后置鋼管式鋼筋混凝土中長柱偏壓性能試驗分析

王靜峰, 胡 舜, 於忠華, 王鳳芹, 朱 華

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽先進鋼結構技術與產業化協同創新中心,安徽 合肥 230009; 3.安徽寰宇建筑設計院,安徽 合肥 230041)

鋼筋混凝土柱是目前建筑工程中應用最廣泛的豎向承重構件,其質量問題是影響結構安全和健康運營的重要因素。然而,在實際工程中由于施工不當、設計不合理以及地震災害等原因,導致鋼筋混凝土柱承載力和延性不夠,為了確保結構安全性能,需要對其進行加固處理。近年來我國加固技術的研究和應用在不斷發展,目前常用的加固方法有增大截面法、外包型鋼法、置換混凝土法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復合材料法等,這些方法各有優勢,但也存在一些問題。文獻[1]采用增大截面法加固軸壓作用下的圓形截面短柱,然而后置混凝土中的應力滯后現象導致新舊混凝土共同作用效果變差,且對原結構體系擾動較大;文獻[2]采用外包型鋼法對開洞剪力墻進行加固,但是此加固方法用鋼量較大,技術、經濟效果一般,且高溫、高濕環境下需要采取特殊防護措施;文獻[3]采用置換混凝土法來加固不符合實際承載要求的高層混凝土柱子,但實際工程存在濕作業時間長、施工復雜的缺點;文獻[4]研究了粘貼鋼板加固梁的抗彎承載力及受力機理,文獻[5-7]研究了碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)加固的混凝土梁、板的抗彎性能、剛度及受力機理,但粘貼鋼板法和粘貼纖維復合材料法都存在著粘結耐久性不足、環境溫度和濕度要求嚴苛、承載力加固效果一般等問題。現有加固技術體系缺乏一種能夠顯著提升承載力、對結構體系擾動小、耐久性和耐火性優異、施工方便的新型加固技術。

針對現有加固方法的不足,為了進一步改進和提升加固效果,本文提出了后置鋼管式鋼筋混凝土(post-wrapped steel tube retrofitted reinforced concrete,PSTRRC)加固技術。此加固方式具有截面面積不變、承載力大幅提高、新舊混凝土和鋼管的黏結性改善、耐久性和耐火性提高、使用壽命達標、施工方便等優點,已應用于合肥華星印刷廠加固工程,工程實際應用驗證其具有良好的加固效果。

由于我國目前缺乏關于PSTRRC的相應規范和相關性能研究,PSTRRC的基礎性能還需要進一步的試驗探究。本文通過對PSTRRC中長柱試件進行偏壓性能試驗,深入研究了偏心率、灌漿料截面面積置換比及長細比等參數對其破壞模式、偏壓承載力、位移延性系數及強度提高系數的影響,進一步揭示了芯柱混凝土、鋼筋、灌漿料、鋼管4種材料的組合效應,以及試件在偏壓作用下的受力模式、破壞機理及加固效果。本文研究成果可為實際工程中鋼筋混凝土結構加固工程提供依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計和制作

本試驗設計了13個縮尺比例為1∶3的PSTRRC中長柱試件,其中12個為偏壓試件,1個為軸壓對照試件,軸壓試件除了加載方式外,試件參數與偏壓標準試件完全相同。

試件采用設計強度為C20的混凝土和設計強度為C60的灌漿料,鋼筋等級為HRB400,外包鋼管由4塊普通熱軋Q345級鋼板拼焊而成。試驗的研究參數為長邊偏心率ea(0.25、0.50、0.75)、短邊偏心率eb(0.25、0.50、0.75)、灌漿料截面面積置換比k(70%、50%、40%)及長細比λ(長度L為1 200、1 800、2 400 mm)。各參數的計算公式如下:

ea=2ea0/D

(1)

eb=2eb0/B

(2)

k=Ac/A

(3)

(4)

其中:ea0、eb0分別為長邊偏心距和短邊偏心距;D為試件截面長邊邊長;B為試件截面短邊邊長，即截面高度;Ac為置換灌漿料所占截面面積;A為試件截面積;L為試件高度，即長度。

試件尺寸、研究參數及偏壓極限承載力(Nue,t)見表1所列。表1中,t為鋼管厚度。

加工制作試件時,首先根據預定配合比制備并澆筑混凝土柱,保留核心芯柱,鑿除四周混凝土直至縱筋和箍筋裸露,并進行鑿毛處理,將核心芯柱定位居中放置于底部鋼板上,點焊4塊外包鋼管;在混凝土芯柱和鋼管之間的空隙澆筑C60高強灌漿料,灑水養護至灌漿料到達設計強度;打磨試件頂部凸出灌漿料直至頂部光滑平整,點焊試件頂端鋼板;最后對外包鋼管進行去污除銹,涂刷油漆并劃分50 mm×50 mm的網格。原柱與PSTRRC柱截面如圖1所示。

表1 試件尺寸、研究參數及偏壓極限承載力

注:試件編號中“ACL”和“ECL”分別代表軸壓試件和偏壓試件;D、B、t、L的單位為mm。

圖1 原柱與PSTRRC柱截面

1.2 材料力學性能試驗

PSTRRC偏壓中長柱試件采用的芯柱混凝土強度設計等級為C20,原材料如下:32.5普通硅酸鹽水泥、細度模數為2.4的河砂、石子粒徑范圍為5～25 mm的石灰巖碎石。灌漿料采用C60高性能無收縮灌漿料。外包鋼管采用Q345鋼材。

根據文獻 [8-9] 的要求,在合肥工業大學建筑材料實驗室進行了混凝土、灌漿料、鋼材的材料力學性能試驗。試驗結果如下:縱向鋼筋和箍筋的屈服強度fy=358.5 MPa,抗拉強度fu=537.5 MPa,彈性模量E=196 GPa,伸長率δ=28.6%;鋼材屈服強度fy=330.5 MPa,抗拉強度fu=478.8 MPa,彈性模量E=202 GPa,伸長率δ=16.6%,頸縮率ψ=48.4%;混凝土養護28 d立方體抗壓強度為22.1 MPa;灌漿料養護1、3、28 d的抗壓強度分別為60.1、57.5、61.3 MPa。灌漿料流動度試驗結果如下:初始流動度為316 mm(大于260 mm),且30 min靜止后流動度為290 mm(大于230 mm),符合文獻 [10] 對灌漿料流動度的規定。

1.3 加載裝置與加載制度

試驗在合肥工業大學結構實驗室進行,采用500 t萬能壓力機進行加載,試件豎直放置,上、下兩端通過焊接50 mm厚的帶刀鉸口端板來傳遞荷載,試驗過程中采用鉛垂線保持刀鉸中心線和壓力機中心線始終重合,通過調整不同試件的刀鉸口在加載端板上的位置來實現不同的偏心距要求。

為了精確測量試件的應變和變形情況,在試件外包鋼管表面上、下兩端近端處,上、下兩端距端部L/4處及跨中處布置應變片,同時考慮到角部應力集中,在外包鋼管的角部增加布置應變片以測量其應變。在壓力機底部臺座布置1個位移計,同時在上、下兩端距端部L/4處及跨中處布置3個位移計以測量試件的軸向變形和側向位移。現場試驗裝置、試件應變片和位移計具體布置如圖2所示。

試驗全過程軸向荷載與軸向位移均由500 t萬能壓力機加載系統自動實時采集,為了保證數據的準確性,增設了壓力傳感器和位移計測量數據進行對照校核。試件的應變均由多功能靜態應變測試系統JM3812(無線型)采集。試驗采用分級加載制度:實驗開始時,以1.5 kN/s的速率按荷載控制進行加載;在達到預計極限承載力的50%以前,每級荷載為100 kN,持載1 min后進行下一級加載;達到預計極限承載力的50%后,每級荷載降至50 kN;當荷載超過預計極限承載力的80%后,應變測試系統轉為連續采集,觀察記錄試驗現象,直至承載力下降到預計極限承載力的40%或試件嚴重變形、焊縫嚴重撕裂時試驗結束。其中預計極限承載力依據文獻[11]進行估算。

圖2 試驗裝置與PSTRRC試件應變片和位移計布置情形

2 試驗結果與分析

2.1 破壞模式與試驗現象

PSTRRC偏壓中長柱試件典型破壞形式如圖3所示。

圖3 試件典型破壞形式

從圖3可以看出,試件破壞時都出現了不同程度的撓曲變形,最終破壞形式主要分為3類:在偏壓側端部附近鼓曲的焊縫撕裂破壞、在偏壓側距端部L/4處鼓曲的焊縫撕裂破壞、在偏壓側跨中處鼓曲的焊縫撕裂破壞。

以試件ECL12為典型試件,介紹PSTRRC偏壓中長柱的破壞過程:在加載初期,荷載增長至0.81Nu之前(Nu為試件的實測極限承載力Nue,t,該試件Nu=1 477 kN),試件處于彈性階段，未出現明顯破壞現象;當荷載增長至0.88Nu時,偏壓側(②面)下端部附近開始出現輕微外鼓;當荷載增長至0.91Nu時,②面下部鼓曲加劇,鼓曲現象擴散到①面和③面,同時②面上部對稱處出現輕微鼓曲;加載至極限荷載后,試件變形加劇;荷載下降至0.83Nu時,①面、②面及③面下部鼓曲處焊縫發生撕裂;當荷載繼續下降至0.40Nu時,試件軸向位移增長速度明顯加快,荷載下降速度變緩,此時停止加載。

試件ECL21破壞現象為在偏壓側跨中鼓曲的焊縫撕裂破壞,將其鋼管剖開,發現試件偏壓側鼓曲處灌漿料被壓潰,敲掉破碎處灌漿料觀察到縱向鋼筋有明顯的壓屈變形,而箍筋無明顯變形。試件內部破壞現象如圖4所示。

圖4 內部灌漿料和混凝土破壞情況

由上述典型試件的試驗現象可知:試件在加載至極限荷載后仍然具有一定的承載能力,荷載最終下降到0.40Nu才停止加載,試件屬于延性破壞;縱筋屈曲而箍筋無明顯變形，這說明試件側向撓度不大,剛度較大;試件表面未出現明顯的縱向貫穿裂縫，這說明灌漿料和混凝土之間具有較好的黏結作用。

2.2 偏壓荷載-軸向應變關系曲線

偏心率(e)、灌漿料截面面積置換比(k)及長細比(λ)對試件的偏壓荷載(N)-軸向應變(ε)曲線的影響如圖5所示,其中軸向應變ε=Δ/L,Δ為試件加載點處的軸向位移。

N-ε曲線可以大致分為3個階段:在加載初期,試件的軸向應變較小且隨荷載增加呈線性緩慢上升;加載繼續進行,試件的軸向應變隨荷載持續增加呈非線性上升;試件達到極限偏壓荷載(Nu)后,試件焊縫發生撕裂導致承載力陡降,因而下降段曲線趨勢不夠平緩。

圖5 偏壓荷載(N)-軸向應變(ε)關系曲線

2.3 荷載-鋼管縱向應變曲線

試驗加載全過程中,②面受壓,④面受拉,且由于偏壓作用,②面的壓應變大于④面的拉應變。不同e、k、λ下的偏壓試件鋼管的縱向應變(ε)隨荷載(N)變化曲線如圖6所示。圖6中,正值表示拉應變,負值表示壓應變。

加載初期,鋼管縱向應變呈線性上升;隨著荷載增加,鋼管縱向應變逐漸呈非線性上升,標志著試件進入彈塑性階段;當鋼管縱向應變超過屈曲應變,曲線逐漸趨于平緩。

由圖6a、圖6b可知:在短邊偏心加載和長邊偏心加載時,e的大小對鋼管非偏壓側的縱向應變發展有影響;e較小時,非偏壓側鋼管先受壓,隨著試件彎曲撓度變形增大,壓應變轉化為拉應變;而e較大時,非偏壓側鋼管應變一直為拉應變;e越大,試件達到Nu對應的鋼管縱向應變值也越大。

由圖6c、圖6d可知,k對短邊偏心加載影響更明顯,隨著k降低,試件達到Nu對應的鋼管縱向應變值逐漸增大。

由圖6e可知,隨著λ增加,試件達到Nu對應的鋼管縱向應變值逐漸減小。

圖6 鋼管偏壓側與非偏壓側縱向應變變化曲線

2.4 荷載-鋼管環向應變曲線

由于泊松效應的影響,鋼管的環向應變與同位置處的縱向應變呈現相反的發展關系,當縱向應變為拉應變,則同位置環向應變為壓應變,加載全過程中環向應變相對縱向應變增加趨勢較為緩慢,大部分試件鋼管的環向應變未達到屈服應變。鋼管偏壓側與非偏壓側環向應變(ε)隨荷載(N)變化曲線如圖7所示。

圖7 鋼管偏壓側與非偏壓側環向應變變化曲線

由圖7a、圖7b可知,隨著e增大,試件達到Nu對應的鋼管環向應變逐漸增大。由圖7c、圖7d可知,隨著k降低,試件達到Nu對應的鋼管環向應變逐漸減小。由圖7e可知,隨著λ增加,試件達到Nu對應的鋼管環向應變逐漸減小。

2.5 平截面假定驗證

典型試件ECL21和ECL44在偏心荷載分別為0.3Nu、0.6Nu、0.8Nu、0.9Nu、Nu的5個加載階段鋼管跨中截面縱向應變(ε)沿截面高度的分布情況如圖8所示。圖8中，豎直實線表示跨中截面的中和軸位置。

由圖8可知,從加載初期階段(0.3Nu)到極限荷載(Nu)前,跨中截面的縱向應變值沿高度方向基本呈線性變化,承載力計算符合平截面假定。

圖8 典型試件ECL21和ECL44跨中截面縱向應變分布曲線

2.6 位移延性系數

采用位移延性系數μ來反映PSTRRC偏壓中長柱的整體延性,定義μ為:

μ=Δu/Δy

(5)

其中:Δy為試件軸向屈服位移;Δu為試件軸向極限位移。試件屈服荷載(Py)和位移(Δy)、峰值荷載(Pmax)和位移(Δmax)、極限荷載(Pu)和位移(Δu)試驗結果及μ值見表2所列。μ越大,試件的延性越好。

由于試件的荷載(P)-位移(Δ)曲線沒有明顯的屈服點,屈服位移Δy取P-Δ骨架線彈性段延線與過峰值點的切線交點處的位移;極限位移Δu取承載力下降到峰值承載力的85%時對應的位移。

e、k、λ對μ的影響如圖9所示。

由圖9a可知,隨著e增大,μ不斷增加,試件延性逐漸提高;由圖9b可知,隨著k增大,由于C60高強灌漿料的延性低于C20混凝土,μ不斷減小,試件延性逐漸降低;由圖9c可知,隨著λ增大,μ不斷減小,試件延性逐漸降低。

表2 試件典型加載試驗結果及μ值

圖9 e、k、λ對μ的影響

2.7 強度提高系數

為了評估實際工程的加固效果,采用強度提高系數來分析不同參數下加固前、后的試件承載力提高情況,定義強度提高系數ISE為:

ISE=(Nue,t-Nue,RC)/Nue,RC

(6)

其中,Nue,RC為加固前鋼筋混凝土偏壓試件依據文獻[11]得到的計算值。

e、k、λ對強度提高系數的影響如圖10所示。

由圖10可知,強度提高系數值均大于1.0,說明PSTRRC中長柱這種新型組合構件具有良好的加固效果,顯著提高了試件承載力。由圖10a、10b可知,隨著e、k增大,試件的強度提高系數增大,加固效果更加顯著;由圖10c可知,隨著λ增大,試件的強度提高系數減小,加固效果降低。

圖10 e、k、λ對強度提高系數的影響

3 結 論

(1) PSTRRC中長柱偏壓試驗最終破壞模式主要為中部處破壞、L/4處破壞及端部處破壞3種。

(2) 通過分析PSTRRC偏壓中長柱的荷載-軸向應變關系可以得出:偏心率(e)越大,試件彈性剛度越小,極限承載力越小,下降段越平緩;灌漿料截面面積置換比(k)越大,試件彈性剛度和極限承載力越大;長細比(λ)越大,極限承載力和極限應變越小;同樣參數下,短邊偏心試件的極限承載力比長邊偏心小。

(3) 通過分析PSTRRC偏壓中長柱的荷載-鋼管應變關系可以得出,隨著λ增加,試件達到極限荷載時縱向和環向應變逐漸減小。試驗加載過程中跨中截面的應變符合平截面假定。

(4)e增大,λ、k減小,試件延性提高。

(5)e增大,試件的強度提高系數越大,加固效果越好;k增加,加固效果變得顯著,但是加固效果增量降低;λ越大,加固效果越差。