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阅读 2891 次 外包角钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗剪试验

摘要:外包角钢与碳纤维布(CFRP)复合加固钢筋混凝土柱是一种新型加固方式。对6根复合加固柱及1根未加固对比柱进行低周反复受剪性能试验研究,探讨影响复合加固柱抗剪性能的因素,并分析不同条件下CFRP与外包钢缀板的应变情况。...

外包角钢与碳纤维布复合加固钢筋混凝土柱抗剪性能试验研究

卢亦焱  张华  张号军  黄银粜

武汉大学  湖北武汉  430072

    普通的钢筋混凝土柱的剪切破坏是一种突然的脆性破坏,在许多已经发生的地震灾害中常常是因为钢筋混凝土柱的剪切破坏导致结构的迅速倒塌,这严重地损害了人们的生命财产安全。为了避免上述情况的发生,在混凝土柱的结构设计中都采取了“强柱弱梁”以及“强剪弱弯”的原则,并在柱的端部加密箍筋从而提高柱的承载力和延性等Ⅲ。但采取了这些措施后,在地震中仍然会出现柱的剪切破坏的情况;有的结构虽然没有彻底破坏,但在柱的根部也出现了程度不同的剪切裂缝;还有些结构由于设计原因其抗剪承载力不足。为了维护这些结构的正常使用,有必要对这些结构进行修复和加固补强。

    在我国工程上,应用最广泛的结构抗剪加固方法有:加大截面法、外包钢构架法、预应力加固法、FRP材料加固法等,多为单一材料加固法。而对抗剪加固方法的研究也多集中于某一种材料加固后承载力、抗剪性能的改善。使用单种材料结构进行加固都有其独特的优点同时也存在缺陷。用碳纤维材料围裹约束混凝土柱,特别是对于提高工程上较大直径的方形截面柱的承载力,其提高程度较小,但可以显著约束混凝土柱的横向变形,提高其延性;用外包角钢加固混凝土柱可以显著地提高其承载力,但对柱横向变形的约束能力却较低。采用CFRP和角钢复合加固混凝土柱可以发挥CFRP和角钢骨架各自的材料优势,既能大幅度提高构件承载力,又能大幅度提高构件延性。而对于碳纤维布与外包钢复合加固柱的斜截面承载能力的研究国内外还未见诸报道,要将此项复合加固技术应用于工程实践,必须先了解其对钢筋混凝土柱抗剪性能的提高程度以及复合加固柱的抗剪破坏形态等。

1、试验概况

    1.1试验模型

    本试验共设计7个试件,采用倒T形试件。设计混凝土等级为C25,试验测得混凝土抗压强度为31.4 MPa。柱截面尺寸为200 mm X200mm,剪跨比 λ1=15,λ2=20。柱纵筋为HRB335,箍筋为HPB235,试验测得纵筋屈服强度fy=324 MPa,箍筋屈服强度 fr=335 MPa,角钢及缀板屈服强度均取fy=315 MPa。试件箍筋采用普通6方箍,间距180 mm,试件轴压比nl=02n2=04n3=06。试件尺寸及配筋如图l所示,各试件其余参数见表l。其中,SCVl—0未加固,其余柱均采用复合加固方式。复合加固时,首先沿柱纵向等间距横向包裹CFRP5 mmX50mm(2(a)),然后外包角钢和缀板(2(b))

    试验所用碳纤维布、角钢、碳纤维布用黏接剂的性能指标见表2~表4

1试件尺寸及配筋图

2试件加固示意图

1各试件主要参数

试件编号         λ        n         缀板        破坏类型

SCVl—0         15     02                  剪切型

SCVl—1         15     02     3×25@180      剪切型

SCVl—2         15     02     3×25@100      剪切型

SCV2—1         15     04     3×25@100      剪切型

SCV2—2         20     06     3×25@100      剪切型

  SCV3—1         20     04     3×25@180      剪切型

SCV3—2         20     04     3x25@100       剪切型

2角钢的材料特性

角钢种类      面积      屈服强度    极限强度   弹簧模量     εy

mm²)    Mpa      Mpa   Mpa 

430×4      245         315         432       207      1580

440×4      306         288         425       203      1470

3碳纤维布性能指标

  纤维类型  计算厚度  抗拉强度   弹性模量  断裂伸长率  

 (mm)     (MPa)      (MPa)      ()

200K      0.11      3350     2.21×10³  16200×106

4碳纤维布黏接剂的性能指标

项目指      黏度     拉伸强度   压缩强度   拉伸剪切强度   正拉黏结强

标类型   (mPa·s)    (MPa)       (MPa)        (MPa)         (MPa)

底层胶    ≤3000                                            ≥20

浸渍胶    ≤4000    ≥300      ≥600    ≥100

    1.2试验加载与量测

    为确保试验质量,便于与相关试验资料比较,本文根据《建筑抗震试验方法规程》  (JGJl01—96)[11]的有关规定,采用位移控制的方法,即首先在位移转角R=1/5001/250时各循环l次,然后在R=1/125视受力情况加载1次或者3次,然后按转角增量 ΔR=1/250加载,各级增量循环3次,若加载至ΔR=1/50时构件未破坏,则此后按转角增量R=1/125加载,各级增量循环3次,直至构件破坏。

    为反映钢筋的受力状态及受力水平,在试件底端可能出现斜裂缝位置的箍筋中部粘贴电阻应变片,并作防潮处理。在柱底端的4条缀板上也各横向粘贴一片电阻应变片,以观察角钢——缀板骨架体系对复合加固柱的约束作用。在柱受剪区段碳纤维布条带上四周粘贴应变片,观测碳纤维布对柱的约束作用以及碳纤维布的应变情况。

    试验时施加的水平力通过传感器测量,竖向力通过液压表读数。试验所用的荷载传感器、位移计读数,及各电阻应变片读数均由计算机通过DH3816动静态应变测量系统采集。为监测试验进程和确定试件的屈服荷载,采集数据频率为020 Hz。试验装置示意图如图3所示。

3试验装置示意图

2、试验结果与分析

    2.1试验破坏情况与主要结果

    未加固试件SCVl—0在施加轴向力95 kN后保持轴向力不变,开始施加水平力,在位移转角R=1/500R=1/250下反复循环1次,未出现裂缝,试件基本处于弹性工作状态,卸载后无残余变形。继续加载在 R=2/250循环中,柱底截面出现微小的水平裂缝出现,随着荷载的增大水平裂缝向上延伸形成受剪斜裂缝,在此循环卸载后残余变形增大。在水平转角为 R=3/250循环中,斜裂缝在柱身进一步发展,宽度与长度都有所增加,箍筋应变有较大程度的增长。当加载至水平转角为R=4/250时,斜裂缝进一步向水平力加载点发展,且其宽度进一步增长,箍筋应变进一步增大,卸载后柱的残余变形也明显增加。当水平荷载增至95 kN,水平转角达到R=5/250时,柱底部箍筋开始屈服,部分箍筋应变开始急剧增大。当继续加载至水平位移达到71 mm时,受剪区段箍筋已全部达到屈服,应变急剧增大,斜裂缝已贯穿整个柱身,试件在达到极限承载力后荷载急剧下降,发生突然破坏。

    以试件SCVl—1为例介绍复合加固试件的试验过程:首先将轴力加至95 kN,保持轴力不变,开始施加水平力。在位移转角R=1/500R=1/250下反复循环1次,未出现裂缝,试件基本处于弹性工作状态,卸载后残余变形很小。继续加载在位移转角R=2/250循环l次,也未出现裂缝,其箍筋、钢缀板、外包碳纤维布应变都较小,卸载后有少许残余变形。在水平转角为R=3/250的第l次循环中柱底端发出轻微的声响,柱的箍筋以及外加片材的应变都有较大程度的增长,荷载一转角曲线斜率开始略有下降,卸载后残余变形有所增加。继续加载到水平转角为R=4/250循环3次,随着荷载的增加,受剪斜裂缝出现并逐步发展到柱脚剪压区,斜裂缝出现区段碳纤维布与钢缀板的应变迅速增大。在水平转角为R=5/250的加载循环中,受剪斜裂缝随着荷载的增大其宽度和长度进一步发展,柱底部部分箍筋开始屈服,随着钢缀板应变以及柱的位移的增大,钢缀板与柱之间的密封砂浆开始慢慢剥落,卸载后残余变形明显增加。在R=7/250时第1次正向加载,随着水平荷载的增大,斜裂缝已开始贯穿整个柱身,柱的水平荷载达到最大值143 kN,钢缀板以及碳纤维布的应变开始急剧增大,继续加载发现荷载开始下降,柱水平位移不断增大,试件水平力已下降至O90倍峰值点荷载以下,试验终止。

    其他加固试件的受力过程与试件SCVl—1的受力过程基本相似,都经历了混凝土开裂、斜裂缝发展、柱箍筋屈服、柱达到抗剪承载力限值的过程。各加固试件的试验结果见表5

5试验主要结果

 

4试件荷载一转角滞回曲线

    结构在低周反复荷载作用下的荷载一转角滞回  曲线能较直观地反映结构的破坏时的延性,本次试验  中未加固试件SCVl—0与各复合加固试件的滞回曲线  对比如图4所示。从以上试件的滞回曲线对比可以看出,未加固试件随着荷载的增大,柱的变形逐渐增大,当到达试验后期时,柱的刚度和承载力逐渐退化,滞回曲线产生捏拢效应,滞回曲线逐渐变成弓形,柱的耗能能力也逐渐变差,未加固柱在达到极限承载力后立即发生破坏,承载力急剧下降,其延性较差,变形能力较小,而其滞回曲线则产生严重的捏拢效应。复合加固试件的极限承载力较未加固试件得到较大程度的提高,其延性与变形能力以及耗能能力也同时得到提升,表现在滞回曲线上为复合加固试件的滞回曲线较对比试件更为饱满,在试验的后期其滞回曲线未表现出明显的捏拢效应。复合加固柱在达到其极限承载力后,其承载力并未急剧下降。

    2.2碳纤维布与外包钢缀板应变分析

    2.2.1碳纤维布应变

    复合加固柱其外包碳纤维布在试验开始的前3个循环中应变增长缓慢,应变值很小,当试件出现裂缝时,裂缝处碳纤维布应变才开始加速增长。在加载的过程中碳纤维布条带的应变随着荷载的增大而增大,各试件中均为第二道碳纤维布应变发展最陕,这与柱抗剪裂缝出现的位置以及试验试件受力位置有关。出现这种现象的原因为在复合加固柱出现裂缝之前,外包碳纤维布的变形非常小,其对混凝土柱的约束作用还未开始发挥。随着水平荷载和位移的增大,外包钢骨架与碳纤维布之间的黏结和约束作用有一定的削弱,碳纤维布条带的应变也随之得到较大程度的增长。在碳纤维布的应变发展过程中有两个显著增长阶段,第一个为试件抗剪裂缝出现时,此时碳纤维布开始承担起剪力,其应变也随之显著增长。第二个为试件达到极限承载力后,此时混凝土柱的抗剪承载力,这部分荷载转移到外包钢骨架与碳纤维布上,其应变也随之增长。在所有试件中,碳纤维布应变最大的试件为SCV3—1,其最大应变值达到了5500με,大约为极限应变的40%,所有的试件碳纤维布都未出现拉断情况,表明加固试件中碳纤维布都具有一定的强度储备。图5为各复合加固试件中碳纤维布应变随位移的变化趋势。

5加固试件碳纤维布应变一位移曲线

    2.2.2外包钢缀板应变

    外包钢缀板的应变在试件开裂前应变发展较慢,在开裂与试件达到极限荷载时其应变增长速度加快,在试验其他阶段其应变随着荷载呈近似线性增长。试件达到极限荷载后,混凝土横向体积膨胀的趋势显著增加,碳纤维布及缀板应变的增长速率也明显加快,且高剪跨比的构件碳纤维布与外包钢缀板的应变发挥更为充分。在本次试验中,当各试件达到极限位移时,外包钢缀板均未屈服。

    从应变变化过程来看,碳纤维布应变增长速率要明显快于缀板的应变增长速率,这是由于CFRP和缀板对混凝土的约束机理不同造成的。当混凝土体积向外膨胀时,CFRP直接约束混凝土,因此其应变增长迅速。而缀板不能直接约束混凝土,它是通过与角钢构成钢骨架体系来产生约束作用。角钢与柱的4个角边接触直接约束混凝土,缀板则对角钢的变形提供约束,因而间接地对混凝土起到约束作用。试验结果可以看出,极限位移时CFRP的应变可达50008以上,而缀板的应变均未达到屈服值,一般都在1200με左右。图6表示了各复合加固试件中外包钢缀板荷载一应变变化趋势。

6试件外包钢缀板应变一位移曲线

    2.3影响参数分析

    以往研究结果表明,影响加固柱的抗剪承载力的因素有很多,包括剪跨比、碳纤维布加固量、柱、轴压比、外加片材的黏结形式、原混凝土柱的配箍率以及混凝土强度等。本次试验主要对影响复合加固柱抗剪承载力的主要因素:剪跨比、外包钢缀板加固量、轴压比对抗剪性能的影响进行分析。

    2.3.1剪跨比的影响

    由本试验中不同剪跨比试件的试验数据可以看出随着剪跨比的提高复合加固柱的抗剪承载力随之下降。其中相同条件下低剪跨比试件SCVl—2的承载力较高剪跨比试件SCV3—1试件承载力提高了10%。但高剪跨比试件的变形能力较低剪跨比试件有所降低。由它们的外加片材的应变情况对比可知,高剪跨比的试件的外加片材的应变高于低剪跨比的试件,且其抗剪承载力的提高程度也高于低剪跨比的试件。可见对于高剪跨比的钢筋混凝土柱,复合加固柱是一种行之有效的加固形式。

    2.3.2轴压比的影响

    由试验中不同轴压比的试件数据对比,可知随着轴压比的提高复合加固柱的抗剪承载力随之增大,试件SCV2—2较试件SCVl—1承载力提高了l5%。但SCV2—2的骨架曲线形状随之改变,其下降段随轴压比增大较试件SCVl—1而变陡,表明轴压比的增大将使复合加固柱的延性变差,其极限转角较低轴压比试件也有所下降。这是因为轴压比越大,柱的初始压应变也就越大,从而导致截面延性的降低,进而使复合加固柱的位移延性降低。由试验结果可知,复合加固方法对于提高高轴压比钢筋混凝土柱的延性的作用较之低轴压比的试件更加明显。

    2.3.3外包钢缀板加固量的影响

    外包钢缀板作为复合加固柱的外加片材,其加固量直接影响复合加固柱的抗剪承载力的提高以及延性的提高。随着外包钢缀板加固量的提高,复合加固柱的抗剪承载力随之有一定程度的提高,本试验中采用外包钢缀板间距为l00 mm的试件SCV3—2较采用外包钢缀板间距为180 miil的试件SCV3—1承载力提高了7%,同时试件SCV3—2|生以及变形能力也较试件 SCV3—1有所提高。可见提高外加钢缀板的加固量可在一定程度上提高复合加固柱的抗剪承载力与延性。

3、结语

    (1)复合加固柱较未加固柱斜截面承载力有较大程度的提高,试验中其最大的提高程度达到47%。复合加固柱在达到极限承载力后仍能承受较大的剪力,其承载力降低较缓,延性较未加固柱延性有较大程度的提高。

    (2)轴压比、钢缀板加固量、碳纤维布用量、剪跨比是影响复合加固钢筋混凝土柱抗剪性能的重要参数。在轴压比较低的范围内,复合加固柱的抗剪承载力随轴压比的增大而增大,但其变形能力有所降低,延性下降。随着钢缀板加固量的增大,复合加固柱的抗剪承载力随之增大。随着复合加固柱剪跨比的增大,其抗剪承载力随之降低,但外加片材应变也随之增大。

    (3)碳纤维布与角钢复合加固体系能很好的约束混凝土的横向变形。碳纤维布与角钢复合加固钢筋混凝土柱,两种材料均能发挥自己的作用,并且其共同工作良好。但约束材料强度的发挥是有限的,在达到复合加固柱抗剪极限承载力时,两种加固材料都未能达到其极限强度,其材料性能均不能被充分利用。

参考文献

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(本文来源:陕西省土木建筑学会      文径网络:尹维维 编辑    文径 审核)

 
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