張芳源 陳會(huì)芳
(滄州交通學(xué)院,河北 黃驊 061100)
FRP是使用增強(qiáng)纖維材料與基體材料,經(jīng)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝制成的復(fù)合材料,常見如芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)等。此類材料的比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近,且抗腐蝕性和耐久性好,因此廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中[1]。鋼筋混凝土短柱屬于承力構(gòu)件,如果短柱本身的承載力不足,可能導(dǎo)致建筑倒塌,因此必須采用加固補(bǔ)強(qiáng)措施。以下通過試驗(yàn)方案,探討了CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后的軸壓性能改善情況,為施工應(yīng)用提供依據(jù)。
本試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)4根鋼筋混凝土短柱,編號(hào)為Z1~Z4。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,截面尺寸300mm×300mm,高度為1500mm。支模時(shí),在短柱的四角處設(shè)置倒角,半徑為25mm,以避免棱角處的局部應(yīng)力過大。鋼筋混凝土短柱的配筋見圖1。其中,Z1短柱不包裹CFRP布,不施加預(yù)應(yīng)力;Z2短柱間斷包裹普通CFRP布,條帶間距為100mm,不施加預(yù)應(yīng)力;Z3短柱間斷包裹普通CFRP布,條帶間距為100mm,施加預(yù)應(yīng)力為纖維極限應(yīng)變的10%;Z4短柱間斷包裹普通CFRP布,條帶間距為100mm,施加預(yù)應(yīng)力為纖維極限應(yīng)變的20%。
圖1 鋼筋混凝土短柱的配筋圖
本試驗(yàn)使用的CFRP布,是CFS-I-300單向纖維布。在試驗(yàn)開始前,分別對(duì)混凝土、鋼筋、CFRP布、黏結(jié)膠進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,結(jié)果見表1。
表1 各種材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的步驟如下:①對(duì)短柱表面進(jìn)行處理,保證平整干燥,有助于CFRP布與混凝土粘貼;②使用CFRP布對(duì)柱頭進(jìn)行粘貼加固,防止局部受壓破壞;③CFRP布單層包裹短柱,并使用錨固裝置施加預(yù)應(yīng)力。與此同時(shí),用扳手同步交替旋緊上、下螺桿的螺母,準(zhǔn)確控制預(yù)應(yīng)力大小[2];④預(yù)應(yīng)力施加完成后,在CFRP布表面均勻涂抹黏結(jié)膠,保證纖維絲受力均勻。
試驗(yàn)中,荷載量大小使用壓力傳感器測(cè)量,位移量大小使用位移控制系統(tǒng)測(cè)量。混凝土應(yīng)變片布置在短柱四周表面的中間,縱筋應(yīng)變片布置在四根縱筋的中間,箍筋應(yīng)變片布置在中間三個(gè)箍筋的四周截面上。
測(cè)點(diǎn)布置后,將短柱放置在液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),加載方法如下:①調(diào)整短柱的位置,確保幾何對(duì)中;②先進(jìn)行預(yù)加載,加載值為構(gòu)件極限荷載值的20%,觀察縱筋的應(yīng)變情況,適當(dāng)調(diào)整短柱的位置;③再進(jìn)行正式加載,初期加載級(jí)數(shù)為40kN,加載速度為0.5kN/min;縱筋屈服后,加載級(jí)數(shù)為10kN,加載速度為0.2kN/min;短柱接近破壞時(shí),加載級(jí)數(shù)為5kN,加載速度為0.2 kN/min;④每一級(jí)加載后穩(wěn)定2min,記錄應(yīng)變值,并觀察短柱變化特征。
(1)加載初期,Z1短柱無明顯變化,混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。
(2)加載至極限荷載的60%,短柱頂部出現(xiàn)縱向裂縫,隨之裂縫延伸并增多,縱筋應(yīng)變明顯增大。
(3)加載至極限荷載的90%,短柱底部出現(xiàn)縱向裂縫,中上部混凝土鼓脹、有碎屑剝落。
(4)加載至極限荷載1760kN,短柱出現(xiàn)貫通式裂縫,混凝土保護(hù)層大面積剝落,破壞后縱筋并未屈服。
(1)加載初期,Z2短柱無明顯變化,混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。
(2)加載至極限荷載的70%,短柱頂部出現(xiàn)縱向裂縫,柱頂CFRP布的應(yīng)變突然增大。
(3)加載至極限荷載的90%,頂部裂縫向下延伸,中部混凝土鼓脹、未加固區(qū)域剝落,鋼筋屈服,CFRP布的應(yīng)變值突變。
(4)加載至極限荷載1950kN,短柱下部未加固區(qū)出現(xiàn)裂縫,CFRP布開裂,混凝土破壞。
(1)加載初期,Z3短柱無明顯變化,混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。
(2)加載至極限荷載的60%,短柱頂部未加固區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫,隨之裂縫向下延伸,CFRP布的應(yīng)變突然增大。
(3)加載至極限荷載的90%,部分鋼筋屈服,上部CFRP布部分開裂、應(yīng)變值突變,混凝土小面積脫落。
(4)加載至2115kN,短柱中上部未加固區(qū)域的混凝土鼓脹、碎屑剝落;中部CFRP布的部分纖維絲斷裂,混凝土破壞。
(1)加載初期,Z4短柱無明顯變化,混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。
(2)加載至極限荷載的60%,短柱頂部未加固區(qū)出現(xiàn)縱向裂縫,CFRP布的應(yīng)變值明顯增大。
(3)加載至極限荷載的80%,頂部縱向裂縫向下延伸,中部CFRP布的應(yīng)變值明顯增大,部分鋼筋屈服。
(4)加載至極限荷載的90%,CFRP布出現(xiàn)脫膠聲,CFRP布的應(yīng)變值突變,裂縫進(jìn)一步增多,所有鋼筋屈服。加載至2302kN,CFRP布大量開裂,未加固區(qū)域的混凝土鼓脹、碎屑剝落,短柱嚴(yán)重破壞。
(1)從短柱的承載力試驗(yàn)結(jié)果看,使用CFRP布加固短柱后,Z2、Z3、Z4短柱的承載力均提高,提高幅度分別為10.8%、20.2%和30.8%,見表2。
表2 鋼筋混凝土短柱的承載力試驗(yàn)結(jié)果
(2)相較于Z2短柱,Z3與Z4短柱的承載力提高更明顯,分析原因在于:短柱軸向受壓時(shí),縱向裂縫從無到有、逐漸變多延伸,將完整的混凝土結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)小塊,最終失去承載力而發(fā)生破壞[3]。使用CFRP布加固后,CFRP布具有較強(qiáng)的彈性,沒有明顯屈服點(diǎn)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受壓膨脹,CFRP布的包裹作用產(chǎn)生約束,可控制裂縫延伸發(fā)展,避免出現(xiàn)貫通式裂縫,因此短柱的極限承載力提高。
(3)在未加固區(qū)域,混凝土膨脹導(dǎo)致CFRP布被拉斷,失去約束作用后裂縫進(jìn)一步發(fā)展,最終短柱破壞。
(1)從縱筋的應(yīng)變值變化看,加載初期短柱無明顯變化,加固、未加固的混凝土與鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢。
(2)當(dāng)荷載增加至Z1短柱的極限承載力時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)破壞,鋼筋并未屈服;Z2、Z3、Z4短柱的縱筋繼續(xù)線性增長(zhǎng)。而且相較于Z1短柱,加固后的短柱縱筋彈性增長(zhǎng),且預(yù)應(yīng)力越大、彈性增長(zhǎng)越大。
(3)當(dāng)縱筋應(yīng)變達(dá)到0.002時(shí),加固短柱的應(yīng)變值突變,縱筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度加快;混凝土破壞時(shí),加固短柱的縱筋應(yīng)變值明顯高于未加固短柱。分析認(rèn)為:預(yù)應(yīng)力CFRP布加固短柱,不僅能控制裂縫形成發(fā)展,還能增大混凝土與縱筋之間的摩擦力,發(fā)揮出縱筋的塑性變形作用,從而延緩混凝土的破壞速度,提高短柱的極限應(yīng)變能力[4]。
加固短柱的所有CFRP布中,短柱上部的CFRP布破壞嚴(yán)重,下部的CFRP布受力很小,因此我們選擇中間部位的CFRP布進(jìn)行應(yīng)變分析。
(1)在加載初期,因施加的荷載小,此時(shí)混凝土的膨脹不明顯,因此CFRP布的應(yīng)變?cè)黾虞^慢。
(2)隨著荷載增大,混凝土出現(xiàn)裂縫,此時(shí)預(yù)應(yīng)力越大的CFRP布其應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)越慢,原因在于:預(yù)應(yīng)力越大,對(duì)混凝土產(chǎn)生的約束作用越強(qiáng),控制混凝土進(jìn)一步膨脹,混凝土的橫向變形減小。而且,與未施加預(yù)應(yīng)力的Z2短柱相比,施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力使CFRP布更早地參與加固工作,解決了應(yīng)力滯后的問題。
(3)荷載進(jìn)一步增大后,裂縫延伸、變多,CFRP布的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快,并且出現(xiàn)突變。尤其當(dāng)荷載增加至縱筋屈服時(shí),出現(xiàn)貫通式裂縫,CFRP布應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速,直至CFRP布破壞。
(4)Z3、Z4短柱的CFRP布應(yīng)變峰值,明顯高于Z2短柱的CFRP布,說明施加預(yù)應(yīng)力后,能對(duì)混凝土產(chǎn)生約束作用,發(fā)揮出FRP材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)[5]。
在荷載作用下,分析短柱的軸向位移情況,結(jié)果顯示:
(1)加載初期,4個(gè)短柱的軸向位移變化小,增長(zhǎng)緩慢。
(2)隨著荷載增大,CFRP布加固后的短柱,軸向位移增長(zhǎng)量小于未加固的短柱,原因在于:CFRP布對(duì)短柱產(chǎn)生側(cè)向約束作用,減小了混凝土的橫向應(yīng)變量,相同荷載條件下的軸向位移更小。
(3)繼續(xù)加載至縱筋屈服,此時(shí)短柱縱向、橫向的變形增長(zhǎng)明顯,軸線位移出現(xiàn)拐點(diǎn),后續(xù)發(fā)展趨于平穩(wěn)。
(4)當(dāng)混凝土接近破壞時(shí),軸向位移量明顯減小,相較于Z1短柱,加固后的短柱軸向位移量減小更加平穩(wěn),發(fā)生破壞后的極限軸向位移量更大。說明:在CFRP布的環(huán)向加固作用下,盡管混凝土出現(xiàn)多處裂縫,但整個(gè)構(gòu)件依然能持荷工作,短柱的延性得到提升。而且,施加的預(yù)應(yīng)力越大,延性提升幅度越大,混凝土的變形性能越好。
根據(jù)約束混凝土極限抗壓強(qiáng)度的擬合回歸曲線,可以得到預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土短柱中,約束混凝土的極限抗壓強(qiáng)度fcc計(jì)算公式是:
式中fco代表無約束混凝土抗壓強(qiáng)度;ks代表預(yù)應(yīng)力CFRP布包裹的混凝土強(qiáng)度計(jì)算式中的截面形狀系數(shù);fel代表軸壓狀態(tài)下CFRP布提供的有效約束應(yīng)力。
參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[6],預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計(jì)算公式是:
式中fs代表混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As代表混凝土局部受壓面積;Acc代表混凝土局部受壓凈面積。
將式(2)帶入式(1),即可得到預(yù)應(yīng)力CFRP布約束鋼筋混凝土方柱的軸壓承載力Nu計(jì)算公式是:
利用式(3),對(duì)本試驗(yàn)中短柱的軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,結(jié)果見表3。分析可見,CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后,承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值較為接近,兩者的誤差≤5%,可作為計(jì)算軸壓承載力的方法。
表3 CFRP布加固鋼筋混凝土短柱的軸壓承載力
綜上所述,通過本次研究得到以下結(jié)論:
(1)使用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱,相較于普通CFRP布加固,CFRP布能更早地參與加固工作,在混凝土破壞時(shí)提高CFRP布的極限應(yīng)變。
(2)使用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱,相較于未加固的構(gòu)件能顯著提高軸心受壓承載力、延性等指標(biāo),且施加的預(yù)應(yīng)力越大,性能提升越明顯。
(3)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土短柱后,破壞部位集中在未加固區(qū)域,提示加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面包裹加固。