碳纖維增強塑料條帶約束短柱軸壓性能試驗

鄧 宇, 孫 飛, 張 鵬, 趙曉冬, 桂金洋

(廣西科技大學 土木建筑工程學院, 廣西 柳州 545006)

0 引 言

在環境因素影響下, 普通混凝土結構的內部鋼筋極易受到碳化和腐蝕, 導致鋼筋強度和結構承載力降低, 還會對結構耐久性和安全性造成不利影響, 因此學者提出利用碳纖維布在混凝土柱表面進行包裹加固[1-2]。 對于普通混凝土柱, 在軸向壓力作用下, 箍筋約束的存在會對核心區混凝土產生良好的約束效果, 對提高構件的承載力擁有關鍵作用。

關于軸壓柱的箍筋約束類型研究逐漸增多： 王剛[3]提出高強箍筋約束, 惠寬堂等[4]將碳纖維約束與箍筋約束的軸壓性能進行對比, 魏洋等[5]提出玄武巖纖維-箍筋復合約束, 邱紅利等[6]提出復材網格箍筋, 還有一些學者從配箍形式出發展開了大量研究[7-10]。 由此可以看出， 非傳統箍筋對于混凝土柱的約束性能在研究中越來越被重視。從增強箍筋約束效果和解決鋼筋易碳化銹蝕出發, CFRP布具有污染小、 質量輕、 強度高、 抗疲勞性能好、 方便施工和耐腐蝕等優點, 以其來代替或部分代替普通鋼筋能很好地發揮其特性。

課題組前期對CFRP開展了大量試驗研究[11-14]： 由CFRP筋制成復合筋配置在梁中研究其受力性能； 隨后將CFRP布對柱表面進行包裹, 研究其偏心加載下的受力性能； 而對于承受軸心受壓荷載的混凝土短柱, 提出CFRP條帶約束, 將豎向鋼筋通過CFRP條帶環向包裹, 可以在簡化纖維的錨固措施情況下讓其抗拉性能充分發揮。 與用傳統鋼筋作為箍筋的混凝土短柱相比, CFRP不僅具有重量輕而且有較強的環境適應性能與綠色環保等特點, 本文分別對配置普通箍筋和CFRP條帶約束的混凝土短柱進行軸壓試驗, 對其受力全過程、 破壞形式、 承載力等進行研究分析。

1 試驗設計

1.1 試件的設計與制作

本次試驗柱的截面尺寸均為200 mm×200 mm, 柱高600 mm, 試驗短柱的主要設計參數為約束類型、 約束的配置間距和混凝土強度等級。為防止柱頭過早破壞, 試驗柱柱端的箍筋加密布置。碳纖維布采用HM-20卷材(厚0.111 mm、 寬100 mm), 制作時裁剪出長740 mm、 寬60 mm的CFRP布, 將CFRP布沿著寬度方向對折兩次, 之后將其沿著長度方向對縱向鋼筋進行綁扎, 碳纖維布形成的箍筋搭接長度為10 cm[15], 搭接處的粘結劑采用碳纖維底膠。試驗柱具體設計見圖1, 主要設計參數見表1， 共制作了12組短柱試件, 其中PZ6、 CZ6用于觀察試件內部混凝土的破壞狀況。

圖1 短柱設計圖(單位:mm)

表1 短柱的設計參數

1.2 材料的力學性能

CFPR條帶HM-20與粘結劑材料HM-180性能具體參數見表2。混凝土和鋼筋的力學性能具體參數見表3。

表2 CFRP條帶與碳纖維底膠材料性能

表3 混凝土和鋼筋的力學性能

1.3 加載方案與測點布置

采用500 t液壓伺服壓力試驗機進行軸向加載, 通過多功能靜態應變測試系統來采集應力應變數據, 軸向壓縮位移由安裝在試件上的位移計適時采集。位移計的布置見圖2、 試驗加載裝置見圖3。

圖2 軸向加載位移計布置圖

圖3 試驗加載裝置

試驗正式開始前, 對試件進行幾何對中和預加載, 預加荷載取預估極限荷載的10%, 待檢查加載系統和各測點工作運行正常后卸載。通過力控制方式進行正式加載, 開裂前每級荷載增量為20 kN, 開裂后至預估屈服荷載階段, 荷載增量取10%預估極限荷載值; 屈服后荷載增量取5%的預估極限荷載值。各級加載持荷2 min, 觀察裂縫, 臨近破壞時緩慢加載, 當試件承載力降至0.8Pu(峰值荷載值)時構件破壞, 停止加載。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及破壞形態

短柱的破壞形態如圖4所示, 所有短柱的加載均按照加載方案進行。 加載初期, 所有試驗柱表面基本沒有明顯變化, 處于線彈性階段； 當加載到0.2～0.25Pu時, 柱頂或者柱底的角部出現裂縫, 長度在20～25 mm, 且混凝土表面有少量起皮； 繼續加載, 各側面角部新增少量豎向裂縫, 增加速度緩慢, 裂縫長度100～200 mm, 伴有輕微的噼啪聲； 接近極限荷載時, 角部區域的混凝土被壓酥, 各側面豎向裂縫急劇增多縱向貫通并不斷發出脆響, 達到極限荷載以后, 承載力下降迅速, 混凝土大面積鼓起并脫落, CFRP條帶約束短柱最終為剪切型破壞, 與普通箍筋混凝土短柱相似, 配置間距和混凝土強度等級對試驗柱的破壞過程影響較小。

圖4 短柱破壞與核心混凝土典型破壞(f, l)形態

加載結束后對未完全脫落的混凝土進行剝離。 對于普通箍筋柱, 隨著箍筋配置間距增大和混凝土強度等級降低, 核心區混凝土有少量裂紋, 破壞情況逐漸嚴重(圖4f); 對于CFRP約束短柱, 縱向鋼筋有壓彎現象, 所有的CFRP箍筋均未拉斷, 只有部分試驗柱中部的CFRP條帶搭接處存在松動現象, 混凝土保護層在柱中部脫落嚴重, 角部的混凝土被壓酥, 核心區混凝土沒有出現明顯裂紋, 主要原因是混凝土受CFRP條帶約束和箍筋作用, 其本身的強度和塑性得到提高, 整體性提升, 混凝土強度等級對CFRP條帶約束短柱的破壞形態影響不明顯(圖4l)。

2.2 荷載-位移曲線

試驗柱的荷載-位移關系曲線如圖5所示。 1)每個試件都經歷了彈性和塑性發展兩個階段, CFRP條帶約束短柱和普通箍筋短柱在加載值為0.7～0.75Pu時呈現彈性受壓狀態, 此后進入塑性發展階段。2)普通箍筋短柱的配箍間距越小, 其峰值荷載越大, 并且在試件荷載-位移曲線達到峰值荷載后出現平緩的下降段, 配箍間距越小, 下降段越平緩, 表現出較好的延性(圖5a)。3)CFRP條帶約束短柱在配箍約束間距為35 mm時有較高的極限荷載, 說明此時核心區混凝土約束效果比其他配箍間距較好, 提高了短柱的承載力, 但是當達到極限荷載后, 隨著加載的繼續, 試件CZ1的承載能力退化迅速(圖5b)。4)由圖5c可知, 當約束混凝土的強度等級采用C30時, CFRP條帶約束短柱與普通箍筋短柱的極限承載力基本保持在同一水平, 體現了CFRP條帶約束良好的約束效果, 但是同一荷載條件下, 普通箍筋短柱的軸向位移明顯大于CFRP條帶約束短柱, 且隨著加載進行, 兩者的軸向位移差值逐漸增大, 在達到極限荷載附近時達到最大值, 體現了CFRP條帶良好的約束效果。 CFRP條帶約束的核心區混凝土和縱筋在較大的軸向壓力作用下的整體性優異, 橫截面在加載過程中的抗彎剛度下降緩慢, 即使是試件中部的薄弱部位, 破壞前的剛度仍保持在較高水平, 說明CFRP條帶約束短柱在軸壓荷載下擁有高承載、 小變形的受力特性, 具有較好的工程適用性。

圖5 不同箍筋形式的試驗柱荷載-位移曲線

3 承載力影響因素分析

整理試驗中采集到的數據, 各試件極限荷載值如表4所示, 可以得出: 1)對于第1組普通箍筋短柱, 試驗柱極限承載力與箍筋間距成反比, 但是隨著箍筋間距的增大, 曲線走勢逐漸趨于水平, 說明箍筋間距對極限承載力的影響減弱, 原因是當箍筋間距增大到一定程度, 試驗柱的配箍率降低, 接近配箍限值, 箍筋對縱筋和核心區混凝土的約束作用迅速減弱。

表4 各試件主要試驗數據

2)對于第2組CFRP條帶約束短柱, 隨著箍筋間距的增大, 試驗柱的極限承載力隨著約束間距的減小而減小, 原因是CFRP條帶約束在橫截面和沿柱高方向都存在拱效應[4], 見圖6。 當箍筋間距較小時沿柱高方向都是強約束區, 側向受到極大的約束, 在軸向壓力不大時近似處于軸心受壓狀態。當軸向壓力達到較高水平時, 位移增長速率加快, 柱中受拉區CFRP條帶易產生脫落甚至崩斷現象, 延性不理想, 但是隨著箍筋間距增大, 強約束區拱效應減弱, 上下相鄰的CFRP條帶約束拱效應相疊合區域減小, 既減小弱約束區的高度, 又提高試驗柱的延性; 當箍筋間距繼續增大, 相鄰CFRP條帶間距不斷增大, 弱約束區高度不斷增大, 兩CFRP條帶的中部截面約束效果基本喪失, 成為薄弱部位, 承載力也隨之減弱。

圖6 CFRP條帶約束效應

3)對于普通箍筋短柱, 隨著約束混凝土強度等級的提高, 極限承載力增大7%; 對于CFRP約束短柱, 混凝土強度等級對約束短柱的影響有限, 基本可以忽略不計, 原因是CFRP包裹的層數較少, 提供的環向約束力和剛度有限, 當試驗柱采用C30混凝土時, 核心區的約束混凝土抗壓強度還未達到最大值, 便由于環向約束不足而較早發生破壞, 說明CFRP環向約束強度不足時, 增大約束混凝土強度的作用有限; 通過比較試件PZ6和CZ6可知, 盡管普通箍筋的剛度遠遠大于CFRP條帶, 對核心區混凝土的約束效果高于條帶CFRP約束, 但是兩種約束短柱的極限承載力是很接近的, 說明當混凝土強度等級較低時, 即使CFRP包裹的層數少, CFRP條帶約束短柱的極限承載力也能滿足受力要求, 約束效果較理想。

4 承載力計算

通過分析可知, CFRP條帶約束混凝土的機理與其他單一材料約束混凝土相似, CFRP條帶對混凝土施加側向約束, 使得混凝土處于三向受壓狀態, 其承載能力和變形能力得到有效地提高, 隨著CFRP條帶布置間距的減小, 提高效果顯著。如圖7所示, 首先假定每條邊上提供的側向約束是均勻分布的, 由靜力平衡條件可以求得側向約束力

圖7 計算簡圖

(1)

同理可推得普通箍筋約束的側向力為

(2)

式中:AC為CFRP條帶截面面積;As為鋼筋截面面積;fy為鋼筋的抗拉強度;fCFRP為CFRP條帶的抗拉強度;dc為約束寬度;s為配置間距。

同時參考了Pellegrino等[16]基于其試驗數據的分析給出的適用于FRP約束的矩形截面的混凝土強度計算公式, 對施加CFRP條帶約束和普通箍筋約束的混凝土強度fcc、fcs進行修正, 則有

fcc/fc0=1+2.95(flx/fc0)0.6,

(3)

fcs/fc0=1+2.95(fls/fc0)0.4,

(4)

式中:fc0為未約束的混凝土強度。

參考我國《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)鋼筋混凝土軸壓構件正截面承載力計算公式, 對該試驗的約束混凝土短柱承載力進行計算, 則有

N=0.9φ(fbAb+fc0Ab0+fyAs),

(5)

式中:N為約束混凝土短柱承載力計算值;φ為考慮長細比的穩定系數, 考慮到該試驗構件為短柱, 取值為1;fb、fc0分別為約束后和未約束的混凝土強度;Ab、Ab0為受約束和未約束混凝土截面面積。

通過對比表5試驗柱承載力的計算值與試驗值發現, 誤差率在8%以內, 吻合良好。

表5 試驗柱承載力計算值和試驗值的對比

5 結 論

(1)CFRP條帶約束混凝土短柱與普通箍筋混凝土短柱的破壞過程和最終形態類似, 均表現為明顯的剪切型破壞特征, 約束間距和混凝土強度等級對破壞形態無明顯影響。

(2)普通箍筋約束短柱的極限承載力與箍筋間距成反比, 與混凝土強度等級成正比, 后者的影響更明顯; CFRP條帶約束短柱的承載力與混凝土強度等級關聯不大, 隨著約束間距的減小而增大, 但是約束間距過小會降低試驗短柱的延性, 說明選擇合適的約束間距對于CFRP條帶約束混凝土短柱的約束效果和極限承載力至關重要。

(3)當采用C30混凝土時, 兩種約束短柱的承載力基本保持同一水平, 但是采用C35時, CFRP條帶約束混凝土短柱的極限承載力和延性小于普通箍筋混凝土短柱, 當CFRP條帶包裹層數較少時, 宜適量降低約束混凝土強度等級, 以發揮CFRP條帶良好的約束效果, 提高構件的延性。

(4)基于混凝土強度等級為C35的短柱, 提出其受約束后混凝土強度的修正公式和承載力計算公式, 與試驗值比較, 吻合度較好。