碳纖維布包裹改善銹蝕鋼筋混凝土柱延性試驗(yàn)研究

李金波, 貢金鑫

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

0 引 言

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要形式.銹蝕不僅使得鋼筋有效截面面積減小、力學(xué)性能弱化,而且使得鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能遭到破壞,影響了結(jié)構(gòu)的承載力、延性和耗能能力,嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)抗震性能[1～8].因此,有必要對銹蝕結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固,改善其抗震性能.

利用碳纖維布加固鋼筋混凝土柱,既可以提高柱的受剪承載力,也可改善柱的延性,使柱承受較大的塑性變形,且不會(huì)增加約束柱的剛度,因此在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用.但目前對碳纖維布約束鋼筋混凝土構(gòu)件的研究,主要集中于完好試件,對銹蝕損傷試件的約束研究較少,基于此,本文研究碳纖維布約束柱在低周反復(fù)荷載作用下延性和耗能能力的改善情況.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試件尺寸與加固方式如圖1所示.試件采用平臥澆筑,長 1500 mm,截面尺寸 200 mm×200 mm,縱筋選用直徑14 mm的HRB335熱軋帶肋鋼筋,對稱配置,每側(cè)2根;實(shí)測縱筋屈服強(qiáng)度384.77 MPa,極限強(qiáng)度604.87 MPa;箍筋采用直徑8 mm的 HPB235熱軋光圓鋼筋,間距100 mm,屈服強(qiáng)度321.89 MPa.混凝土抗壓強(qiáng)度為44.8 MPa.為測量加載過程中碳纖維布的應(yīng)變,在距試件中間突頭50、150和300 mm處相鄰兩截面上粘貼橫向應(yīng)變片.

圖1 試件加固方式Fig.1 Strengthening scheme of specimen

2 試件電化學(xué)銹蝕和碳纖維布加固

2.1 鋼筋電化學(xué)銹蝕

鋼筋銹蝕通過電化學(xué)快速銹蝕實(shí)現(xiàn),具體過程見文獻(xiàn)[1].銹蝕后試件出現(xiàn)沿縱筋方向的銹蝕裂縫,銹蝕量越大,裂縫越寬,柱角部的裂縫寬度最大可達(dá) 3.0 mm,縱向裂縫長度最大約500 mm.另外還可以看到大量紅色銹蝕產(chǎn)物集中在銹蝕裂縫附近.

鋼筋除銹過程和稱重方法見文獻(xiàn)[1],試驗(yàn)實(shí)測鋼筋銹蝕率見表1.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

2.2 碳纖維布加固

試件碳纖維布加固工序?yàn)榍宄P脹混凝土,對鋼筋除銹,重新澆筑混凝土修補(bǔ)試件,對試件進(jìn)行表面找平、倒角處理(倒角半徑為20 mm),外包碳纖維布,養(yǎng)護(hù).纖維布搭接長度為150 mm,實(shí)測新澆筑混凝土保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度為32.7 MPa.UT70-20碳纖維布的性能參數(shù)為單位面積質(zhì)量200 g·m-2,厚度0.111 mm,抗拉強(qiáng)度3646 MPa,彈性模量215600 MPa,伸長率1.9%.GJN-T型浸漬樹脂的性能參數(shù)為抗拉強(qiáng)度52.5 MPa,抗壓強(qiáng)度86.2 MPa,剪切強(qiáng)度18.32 MPa,彈性模量2711.7 MPa.

3 試驗(yàn)加載過程與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)加載過程

圖2給出了試驗(yàn)的加載方式和裝置.軸向荷載通過壓力機(jī)施加,軸壓比如表1所示,試驗(yàn)過程中保持不變;水平荷載通過框架上的液壓千斤頂施加,由連接在千斤頂上的荷載傳感器控制荷載的大小;試件位移通過位移計(jì)測量;碳纖維布應(yīng)變使用電阻應(yīng)變片測量,試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用德國imc數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集.試驗(yàn)使用位移控制的方式加載,第1次循環(huán)加載時(shí),試件變形為1 mm,在隨后的循環(huán)加載中,按照2 mm的倍數(shù)遞增進(jìn)行循環(huán)加載,每級循環(huán)3次,如圖3所示.

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Set-up of test

圖3 水平荷載加載制度Fig.3 Horizontal loading sequence

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 破壞形態(tài) 重澆混凝土保護(hù)層的試件,以B21為例,當(dāng)加載至2 mm時(shí)出現(xiàn)首條橫向彎曲裂縫,加載至6 mm時(shí)出現(xiàn)一條由固定端向柱中延伸的斜裂縫.隨著荷載的繼續(xù)施加,橫向裂縫寬度不斷增大,并集中在距試件突頭約300 mm的范圍內(nèi);試件最后破壞時(shí),由于混凝土保護(hù)層與核心混凝土之間粘結(jié)較差,突頭附近的混凝土保護(hù)層剝落,縱筋受壓向外屈曲.試件B21的破壞情況見圖4(a).

碳纖維布加固試件,以C221為例,在加載至2 mm時(shí)就不斷聽到碳纖維布發(fā)出啪啪的聲音,說明碳纖維布發(fā)揮了約束作用;當(dāng)試件最后破壞時(shí),試件突頭附近的碳纖維被拉斷,混凝土被壓碎.試件C221破壞時(shí)的情況見圖4(b).

3.2.2 滯回曲線 圖5給出了試驗(yàn)所得的試件荷載-位移滯回曲線.從圖5可以看出,銹蝕試件的抗震性能,隨著鋼筋銹蝕程度的增大和軸壓比的增大逐漸降低,試件破壞模式由延性破壞變?yōu)榇嘈云茐?對于加固試件,尤其是碳纖維布包裹試件,滯回環(huán)形狀飽滿圓滑,滯回環(huán)面積顯著增大,表明碳纖維布加固使試件因銹蝕降低的耗能能力得以恢復(fù).加固試件與未加固試件相比,極限荷載有所增加,延性改善明顯,充分體現(xiàn)了加固的效果.

圖4 試件B21和C221典型破壞情況Fig.4 Typical failure pattern of the specimens B21 and C221

圖5 試件的試驗(yàn)滯回曲線Fig.5 Hysteresis curve of specimens

3.2.3 碳纖維布應(yīng)變 圖6(a)示出了距試件中間突頭50 mm處碳纖維布的應(yīng)變,圖6(b)示出了試件破壞時(shí)碳纖維布應(yīng)變隨距中間突頭距離s的增大.由圖6(a)可以看出,(1)在開始加載階段,碳纖維布沒有發(fā)揮作用,試件達(dá)到極限荷載后碳纖維布才逐漸發(fā)揮約束作用;(2)碳纖維布的利用率與試件軸壓比有關(guān),軸壓比越大,碳纖維布的利用率越高;(3)銹蝕量較大的試件,碳纖維布的利用率較高;(4)碳纖維布粘貼層數(shù)多的試件,碳纖維布的利用率較低.由圖6(b)可以看出,距中間突頭400 mm處的碳纖維布幾乎沒有發(fā)揮作用,因此碳纖維布的加固長度可取在2h(h為試件截面高度)高度范圍內(nèi),以節(jié)省碳纖維布用量.

圖6 試件應(yīng)變-位移曲線Fig.6 Strain-displacement responses of specimens

3.2.4 骨架曲線 圖7給出了試件的骨架曲線.根據(jù)骨架曲線可以看出,(1)外包碳纖維布對銹蝕柱試件的有效約束,使承載力有一定提高,延性大為改善,以加固試件B31和B321為例,B31、B321的最大承載力和位移延性系數(shù)分別比銹蝕試件B3增加 2.89%、86.82%和 15.76%、156.76%;(2)在鋼筋銹蝕量和軸壓比相同的情況下,試件延性隨碳纖維布加固層數(shù)的增多改善愈加明顯;(3)試件加固條件相同時(shí),鋼筋銹蝕率較大的試件極限承載力較小,但延性與銹蝕率較小的試件相差不大;(4)碳纖維布加固層數(shù)和鋼筋銹蝕率相同時(shí),隨著軸壓比的增大,試件承載力增大,但極限荷載后的平直段較短,延性變差.

圖7 由滯回關(guān)系測得的骨架曲線Fig.7 The skeleton curves measured from hysteresis relationship

3.2.5 剛度衰減 圖8給出了試件的剛度衰減曲線.試件剛度根據(jù)每級循環(huán)荷載作用下正、負(fù)方向荷載的絕對值之和與相應(yīng)的正、負(fù)方向位移絕對值之和的比值計(jì)算,以Ki表示;試件初始剛度用K0表示.由圖8可知,(1)與未加固試件相比,加固試件的剛度衰減速率較低,剛度衰減曲線平緩;(2)當(dāng)加固條件相同時(shí),隨著鋼筋銹蝕率的增大,試件剛度衰減速度加快;(3)碳纖維布加固層數(shù)較多的試件,剛度衰減速度較慢;(4)隨著軸壓比的增大,試件剛度衰減速率增快,衰減曲線更加陡峭.

圖8 試件剛度衰減曲線Fig.8 Degradation curves of stiffness of the specimens

3.2.6 延性系數(shù)和耗能分析 延性是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù),本文采用位移延性系數(shù)來衡量試件的延性,其值為試件荷載降低至85%極限荷載時(shí)的位移 Δu與屈服位移 Δy的比值 Δu/Δy,Δy使用能量法等效計(jì)算.試驗(yàn)所得的試件位移值和延性系數(shù)值見表2,括號內(nèi)的值為試件荷載達(dá)到極限荷載Pu時(shí)的位移和延性系數(shù).Q為試件累積滯回耗能,根據(jù)試件最終破壞前各滯回曲線的面積之和計(jì)算.mc為試件的平均耗能系數(shù),用于描述試件屈服后的耗能能力,根據(jù)下式計(jì)算:

式中:n1為試件屈服后,在試件破壞前循環(huán)加載的次數(shù);Ey為名義彈性能量,由下式計(jì)算:

由表2可知,銹蝕試件加固后,延性顯著改善,耗能能力顯著增強(qiáng),碳纖維布加固層數(shù)增多時(shí) ,改善更加明顯 ,以試件 B2 、B21、B221、B222 為例,加固試件 B21、B221、B222的延性系數(shù)分別是銹蝕試件B2的1.90倍、2.08倍和2.96倍,總耗能分別是銹蝕試件B2的 5.00倍、8.65倍和17.29倍.

表2 試件試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Summary of the test results for specimens

4 理論分析

4.1 試件骨架曲線計(jì)算

本文通過對加固試件截面進(jìn)行分析,編寫了加固試件的骨架曲線計(jì)算程序,采用的碳纖維布約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型[9]如下式所示:

式中:fc0為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,εc0為混凝土強(qiáng)度為fc0時(shí)的應(yīng)變,ε′cc為碳纖維布約束混凝土的極限應(yīng)變,f′cc為約束混凝土達(dá)到極限應(yīng)變?chǔ)拧鋍c時(shí)的強(qiáng)度.文獻(xiàn)[9]給出了各參數(shù)的取值.

鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型由式(4)給出,即

式中:Es為鋼筋彈性模量,fy為鋼筋屈服強(qiáng)度,其余參數(shù)含義見文獻(xiàn)[10].

如圖9所示,由構(gòu)件截面軸力和彎矩的平衡條件可以得出

圖9 試件截面應(yīng)變、應(yīng)力分布圖Fig.9 Strain and stress distribution of cross-section of specimens

式中:N和M分別為軸向荷載和彎矩,Kh0為試件截面混凝土受壓區(qū)高度.

根據(jù)式(5)和(6),可以求出不同受壓區(qū)高度時(shí)M值,進(jìn)而計(jì)算出試件截面的彎矩-曲率關(guān)系.

彎矩M根據(jù)下式計(jì)算:

式中:MV為由施加的水平荷載產(chǎn)生的彎矩;MN為軸向荷載對計(jì)算截面產(chǎn)生的彎矩;P為施加的水平荷載;H為水平加載點(diǎn)到試件固定端的距離,取H=550 mm;lp為試件塑性鉸區(qū)段長度,取lp=0.5h0,h0為試件截面有效高度;N為施加的軸向荷載;Py為試件屈服荷載;dcs為試件頂點(diǎn)的水平位移.

按照結(jié)構(gòu)力學(xué)原理,未銹蝕試件頂點(diǎn)位移d與塑性鉸區(qū)曲率φ的關(guān)系為

式中:φy為試件的屈服曲率,與Py相對應(yīng).

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析和擬合,銹蝕試件頂點(diǎn)位移dcs可由下式計(jì)算:

式中p為試件中的鋼筋銹蝕率.

圖10為計(jì)算所得的部分試件骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線的比較.由圖可知,加固試件的計(jì)算骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線基本吻合,尤其是在試件達(dá)到最大荷載前,試驗(yàn)骨架曲線與計(jì)算骨架曲線非常相符,說明本文提出的計(jì)算方法是可行的,在試件達(dá)到極限荷載后的下降段,有些試件計(jì)算值稍大.

4.2 位移延性系數(shù)計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1～3]的試驗(yàn)結(jié)果,可以得出銹蝕試件與未銹蝕試件位移延性系數(shù)之間關(guān)系:

式中:μΔ cor為銹蝕試件的位移延性系數(shù),μΔ為未銹蝕試件的位移延性系數(shù).

根據(jù)本文與文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)結(jié)果并參考文獻(xiàn)[11]給出未銹蝕試件位移延性系數(shù)的計(jì)算公式:

式中:αw為與箍筋形式有關(guān)的系數(shù),對于普通箍筋 ,αw=1.0;λw=ρwαf,ρw為體積配 箍率,αf=fyv/fc,fyv為箍筋屈服強(qiáng)度,fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;λN為試件的軸壓比.

對于重新澆注混凝土保護(hù)層或使用碳纖維布加固的銹蝕試件,位移延性系數(shù)按下式計(jì)算:

式中 :μΔ str 為修復(fù)試件的位移延性系數(shù) ;λs=ρsαfs,ρs為總體積配箍率 ,αfs=fyv/fcs,fcs為修復(fù)

后混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度.

圖10 部分試件骨架曲線試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較Fig.10 Comparison between analytical and experimental results of skeleton curves of some specimens

總體積配箍率ρs按下式計(jì)算:

式中:υ為碳纖維布的有效約束系數(shù),υ=εu/εcfu,εu為試件破壞時(shí)碳纖維布的應(yīng)變,εcfu為碳纖維布的極限應(yīng)變;ncf為碳纖維布粘貼層數(shù);tcf為單層碳纖維布厚度;b為柱截面寬度;h為柱截面高度;fcf為碳纖維布的抗拉強(qiáng)度;fyv為箍筋的抗拉強(qiáng)度.

試件位移延性系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值比較見表3.

5 結(jié) 論

(1)使用碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土試件可以顯著改善試件的延性和耗能能力;

(2)碳纖維布約束作用使因銹蝕可能出現(xiàn)的脆性破壞重新轉(zhuǎn)化為塑性破壞;

(3)銹蝕試件的延性系數(shù)與鋼筋銹蝕量有關(guān),加固試件的延性系數(shù)與加固材料的強(qiáng)度和總體積配箍率有關(guān).

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