的外加片材的應(yīng)變情況對(duì)比可知，高剪跨比的試件的外加片材的應(yīng)變高于低剪跨比的試件，且其抗剪承載力的提高程度也高于低剪跨比的試件。可見對(duì)于高剪跨比的鋼筋混凝土柱，復(fù)合加固柱是一種行之有效的加固形式。

    2.3.2軸壓比的影響

    由試驗(yàn)中不同軸壓比的試件數(shù)據(jù)對(duì)比，可知隨著軸壓比的提高復(fù)合加固柱的抗剪承載力隨之增大，試件SCV2—2較試件SCVl—1承載力提高了l5％。但SCV2—2的骨架曲線形狀隨之改變，其下降段隨軸壓比增大較試件SCVl—1而變陡，表明軸壓比的增大將使復(fù)合加固柱的延性變差，其極限轉(zhuǎn)角較低軸壓比試件也有所下降。這是因?yàn)檩S壓比越大，柱的初始?jí)簯?yīng)變也就越大，從而導(dǎo)致截面延性的降低，進(jìn)而使復(fù)合加固柱的位移延性降低。由試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)合加固方法對(duì)于提高高軸壓比鋼筋混凝土柱的延性的作用較之低軸壓比的試件更加明顯。

    2.3.3外包鋼綴板加固量的影響

    外包鋼綴板作為復(fù)合加固柱的外加片材，其加固量直接影響復(fù)合加固柱的抗剪承載力的提高以及延性的提高。隨著外包鋼綴板加固量的提高，復(fù)合加固柱的抗剪承載力隨之有一定程度的提高，本試驗(yàn)中采用外包鋼綴板間距為l00 mm的試件SCV3—2較采用外包鋼綴板間距為180 miil的試件SCV3—1承載力提高了7％，同時(shí)試件SCV3—2廷|生以及變形能力也較試件 SCV3—1有所提高。可見提高外加鋼綴板的加固量可在一定程度上提高復(fù)合加固柱的抗剪承載力與延性。

3、結(jié)語(yǔ)

    (1)復(fù)合加固柱較未加固柱斜截面承載力有較大程度的提高，試驗(yàn)中其最大的提高程度達(dá)到47％。復(fù)合加固柱在達(dá)到極限承載力后仍能承受較大的剪力，其承載力降低較緩，延性較未加固柱延性有較大程度的提高。

    (2)軸壓比、鋼綴板加固量、碳纖維布用量、剪跨比是影響復(fù)合加固鋼筋混凝土柱抗剪性能的重要參數(shù)。在軸壓比較低的范圍內(nèi)，復(fù)合加固柱的抗剪承載力隨軸壓比的增大而增大，但其變形能力有所降低，延性下降。隨著鋼綴板加固量的增大，復(fù)合加固柱的抗剪承載力隨之增大。隨著復(fù)合加固柱剪跨比的增大，其抗剪承載力隨之降低，但外加片材應(yīng)變也隨之增大。

    (3)碳纖維布與角鋼復(fù)合加固體系能很好的約束混凝土的橫向變形。碳纖維布與角鋼復(fù)合加固鋼筋混凝土柱，兩種材料均能發(fā)揮自己的作用，并且其共同工作良好。但約束材料強(qiáng)度的發(fā)揮是有限的，在達(dá)到復(fù)合加固柱抗剪極限承載力時(shí)，兩種加固材料都未能達(dá)到其極限強(qiáng)度，其材料性能均不能被充分利用。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)      文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯    文徑 審核)