碳纖維布與鋼板復合加固RC梁抗震性能試驗

廖紹懷,盧亦焱,陳道凡

(1.武漢大學 土木建筑工程學院,武漢 430072;2.華中科技大學土木工程與力學學院,武漢430074)

用碳纖維布(CFRP)或鋼板對混凝土構件進行單一材料加固的技術在加固工程應用中已成熟[1-2],但二者在改善結構抗震性能上均存在不足。粘CFRP加固[3-6]構件的延性降低,同時由于纖維材料的脆性性能,其破壞具有一定的突然性,且CFRP不易錨固;而粘鋼加固構件[7-8],加載至破壞過程中可以保持較好的延性,且鋼板易于錨固,但是鋼板的厚度和層數受限,CFRP加固材料輕而薄、易粘貼性能可改善粘鋼加固的不足,故二者復合加固具有互補性。CFRP與鋼板復合加固梁[10],作為一種新的加固形式,國內外對其研究很少。采用粘CFRP或粘鋼板加固鋼筋混凝土結構抗震性能研究,其主要集中在柱、節點和框架[9-13],對于梁的抗震性能研究見諸報道也很少,而復合加固梁的抗震性能研究尚未見報道。因此,論文對CFRP及鋼板加固梁在低周反復荷載作用下進行對比試驗和對比分析,以期對CFRP與鋼板復合加固梁抗震性能有較全面的了解,為工程應用提供試驗依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料性能

試驗梁的混凝土強度設計為C35,其實測28 d立方體抗壓強度的平均值為42.4 N/mm2。混凝土的配合比為C∶W∶S∶G=1∶0.48∶1.55∶3.0,水灰比為0.48。試驗梁中縱筋為2Φ12,試驗梁中所用材料的實測力學性能如表1所示。

表1 所用材料的力學性能

1.2 試件設計

試驗梁一批成形,截面尺寸:150mm×250mm,跨度為2.1m,凈跨1.95m,采用對稱配筋,均為2Φ12。為確保試驗梁在加固量較大的情況下仍有抗剪富余,箍筋在純彎區段配置為Φ8@200,剪跨區段配置為 Φ8@100。試驗梁截面尺寸、配筋及加固見圖1、圖2所示,試件設計如表2所示。

圖1 試驗梁

圖2 鋼板與CFRP鋼板粘帖示意

表2 試件設計

1.3 錨固方法

大量試驗和工程實際應用表明[1],采用封閉的CFRP箍和U型鋼板箍可有效地防止錨固區因應力集中而產生的粘結錨固破壞[14-15]。考慮到本實驗采用低周反復加載方式,對僅貼碳纖維布的試件采用封閉的CFRP箍,對外粘鋼板的試件則采用封閉的鋼板箍進行錨固。

1.4 加載方案

試驗梁中采用分配梁三分點二集中力加載,采用荷載—位移雙控制的方法[16],即:1)試件屈服前,采用荷載控制,按預計屈服荷載Q y的75%為極差分級加載,接近開裂及屈服荷載適當減少極差進行加載。2)試件屈服后采用變形控制,屈服位移δy取梁縱筋屈服或鋼板屈服時構件位移,以該位移值的整數倍為極差進行加載控制。3)試件屈服后每級荷載往復3次。加載制度見圖3。加載設備為300 kN機械式千斤頂,千斤頂連接YJ-X4上海新達數顯靜態應變儀進行讀數控制,10 kN對應的應變為95με。每級荷載下通過東華DH 3816靜態應變儀測試系統記錄應變值,同時在試驗中隨時觀測裂縫發展并描繪其發展情況。

1.5 測試內容及測點布置

試驗的具體測量包括以下內容:1)混凝土開裂前及開裂后量測跨中純彎區段截面各點應變。2)在試驗梁底及梁頂部鋼板的中部均對稱粘貼2個3mm×2mm的電阻應變片,測量鋼板的應變。3)在試驗梁底及梁頂部CFRP(未粘鋼板的兩側)純彎區段中部均對稱粘貼2個5mm×3mm的電阻應變片,測量CFRP的平均拉應變。4)試驗梁內鋼筋于澆注前在純彎區段中部預埋粘貼6個3mm×2mm的電阻應變片,測量鋼筋的平均拉壓應變。5)在試驗梁跨中放置位移計以量測跨中撓度。

圖3 加載制度

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

各試驗梁的試驗結果如表3所示。

2.2 破壞形態

2.2.1 破壞過程 試驗結果表明,在低周反復荷載作用下,未加固梁(LA-1)從加荷到破壞經歷3個受力階段即開裂前彈性工作、帶裂縫工作、鋼筋屈服后混凝土裂縫達到限值1.5mm而破壞。僅采用碳纖維布加固梁(LA-2、LA-3)從加荷到破壞經歷4個受力階段即開裂前彈性工作、帶裂縫工作、鋼筋屈服、碳纖維布與混凝土剝離拉斷而破壞。僅采用鋼板加固梁(LA-4)從加荷到破壞經歷4個受力階段即開裂前彈性工作、帶裂縫工作、鋼板屈服、鋼筋屈服、鋼板與混凝土剝離且混凝土裂縫達到限值1.5mm而破壞。采用碳纖維布(CFRP)與鋼板復合加固梁(LA-5、LA-6)從加荷到破壞經歷4個受力階段即開裂前彈性工作、帶裂縫工作、鋼板屈服、鋼筋屈服、碳纖維布剝離且混凝土裂縫達到限值1.5mm而破壞。在實驗加載過程中,復合加固梁在破壞前碳纖維布與鋼板能很好的協同工作。

表3 試驗結果

2.2.2 破壞形態 試驗過程中,試驗梁始于受拉區首先屈服而進入破壞階段,破壞前撓度增加較快,裂縫迅速開展,破壞前有明顯的預兆,表現了較好的承受變形的能力,屬于延續破壞。這是因為試驗梁采用對稱配筋和對稱加固的型式,混凝土相對受壓區高度均在界限相對受壓區高度之內,故具有適筋梁受力破壞形態特點。

2.3 滯回特性與分析

2.3.1 滯回曲線 結構在低周反復荷載作用下的荷載-位移滯回曲線能夠較全面地反映構件受力性能的變化,如裂縫的開閉、鋼筋的屈服和強化、局部混凝土的剝落、壓碎以及破壞等;并且可以反映強度、剛度和延性等方面的力學特征。此次試驗各試件的滯回曲線見圖4至圖9。

在低周反復荷載作用下,鋼筋混凝土受彎構件滯回性能取決于構件的破壞特征。鋼筋混凝土梁發生彎曲破壞時,在鋼筋屈服前,其滯回曲線呈穩定的梭形,剛度退化較小,強度沒有降低,骨架曲線與循環加載的荷載-變形曲線基本重合。鋼筋屈服后,剛度開始退化,滯回曲線有所捏攏。從以上各試件的滯回曲線可以看出,未加固試件 LA-1呈典型的彎曲破壞狀態,滯回曲線形狀比較飽滿。對比各加固試件可發現,各加固梁均表現出較好的變形能力和耗能能力,試件剛度衰減較慢。比較LA-1和LA-2知,梁的承載能力有較大的提高,剛度退化減緩很多,變形能力也有所改善;比較LA-2和 LA-3知,梁的承載能力有所提高但不明顯,且隨著CFRP加固量的增加,試件的滯回環變得略為扁平;比較LA-1和LA-4知,隨著鋼板加固量的增加,梁的承載力有很大幅度的提高,并且梁的變形能力和剛度退化均有較大的改善;比較 LA-2和 LA-5以及 LA-4和LA-5知,復合加固較單一材料加固無論在承載力提高上還是變形能力上均有較大的改善,且剛度退化有所減緩 ;比較梁LA-4、LA-5、LA-6知,隨著 CFRP加固量的增加,梁的承載力提高但隨著CFRP量的進一步增多時承載力提高的幅度減緩。總之,從定性角度來看,對比梁單一材料加固,2種材料的復合能更顯著改善梁的抗震性能。

圖4 LA-1的滯回曲線

圖5 LA-2的滯回曲

圖6 LA-3的滯回曲線

2.3.2 骨架曲線與承載力比較分析 骨架曲線是將荷載—位移滯回曲線的所有峰值點連接起來所得的包絡線,骨架曲線的形狀與單調加載時的荷載—位移曲線非常相似,而極限荷載值比單調加載時略低。

圖7 LA-4的滯回曲線

圖8 LA-5的滯回曲線

圖9 LA-6的滯回曲線

骨架曲線可以用來定性地比較和衡量結構構件的抗震性能。試驗中各試件的骨架曲線見圖10至圖14。

圖10 LA-1、LA-2、LA-3 骨架曲線

圖11 LA-1、LA-4骨架曲線

圖12 LA-2、LA-5骨架曲線

從圖10至圖14可看出,加固梁與未加固梁相比,屈服荷載、極限荷載均有較大幅度的提高,并且極限位移與屈服位移的比值即延性系數均提高。由圖10知,隨著CFRP加固量增加,試件的極限荷載提高,前者破壞態為CFRP拉斷,而后者為CFRP剝離,CFRP的作用沒得到充分利用而使承載力提高的幅度有所下降;并且在屈服前三者剛度基本相同,這說明CFRP對梁彈性剛度的提高作用有限。由圖11、圖12知,用鋼板加固梁既可以較大幅度提高梁的極限承載能力和剛度,又可增加其變形能力。由圖13、圖14知,復合加固較單一材料加固其加固效果更顯著,既可以大幅度提高梁的極限承載能力,又能改善構件的延性和增強試件的抗震性能。由表3知,CFRP或鋼板或復合加固既能提高試件的開裂荷載(依次提高28.6%、42.9%、19.0%、57.1%、66.7%),又能提高極限承載力(依次提高55.6%、88.9%、77.8%、155.6%、166.7%)。而復合加固更顯著提高梁開裂荷載和極限承載能力。

圖13 LA-4、LA-5、LA-6 骨架曲線

圖14 LA-2、LA-4、LA-5 骨架曲線

2.4 剛度退化及剛度變化分析

2.4.1 剛度退化分析 在位移幅值不變的情況下,結構構件的剛度隨反復加載的次數的增加而降低的特性為剛度退化,每施加一循環荷載后剛度降低的速率為剛度退化率。一般用同一級變形下的環線剛度來反映剛度退化的特性,環線剛度按下式計算:

根據試驗,由試1計算出所有時間的環線剛度Kn見表4所示。

表4 梁的環線剛度

續表4

定義剛度退化率T為:

根據試驗,所有試件的剛度退化率T計算結果如表5所示。

表5 梁的剛度退化率(%)

從表4、表5可看出,隨著循環次數的增加,梁的剛度減小即剛度退化,且隨著位移的增加,退化率增大,耗能能力下降。相比未加固試件,試件破壞前,加固試件的剛度退化率小,這說明用碳纖維布或鋼板加固可以減緩剛度的退化。比較LA-2、LA-4、LA-5、LA-6知,復合加固的試件的剛度退化率更小,且復合加固試件在各級控制位移下,剛度隨循環次數的增加退化現象不明顯,說明復合加固效果更好。

2.4.2 剛度變化分析 從荷載—位移滯回曲線圖看出,隨著往復荷載的不斷增大,試件的剛度逐漸減小。可用相對剛度Ki/K0來描述,其中Ki表示骨架曲線第i個峰值點與原點連線的斜率,在計算初始剛度k0時取原點與0.75倍屈服荷載點連線的斜率。

各試件的初始剛度值K0,各級位移下剛度Ki及相對剛度ki/k0見表6至表7。其中屈服時剛度為K1,2倍屈服位移時剛度為K2,3倍屈服位移時剛度為k3。

表6 K0及Ki(kN/mm)

表7 相對剛度Ki/K0

由表6知,鋼板加固可顯著提高梁的初始剛度k0,而碳纖維布對梁的初始剛度影響不及鋼板大,且隨著位移的增加,各試件的剛度均有大幅度的減小。

由表7知,加固試件的相對剛度均比未加固試件要高,鋼板加固時,梁的相對剛度比碳纖維布加固時的相對剛度大,說明鋼板對梁剛度的衰減可以起到更好的抑制作用。比較復合加固和粘鋼加固,復合加固試件的相對剛度大于粘鋼加固試件的相對剛度,這是由于碳纖維布的使用,試件的剛度衰減受到了抑制。

2.5 變形能力分析

2.5.1 變形恢復能力 梁的變形恢復能力大小可以用殘余變形率n(殘余變形Δe與極限變形Δu的比值)表示,殘余變形率越低,變形恢復能力越強。所有試件的變形恢復性能指標見表8。

表8 試件的變形恢復能力

由表8可知,各梁的殘余變形率在 0.65～0.72,均表現出一定的變形恢復能力;碳纖維布加固和鋼板加固均能提高梁的變形恢復能力,而復合加固梁的變形殘余率較單一材料加固小,表明復合加固梁梁的變形恢復能力更高。

2.5.2 延性分析 根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-96)[10],試件的延性系數μ,應根據極限位移Δu和屈服位移 Δy之比計算,各試件的延性系數見表9。

表9 梁的延性系數

從表9可以看出,各梁的延性系數都大于3,均表現出較好的延性。加固試件的延性系數均大于未加固試件,延性系數依次提高11.8%、4.53%、13.6%、36.8%、24.4%。單一材料加固時,鋼板加固提高的幅度最大,其次為一層布加固;復合加固試件的延性系數較單一材料加固提高,說明復合加固對構件的抗震性能有明顯的改善;而當增加碳纖維布層數時,其延性系數提高幅度降低,原因在于其加固破壞形式為碳纖維布剝離或拉斷。

3 結論

通過對6根鋼筋混凝土梁(5根加固)在低周反復荷載作用下的試驗研究,對各試件的破壞形態、滯回特性、剛度退化、變形恢復能力、延性、承載能力等進行了對比分析,得到如下結論:

1)試驗梁始于受拉區首先屈服而進入破壞階段,破壞前有明顯的預兆,表現了較好的承受變形的能力,屬于延續破壞。碳纖維布與鋼板能較好地協同工作。

2)復合加固能進一步提高梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載。

3)相比單一材料加固,復合加固進一步減緩梁的剛度退化,進一步提高梁的變形恢復能力和延性系數;表明復合加固能更有效地改善梁的抗震性能。

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